/
Tags: журнал домашняя лаборатория научно-практический журнал образовательный журнал
Year: 2025
Text
дом*
ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ
МАРТ 2025
\л}' *
ДОМАШНЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
Научно-практический
и образовательный
интернет-журнал
http://homelab.atspace.ее
Адрес редакции:
homelab@gmx.us
Статьи для журнала направ-
лять, указывая в теме пись-
ма «For journal».
Журнал содержит материалы
найденные в Интернет или
написанные для Интернет.
Журнал является полностью
некоммерческим. Никакие го-
норары авторам статей не
выплачиваются и никакие оп-
латы за рекламу не принима-
ются.
Явные рекламные объявления
не принимаются, но скрытая
реклама, содержащаяся в
статьях, допускается и даже
приветствуется.
Редакция занимается только
оформительской деятельно-
стью и никакой ответствен-
ности за содержание статей
не несет.
Статьи редактируются, но
орфография статей является
делом их авторов.
использовании материа-
зтого журнала, ссылка
При
лов
на него не является обяза-
тельной, но желательной.
Никакие претензии за не-
вольный ущерб авторам, за-
имствованных в Интернет
статей и произведений, не
принимаются. Произведенный
ущерб считается компенсиро-
ванным рекламой авторов и
их произведений.
По всем спорным вопросам следу-
ет обращаться лично в соответ-
ствующие учреждения провинции
Свободное государство (ЮАР).
При себе иметь, заверенные ме-
стным нотариусом, копии всех
необходимых документов на афри-
каанс, в том числе, свидетель-
ства о рождении, диплома об
образовании, справки с места
жительства, справки о здоровье
и справки об авторских правах
(в 2-х экземплярах).
Nft
ЩжШ П-П
- - ^
СОДЕРЖАНИЕ
Эллинистический период
Март 2025
История
Ликбез
Пробиотики, пребиотики, метабиотики (окончание) 93
Культивирование микроорганизмов 131
Аффинаж золота
Получение цинка из водного раствора
Некоторые методы органической химии
Неорганические реактивы (продолжение)
Реквием по радиолампам
Электроника для начинающих
Изучаем STM32
Униполярный генератор и парадокс Фарадея
Датчик воздушного потока
Магнитная левитация
Вакуумное напыление
Химичка
179
182
194
208
Электроника
223
256
310
Дискуссии
351
Техника
372
384
394
Технологии
Изготовление электровакуумных приборов (продол.) 443
Изготовление электровакуумных приборов (продол.) 462
Изготовление электровакуумных приборов (продол.) 477
Работа с ферментами (окончание)
Квантовые точки
Разрушители
Рассказы и повести
Биосенсоры с квантовыми точками
Лаборатория на ладони
Флуоресцентные репортеры
Лаборатория
493
519
Мышление
526
647
Разное
Литпортал
746
756
763
НА ОБЛОЖКЕ
Рисунок к публикации «Культивирование микроорганиз-
мов» .
ЭЛЛИНИСТИЧЕСКИЙ ПЕРИОД
Бадак А.Н. и др.
ГЛАВА 1.
ГОСУДАРСТВО
АХЕМЕНИДОВ
Одним из древнейших центров рабовладельческого мира являлась Передняя Азия.
В течение веков политическая карта этого обширного района не раз менялась. В
результате внутренних потрясений, войн и захватов рушились одни государства,
а на их месте возникали другие.
В начале I тысячелетия до нашей эры здесь образовалась первая крупная рабо-
владельческая империя — Ассирийская держава, включившая в свой состав большую
часть Передней Азии и Египет. Захват чужих территорий обеспечивал приток мас-
сы материальных ценностей и рабов, огромной дани. Все это обогащало военно-
служилую знать и жречество Ассирии.
Создание обширной державы, по территории которой проходили важнейшие кара-
ванные пути, отвечало и интересам торгово-ростовщической верхушки крупных го-
родов . Вместе с тем внутри гигантского государства росли противоречия. Вар-
варская политика ассирийских царей, массовые переселения покоренных народов,
разрушение ремесленных центров порождали сопротивление различных общественных
сил в завоеванных областях.
Лишенное общей экономической основы и представлявшее собой насильственное
объединение различных по уровню своего развития стран и областей, это госу-
дарство не могло быть устойчивым и прочным. Военные неудачи только ускорили
распад Ассирийской империи.
В конце VII в. до н. э. Ассирия пала под ударами Вавилонии и Мидии. Победи-
тели разделили между собой ассирийское наследство, но, в свою очередь, усту-
пили место новой, нарождающейся Персидской империи.
Особенности развития
государств передней
Азии в I тысячелетии
до нашей эры
В связи с появлением рабовладельческих империй возникли новые черты в раз-
витии экономики, социальных отношений, а также в политическом строе госу-
дарств Передней Азии. Создание крупных государств сопровождалось насильствен-
ным уводом в плен части населения завоеванных территорий. Это вело к громад-
ному росту рабства.
Не только цари, не только храмы, но и значительная прослойка тесно связан-
ных с войском и царской администрацией людей превратились в крупных рабовла-
дельцев , которые обладали сотнями, а иногда и тысячами рабов. В I тысячелетии
начинают широко практиковаться поселения пленных-рабов небольшими разрознен-
ными группами.
В связи с тем, что осуществлять постоянное наблюдение за этими поселенцами
практически было невозможно, рабам, которые по-прежнему были лишены личной
свободы, предоставляли известную долю самостоятельности. Они вели хозяйство
господскими средствами и вынуждены были отдавать рабовладельцу значительную
часть продуктов своего труда. Такой же характер носила и эксплуатация рабов-
ремесленников в немногих крупных городах.
Вся земля на покоренных территориях по праву завоевания переходила в собст-
венность царя. Это было еще одним важным следствием образования военных импе-
рий. Исключение из правила составляли лишь те города и земли храмов, которые
добровольно подчинялись завоевателям.
Большое распространение получила раздача земель и целых территорий предста-
вителям крупной рабовладельческой знати господствующей державы в награду за
службу или в порядке дарения. Коренным образом изменилось положение рядовых
общинников. Раньше — независимо от того, существовала ли номинальная верхов-
ная собственность царя на землю или нет, — общинники рассматривали землю, ко-
торой они фактически обладали, как собственную. Теперь же собственность царя
на обрабатываемую общинниками землю приобрела для последних реальное значе-
ние. Этому, в частности, способствовали массовые переселения, производимые
как ассирийскими царями, так и их преемниками.
Долговые обязательства, бесконечные поборы и повинности — все эти факторы
низвели общинников до положения, немногим отличавшегося от рабов, с которыми
они часто жили в одних селениях.
До сих пор Древний Восток не знал городов в подлинном смысле слова, т. е.
торгово-ремесленных центров. То, что именовалось здесь городом, представляло
собой, в основном, сельскохозяйственное или сельскохозяйственно-ремесленное
укрепленное поселение. Горожане были общинниками и выполняли обычные для об-
щинников повинности. Наряду с этим существовали царские административные цен-
тры — мощные крепости с царским гарнизоном.
В наиболее развитых областях, особенно в узловых пунктах караванных и мор-
ских торговых путей, некоторые городские общины к началу I тысячелетия пре-
вращаются в настоящие города с высоким уровнем ремесел. Господствующее поло-
жение в них занимают торгово-ростовщические слои рабовладельцев.
Жители этих городов продолжали нести общинные и царские повинности, платить
налоги, но на отработку повинностей рабовладельцы посылали уже своих рабов.
Важнейшие храмы становятся средоточием ремесла, торговой и ростовщической
деятельности. Такие города, как Урук в Вавилонии, получали храмовую организа-
цию, а вместе с ней и те привилегии, которые издавна предоставлялись храмам.
И все же рабовладельцы стремились добиться освобождения городов от налогов
и повинностей, несмотря на то, что сами они слабо ощущали тяжесть деспотиче-
ской власти царей. К VIII веку до н. э. полной автономией в Передней Азии
пользовались Урук, Ниппур, Сиппар, Вавилон с пригородами Борсиппой и Куту,
Ашшур, Харран.
В таком же положении оказались и подчиненные ассирийскими, а затем вавилон-
скими царями торговые финикийские города-государства — Арвад, Сидон, Тир. В
привилегированном положении находилось и население храмовых территорий в
Египте, Малой Азии и в других областях.
Происшедшие в социальных отношениях и хозяйстве изменения нашли отражение и
в политической истории этих государств. Уже в VIII-VII веках до н. э. в пре-
делах Ассирийской державы, а позднее и в Вавилонской империи наблюдается
борьба двух группировок внутри правящей элиты.
Одна из них защищала интересы военно-служилой знати. Она стремилась ко все-
мерному усилению царской власти и армии, к продолжению политики завоевания и
грабежей. Другая была связана со жречеством и торгово-ростовщическими центра-
ми и выступала за отказ от широких завоеваний и за предоставление привилегий
храмам и городам.
В Вавилонском государстве в правящих кругах преобладала вторая партия. Од-
нако политика жречества и торгово-ростовщических кругов привела к ослаблению
военной мощи Вавилонии, поэтому при столкновении с возникшим в VI веке более
сильным в военном отношении Персидским государством Вавилонская держава не
сумела устоять.
В конце VII — начале VI веков до н. э. в результате разгрома Ассирии и
Урарту Мидийская держава овладела обширными пространствами Передней Азии от
реки Галиса в Малой Азии до пустынь Центрального Ирана. В состав созданного
ею объединения наряду с областями старых цивилизаций был включен и ряд терри-
торий, которые населяли племена, жившие в условиях первобытнообщинного строя
или совсем недавно перешедшие к классовому обществу.
Среди таких территорий была и Персида (современный Фарс), располагавшаяся
на юго-западе Иранского плоскогорья. Здесь сложилось раннеклассовое общество
с характерным для него превращением родоплеменной знати в рабовладельцев, ко-
торые стремились к военной добыче и захватам.
Воспользовавшись конфликтом между мидийским царем Астиагом и мидийской зна-
тью, недовольной его политикой централизации власти, персидский царь Кир II
(Куруш) в результате трехлетней войны в 550 году захватил власть над всей
страной. Таким образом, Индийскую империю сменила Персидская.
Завоевательные
походы Кира
После победы над Астиагом Кир объединил весь запад Ирана. Он создал сильную
армию, которая вербовалась в основном из свободных общинников. На древнепер-
сидском языке войско называлось «кара». «Кара» означало также «народ». В этом
выражалась особенность общественного строя Персиды, которая сохраняла еще,
подобно другим областям древнего Ирана, пережитки общинных порядков.
Долгое время Кира восхваляли как организатора армии, которая в течение двух
столетий не знала поражений и подчинила себе весь Ближний и Средний Восток.
Это оказалось возможным, несмотря на сравнительную малочисленность персов и
мидян, общее количество которых не достигало миллиона.
Победы персидского войска до известной степени облегчались тем, что город-
ская знать, храмы и торговые круги древних государств Восточного Средиземно-
морья были заинтересованы в создании такого объединения, которое способство-
вало бы расширению торговли.
Полная неудача постигла антиперсидский союз, заключенный в 547 году между
Лидией в Малой Азии, Вавилонией и Египтом. Неудача в значительной мере была
обусловлена изменой подавляющей части правящей верхушки союзных стран. После
победы на лидийской границе, одержанной в 546 году, войска Кира заняли терри-
торию Лидийского государства и захватили его столицу Сарды. Затем Кир подчи-
нил себе греческие города-государства на западном побережье полуострова.
После завоевания Малой Азии Кир начал наступление на Вавилонию. Вавилон был
превращен еще Навуходоносором II в мощную крепость, практически неприступную
для военной техники того времени. Кир стремился постепенно отрезать Вавилон
от окружающего мира и тем самым нанести удар торговле, которую Вавилон вел на
востоке с Западным Ираном, а на западе — с Сирией, Финикией и Палестиной.
Греческий историк Геродот и вавилонский историк Берос свидетельствуют о
том, что Кир начал непосредственное наступление на Вавилонию после того, как
«он покорил всю Азию». Египетский фараон Амасис II не сумел оказать сколько-
нибудь серьезную военную помощь своему союзнику — вавилонскому царю Набониду.
С прекращением внешней торговли в среде вавилонской правящей верхушки уси-
лилась группировка, которая ради экономических выгод была готова отказаться
от самостоятельности Вавилонского государства и примириться с его включением
в состав Персидской империи. Ненадежными оказались и наемные отряды вавилон-
ской армии.
Несмотря на все это, часть вавилонской знати, связанная с армией, решила
оказать сопротивление агрессору. Во главе вавилонского войска был поставлен
сын Набонида Валтасар (Белшаррусура). В 538 году Киру удалось захватить ос-
новную часть Вавилона. Лишь центральная, особо укрепленная часть города, в
которой засел Валтасар с отборным военным отрядом, некоторое время оказывала
ему сопротивление.
После падения Вавилона Кир вознамерился завоевать последнее из великих
древних государств, входящих когда-то в состав Ассирийской державы, — Египет.
Однако в это время Египет представлял собой сильное и довольно сплоченное го-
сударство, поэтому завоевание долины Нила было весьма нелегким делом.
Кир занялся тщательной подготовкой к вторжению в Египет. С этой целью он
возвратил на родину иудеев и финикийцев, которые находились в вавилонском
плену со времени похода Навуходоносора. Он разрешил иудеям восстановить город
Иерусалим, которому предоставил автономию. Тем самым Иудея превращалась в
удобный плацдарм для наступления на Египет. Возвращением пленных финикийцев
Кир рассчитывал привлечь на свою сторону приморские города-государства Фини-
кии, которые в предстоящей войне с египтянами могли бы оказать ему помощь
флотом.
Кир хорошо понимал всю сложность своего похода против Египта, который на
долгое время мог отвлечь его основные военные силы, поэтому он решил вначале
покорить Бактрию и обезопасить восточные границы империи от вторжения кочев-
ников .
После взятия Вавилона Кир предпринял ряд походов против кочевых племен
среднеазиатских степей. Успех сопутствовал ему, пока он ограничивал цели сво-
их военных экспедиций отражением набегов кочевников. Когда же он попытался
включить в состав своей империи племена саков-массагетов, кочевавших в степях
к востоку от Аральского моря, то встретил упорное сопротивление.
В одном из сражений в 529 году Кир потерпел поражение и был убит. Власть
перешла в руки его сына Камбиса (по-персидски — Камбуджия) , который уже при
жизни отца был его соправителем.
Вступление на престол произошло после тяжелого поражения, нанесенного пер-
сам саками-массагетами.
Завоевательные
походы Камбиса
Несмотря на всю тяжесть поражения, Камбис сумел оградить границы восточных
областей своей державы от опасности вторжения кочевников. После этого он при-
ступил к осуществлению похода в Египет.
В конце 527 года Камбис направил свои основные силы на запад и на некоторое
время остановился в Иудее. Начали подготовку своего флота и финикийские горо-
да-государства . Несколько кораблей прислали также города острова Кипр и пра-
витель греческого острова Самос — Поликрат. Узнав от одного из командиров
греческих наемников в Египте — Фанета о недовольстве египетской знати и жре-
чества внутренней политикой фараона Амасиса, который опирался на армию в
стремлении укрепить единоличную власть, Камбис попытался завязать сношения с
некоторыми из представителей египетской знати.
Персидский царь привлек на свою сторону также арабские племена, кочевавшие
в степях и пустынях между Южной Палестиной и Египтом. Камбис обязал их оказы-
вать помощь персидскому войску во время перехода через их области.
Помощь арабских кочевников оказалась весьма полезной, когда в 525 году ар-
мия Камбиса двинулась в поход на Египет. В это время умирает фараон Амасис.
На престол вступил его сын Псамметих III. Решающая битва произошла на египет-
ской границе у Пелусия. Понеся тяжелые потери, войско египтян отступило к
Мемфису и оказало здесь последнее сопротивление, но через некоторое время бы-
ло вынуждено сдаться на милость победителя.
При взятии Мемфиса персами был захвачен и фараон Псамметих III со своей
семьей и приближенными. Вся долина Нила вплоть до Элефантины подчинилась пер-
сидскому царю. Столь быстрая победа над Египтом была обусловлена изменой еги-
петской знати и жречества. Главой изменников был Уджагорресент, командовавший
в это время морскими силами Египта.
Уджагорресент открыл морское побережье для финикийского флота, который бла-
годаря этому смог беспрепятственно проникнуть по рукавам Нила вглубь Дельты и
подчинить ее Камбису. В своей автобиографической надписи Уджагорресент умал-
чивает о действиях морских сил Египта и говорит лишь о том времени, когда
власть Камбиса над долиной Нила уже установилась и перс, ставший фараоном,
приказал ему «быть другом и управителем дворца».
Для представителя египетской знати Уджагорресента пришедший с востока чуже-
земец Камбис являлся таким же желанным царем, каким был его отец Кир для пра-
вящей верхушки Вавилонии.
Жившие к западу от Египта ливийские племена были напуганы стремительной по-
бедой Камбиса над египтянами. Ливийцы добровольно признали господство персид-
ского царя и прислали ему дары. Укрепив, таким образом, свою власть в долине
Нила и в смежных с ней областях, Камбис сделал попытку продвинуться дальше на
запад, во владения Карфагена, и на юг, в Эфиопское царство.
Вынужденный отказаться от нападения на Карфаген с моря, поскольку, по сви-
детельству греческого историка Геродота, финикийцы не захотели «идти войной
на родных детей», Камбис задумал осуществить поход по суше. Для этой цели он
подготовил военную экспедицию в северо-западную часть ливийской пустыни — к
оазису Амона, открывавшему пути на Киренаику и на Карфаген.
Этот поход Камбиса завершился полной катастрофой. Персидское войско погибло
в пути в результате песчаной бури. Неудачно закончился и поход на Эфиопское
царство. Неся большие потери как от жары и жажды, так и вследствие сопротив-
ления эфиопов, армия Камбиса была вынуждена отступить.
В результате поражения в эфиопской войне в Египте появились слухи о гибели
персидского царя. Эти слухи привели к смутам и восстаниям, в которых был за-
мешан и Псамметих III, находившийся в Мемфисе в почетном плену.
Вернувшись из похода, Камбис сурово расправился с теми, кто противился его
власти. В надписи Уджахюрресента сообщается о «величайшей ярости царя..., по-
добной которой никогда не было». Камбис предал казни Псамметиха и велел сте-
реть на саркофагах имена и титулы членов семьи фараона. Он приказал также
разрушить те храмы, жречество которых участвовало в восстании.
Но не только волнениями среди египетского населения объяснялась неописуемая
ярость Камбиса. В связи со слухами его гибели в персидском войске, оставлен-
ном Камбисом в долине Нила под началом его младшего брата Бардии, на послед-
него стали смотреть как на царя.
Поэтому после возвращения Камбиса из Эфиопского царства Бардия был отослан
в Персию и там тайно умерщвлен. Боясь заговора в войске, верхушка которого
была недовольна деспотизмом царя, Камбис предал смертной казни и несколько
других знатнейших персов.
Переворот
Гауматы
Вскоре после смерти Бардии Камбис получил тревожные известия из Ирана, где
появился самозванец, называвший себя Бардией. Самозванцем был некий маг Гау-
мата. В Бехистунской надписи, повествующей об этих событиях, сообщается, что,
когда в 522 году Гаумата объявил себя Бардией, «весь народ взбунтовался и пе-
решел от Камбиса к нему, и Мидия, и другие страны. Гаумата захватил царство».
Однако движение, возглавленное Гауматой, началось несколько раньше, и не в
Персиде, а в Мидии. Согласно Геродоту, узурпация царской власти магом-
самозванцем рассматривалась как переход власти в государстве от персов снова
к мидянам. Смерть Камбиса, который при загадочных обстоятельствах умер в июле
522 года на пути из Египта в Иран, укрепила власть Гауматы.
Из-за скудости источников невозможно выяснить истинную причину успехов са-
мозванца. Маг-узурпатор был представителем мидийского жречества. Гаумата при-
казал разрушить святилища — центры родовой культуры — и отнял у кары «по об-
щинам» пастбища, имущество и «домашних людей» (как полагают исследователи,
рабов).
В интересах мидийской знати Гаумата пытался разрушить еще сохранившуюся об-
щинную организацию Персиды с целью нанесения ущерба персидским воинам-
общинникам. Однако значение переворота Гауматы не ограничивалось только этим.
В сложной по своему составу державе переплетались разнообразные и противоре-
чивые интересы. Геродот сообщает, что «маг разослал по всем народам своего
царства распоряжение о свободе от военной службы и от податей на три года» и
что, когда он погиб, «все в Азии жалели о нем, за исключением самих персов».
Народы завоеванных Киром и Камбисом стран и отдельные группировки правящей
верхушки были ожесточены тяжкими поборами и различными повинностями в пользу
Персидской державы и поддерживали Гаумату. В то же время именно политика Гау-
маты, мало отличавшаяся от политики Ахеменидов, привела к восстанию народных
масс в Маргиане.
Наибольшее недовольство реформы Лжебардии вызвали у войска Западного Ирана
и у персидской знати, которая примыкала к царскому роду Ахеменидов. Враждеб-
ные самозванцу на западе Ирана силы возглавил 27-летний военачальник Дарий,
сын Гистаспа (по-персидски — Дараявауш, сын Виштаспы), представитель младшей
ветви царского рода Ахеменидов. С помощью шести других представителей персид-
ской племенной знати Дарий организовал в Мидии убийство мага Гауматы в том же
522 году до н. э.
По вступлении на престол Дарий восстановил родовые святилища персов, разру-
шенные самозванцем, вернул отнятые у кары пастбища и скот. Он вернул привиле-
гированное положение войску, в котором служили все свободные люди Западного
Ирана, и лишил завоеванных Киром и Камбисом тех льгот, которые были им даро-
ваны самозванцем.
На Бехистунской скале Дарий увековечил события начала своего царствования.
Эта скала является последним отрогом горной цепи, которая окаймляет на восто-
ке долину Керманшаха, к северу от древнего Элама. Здесь, на большой высоте,
клинописным слоговым письмом была вырезана большая надпись в 400 строк на
древнеперсидском языке и ее переводы на эламский и аккадский языки. Над над-
писями изваян рельеф, который изображает Дария, торжествующего над связанным
магом Гауматой и восемью вождями мятежных областей.
Бехистунская скала с рельефом и надписью Дария I. VI в. до н. э.
Возвращение династии Ахеменидов господствующего положения вызвало восстание
ряда западных областей державы, прежде всего Элама и Вавилонии. Элам скоро
подчинился, но подавление восстания в Вавилонии потребовало нескольких меся-
цев . А тем временем от Дария снова отпали Элам, Мидия, Египет и Парфия. Среди
мятежных областей в Бехистунской надписи названа и Маргиана.
Восстания на востоке державы Ахеменидов отличались от западных. Мятежи на
западе империи не выливались в подлинно народные движения. Об этом свидетель-
ствуют сравнительно небольшие потери при их подавлении. В то же время на вос-
токе Дарию пришлось иметь дело с подлинно народным восстанием против знати,
которое вспыхнуло в Маргиане еще при Гаумате.
В декабре 522 года Маргиана была разгромлена с беспредельной жестокостью.
Непокорная Дарию область была буквально залита кровью. Количество казненных
повстанцев превысило 55 тысяч человек. В плен взято 6 572 повстанца. В Бехи-
стунской надписи Дарий хвастливо заявляет, что только в течение одного года
он одержал 19 побед, захватил в плен 9 «царей» и полностью восстановил Пер-
сидскую державу.
Империя
ахеменидов
при Дарий I
Персидская держава представляла собой непрочный конгломерат народностей и
племен, которые существенно различались по уровню своего развития, формам хо-
зяйственной жизни, языку и культуре. В западной части империи господствовали
рабовладельческие отношения, а в восточной части многие племена жили еще в
условиях первобытнообщинного строя.
Если иметь в виду время правления Кира и Камбиса, то можно говорить лишь о
военном владычестве персов над покоренными странами. По свидетельству Геродо-
та, «в царствовании Кира, а затем Камбиса в Персии определенной подати не су-
ществовало вовсе, но подданные приносили подарки».
Под словом «подарки» подразумевались произвольно взимаемые поборы, а не
твердо установленные постоянно действующим административным аппаратом налоги.
Именно отсутствие администрации обусловило столь быстрый распад Персидской
империи после смерти Камбиса и Гауматы.
Введение устойчивой административной системы управления завоеванными стра-
нами приписывается Дарию I. Проведенные Дарием в начале царствования реформы
были направлены на максимальное укрепление центральной власти. Опираясь на
армию, Дарий достиг этой цели. Характер Персидской монархии четко проступает
в одной из надписей, составленных во время правления Дария, — в так называе-
мой Накширустемской надписи «Б», являющейся апологией единоличного правления.
Теперь только царь имел право награждать и наказывать. Ослушание «царя ца-
рей» грозило жестокими карами даже самым знатным персам. Так, один из шести
участников заговора против Гауматы был предан смертной казни за пренебрежи-
тельное отношение к строгому придворному церемониалу вопреки данному Дарием
обещанию «оберегать» соучастников убийства Гауматы.
Исключительное положение в государстве Ахеменидов занимало население собст-
венно Персиды. Государственный аппарат, привилегированные части войска ком-
плектовались , прежде всего, из персов, поэтому не только персидская знать, но
в известной мере и персидские общинники поддерживали царскую власть.
Основу бюджета Персидской монархии составляли государственные налоги, а
также доходы царского хозяйства. Баснословные в глазах греческих историков
доходы персидского царя шли на содержание пышного царского двора со всем его
придворным штатом, роскошными дворцами и садами.
Больших расходов требовал и обширный чиновничий штат, в частности, царская
канцелярия с многочисленными писцами, которые знали различные языки, на кото-
рых говорили в империи, и архивом, где хранились документы делопроизводства.
Во главе административного аппарата стоял совет из семи знатнейших вельмож,
в число которых входили участники заговора против Гауматы или их преемники и,
кроме того, верховный сановник государства, который назывался тысяченачальни-
ком.
Промежуточным звеном между центральной администрацией и администрацией об-
ласти являлся крупный сановник, носивший весьма характерный титул — «глаз ца-
ря», а также его помощники, называвшиеся столь же образно — «глаза и уши ца-
ря».
Все государство при Дарий было разделено на 20 областей — сатрапий, каждая
из которых должна была платить в качестве налога определенное количество та-
лантов серебра. Только сатрапия Индия, подчиненная в первые годы правления
Дария, вносила налог не серебром, а золотом.
Вавилония платила 1000, а Египет — 700 талантов серебра. Одна Персида была
освобождена от налогов, а при Дарий I — и от строительных и транспортных ра-
бот, к которым привлекалось население прочих сатрапий. Совокупный налог, еже-
годно поступавший из всех сатрапий, равнялся 14 560 талантам (свыше 400 тонн)
серебра.
При Дарий и его преемниках это огромное количество драгоценного металла в
значительной мере накапливалось как сокровище. Геродот сообщает, что получен-
ный в виде налогов металл расплавлялся, и им «наполняли сосуды, затем глиня-
ная оболочка снималась. Всякий раз, когда требуются деньги, царь велит отру-
бить металла, сколько ему нужно». За установление Дарием определенного налога
персы называли его торгашом.
Сатрап — правитель области — являлся неограниченным повелителем ее граждан-
ского населения. Обычно сатрапами были знатные персы, однако некоторые облас-
ти с разрешения царя возглавлялись их прежними правителями. Например, в Егип-
те кое-где сохранялись старые номархи, которые по существу являлись персид-
скими наместниками. Во всех важнейших делах они безоговорочно подчинялись во-
ле сатрапа.
Основной задачей сатрапов было немедленное обеспечение выполнения приказов
царя и исправное поступление в царскую казну налогов. В своей монархии Дарий
установил более сложный и более четко действующий налоговый механизм, чем
тот, который существовал в Ассирии, хотя и ассирийские цари похвалялись в
своих надписях той «тяжелой данью», которой они обложили побежденные народы.
Существующие в монархии Дария налоги были сущим бедствием практически для
всех слоев населения. Тяжесть налогов усугублялась способом их взимания. Пер-
сидское государство систематически отдавало сбор налогов на откуп. При этой
системе откупщик, выплачивающий вперед установленную сумму налогов, получал
за это право взимать с населения значительно большую сумму.
В качестве откупщиков выступали группы богачей, например, в Вавилонии —
представители торгово-ростовщического рода Мурашу. Документы архива этого ро-
да красноречиво свидетельствуют о методах хозяйствования откупщиков.
Так, в одном документе от 425 года до н. э. сообщается о том, что агенты
Мурашу во время взимания налогов разгромили два больших поселения и ряд более
мелких населенных пунктов. Дело дошло до того, что персидский чиновник Бага-
дата, ведавший делами пострадавших поселений, подал на этих агентов в суд.
Представитель торгового рода Мурашу опротестовал обвинение, но «ради миролю-
бия», во избежание судебного дела, согласился дать Багадате 350 мер ячменя, 1
меру полбы, 50 мер пшеницы, 50 сосудов старой и столько же сосудов новой фи-
никовой водки, 200 мер фиников, 200 голов мелкого скота, 20 голов крупного
скота и 5 талантов шерсти. Багадата принял эту огромную взятку и согласился
замять поднятое им судебное дело.
Этот документ наряду с другими подобными ему свидетельствует о полной без-
защитности населения в государстве Ахеменидов.
При сохранении почти неограниченной власти сатрапов над местным населением
Дарий вместе с тем подчинил все военные гарнизоны, располагавшиеся в крупных
городах сатрапий, особым военачальникам, совершенно неподконтрольным сатра-
пам. Таким образом обеспечивался необходимый для центральной власти взаимный
контроль, о котором греческий историк Ксенофонт сообщает следующее: «Если
военачальник недостаточно защищает страну, начальник (мирных) жителей и заве-
дующий обработкой земли доносит, что трудиться нельзя вследствие отсутствия
охраны. Если же военачальник обеспечивает мир, а у начальника обрабатываемая
земля мало населена, не обработана, то на последнего доносит военачальник».
Такой контроль над деятельностью сатрапов должен был противодействовать их
сепаратистским устремлением. Деятельность сатрапа контролировалась также при-
ставленным к нему царским писцом. В пограничных наместничествах, например в
Египте, Малой Азии, сатрап был одновременно и военачальником. В таких случаях
царский писец оставался единственным наблюдателем за деятельностью сатрапа.
Над всеми военачальниками отдельных сатрапий стояли пять главных военачаль-
ников, каждому из которых были подчинены основные военные силы нескольких
сатрапий. Во времена Дария I надежное ядро армии составляли персидская пехота
и конница. Сознавая значение персидского народа-войска (кары) для безопасно-
сти империи, Дарий завещал своим преемникам: «Если ты так мыслишь: я не хочу
бояться врага, — то оберегай этот народ (персидский)».
Наряду с персами армия пополнялась мидянами, представителями восточно-
иранских племен и, наконец, частями, набранными в других покоренных областях.
Персидские военачальники следили за тем, чтобы в гарнизоны крепостей сатрапий
не включались местные уроженцы.
Сохранились многочисленные папирусы конца V века из Элефантины в Египте,
где находилась большая пограничная крепость. Папирусы написаны на арамейском
языке и представляют собой архив иудейской общины, часть членов которой со-
стояла в гарнизоне местной крепости. Египтяне не входили в состав гарнизона
элефантинской крепости, а допуск египетских воинов в ее пределы рассматривал-
ся даже как преступление. Персов и вообще иранцев в Элефантине было не много.
Они состояли преимущественно в командном составе гарнизона.
Чтобы в мирной обстановке держать население в повиновении, персы располага-
ли достаточными военными силами в сатрапиях. Но во время крупных восстаний
или при вторжении внешнего врага главные военачальники должны были спешно пе-
ребрасывать войско в наиболее опасные районы.
Для этой цели требовалась сеть благоустроенных дорог. Геродот, путешество-
вавший по этим дорогам и получивший возможность познакомиться с рядом облас-
тей Передней Азии, обстоятельно описал так называемую «царскую дорогу», кото-
рая соединяла Эфес на западном побережье Малой Азии с Сузами — главной рези-
денцией царя в далеком Эламе.
На протяжении двух с половиной тысяч километров примерно через каждые два-
дцать пять километров были расположены станции со служебными помещениями.
Сатрапы областей, через которые проходила дорога, обязаны были следить за
безопасностью передвижения путешественников, торговцев и т. д. и жестоко ка-
рать преступников, угрожавших их жизни и имуществу.
Обширное Персидское государство пересекали и другие дороги. На определенном
расстоянии друг от друга находились посты всадников, которые обслуживали цар-
скую почту по принципу эстафеты. Геродот писал, что «среди смертных существ
нет такого, которое достигало бы места назначения быстрее персидского вестни-
ка». Кроме царской почты в Персидской империи, как и в Ассирийской, в качест-
ве средства связи применялась сигнализация огнем.
Наряду с расширением сети сухопутных дорог большое внимание обращалось и на
водные пути. В связи с завоеванием Северо-западной Индии смелому мореходу
Скилаку из Карианды в Малой Азии было поручено исследовать устье Инда и уста-
новить возможность непосредственной морской связи со странами Запада.
Корабли Скилака, отправившиеся от берегов Инда, на тридцатом месяце путеше-
ствия по Индийскому океану прибыли к северо-западному побережью Красного мо-
ря, откуда финикийские моряки отправились в свое время по повелению фараона
Нехао в путь вокруг Африки. Удача экспедиции Скилака побудила Дария довести
до конца начатые Нехао работы по прорытию канала, соединяющего Нил с Красным
морем. После завершения этого грандиозного проекта вдоль берега канала были
воздвигнуты большие каменные плиты с надписями.
Более упорядоченно стало вестись денежное хозяйство государства. Была вве-
дена единая чеканная монета, причем право чеканки золотой монеты принадлежало
исключительно царю. Сатрапы могли чеканить серебряную монету, а автономные
города и области выпускали медные деньги.
Золотая монета персидских царей весом в восемь граммов и с изображением ца-
ря в виде лучника называлась дариком. Она имела хождение не только в самой
империи, но и в соседних странах, в частности, в Балканской Греции, где высо-
ко ценилась. Распространение денег в монетной форме облегчало развитие тор-
говли в Персидском государстве. Оно же обусловило дальнейшее обогащение свя-
занных с нею рабовладельцев, особенно в Вавилоне. Богатые торгово-
ростовщические дома, такие, как, например, род Эгиби, игравший заметную роль
еще во времена самостоятельности Вавилонии, теперь значительно увеличили свои
операции.
Дарик.
Подобные дома были основаны не только в Вавилоне, но и в других городах
Двуречья и в прочих сатрапиях Запада. Таким же был и упомянутый в связи с
системой откупов торгово-ростовщический дом Мурашу в Ниппуре. Судя по доку-
ментам архивов родов Эгиби и Мурашу, их торговые дома обслуживали обширные
районы державы и имели среди своих должников даже представителей царской се-
мьи.
Местные крупные рабовладельцы являлись социальной опорой царской власти в
покоренных странах. В государственном аппарате Ахеменидов они видели надежную
защиту против восстаний бедняков и рабов. Кроме того, представителям персид-
ской знати в сатрапиях выделялись крупные земельные владения. Эти земли обра-
батывались сотнями рабов. Дома владельцев представляли собой мощные крепости
со стенами из восьми сырцовых кирпичей в толщину.
Дарий стремился привлечь на свою сторону и местное жречество. В угоду жре-
цам Мардука он сделал Вавилон одной из столиц своей державы наряду с Персепо-
лем, Сузами и Экбатанами.
В надписи Уджахюрресента сообщается о восстановлении Дарием школы врачей в
Саисе. При этом Уджахюрресент особо подчеркивает, что Дарий включил в нее
«книжниками» «сыновей мужа» (т. е. знатных) «и не было среди них сыновей бед-
няков» . Дарий реставрировал также ряд египетских храмов и возвратил им дохо-
ды, которые были отняты у них Камбисом. Подобно фараонам, сатрап персидского
царя назначал жрецов, следя за тем, чтобы в их число не попали случайные ли-
ца.
По отношению к греческим храмам в Малой Азии Дарий проявил не меньшую за-
ботливость . Когда наместник западной части Малой Азии Гадат не посчитался с
привилегиями, дарованными царем храмам, Дарий пригрозил ему своей немилостью:
«за то, что ты скрываешь мое расположение относительно богов, ты, если не пе-
ременишься к лучшему, испытаешь мой справедливый гнев...».
Центральная власть ощущала потребность в законодательных нормах, которыми
должны были руководствоваться сатрапы и их помощники. В надписях Дарий под-
черкивал, что установленный им «закон» сдерживал страны, входившие в его дер-
жаву , и что этого «закона» они боялись.
Общегосударственное законодательство должно было учитывать законы покорен-
ных стран, чтобы стать приемлемым и для господствующих классов отдельных сат-
рапий. Есть сведения, что персидская царская администрация собирала данные о
законах, которые действовали в покоренных ими странах, в частности, в Египте.
К сожалению, о самом сборнике законов всей Персидской монархии, если он был
действительно составлен, исследователи не располагают никакими данными.
Сохранение мощи персидского народа-войска, а также сближение с правящей
верхушкой покоренных народов значительно укрепили Персидское государство. Это
позволило ему перейти к активной внешней политике.
Уже в первые годы царствования Дария была покорена часть Северо-западной
Индии. Тогда же персам стали подвластны острова Эгейского архипелага.
В так называемой Накширустемской надписи «А» дан список стран и народов,
которые входили в состав Персидской империи. Семь из них, упомянутые в списке
последними, были завоеваны войсками Дария после 517 года до н. э. Прежде все-
го это «саки, которые за морем», отождествляемые с саками-маесагетами, кото-
рые населяли территорию к востоку от Аральского моря.
Рельеф на Бехистунской скале с изображением Дария I и пленных
вождей повстанцев. VI в. до н. э.
В той же надписи сохранилось свидетельство о покорении персами фракийцев —
народа, жившего уже в Европе, к западу от проливов, соединяющих Черное и
Эгейское моря. Согласно Геродоту, этот народ при единодушии всех его племен
«был бы неодолим и могущественнее всех народов». Однако единодушия среди фра-
кийских племен в то время не было, поэтому Дарий вслед за «саками, которые за
морем», отметил среди подвластных ему стран и Фракию, называемую в персидских
надписях «Скудра».
Затем полководец Дария — Мегабаз завоевал греческие города на северном по-
бережье Эгейского моря. Таким образом, в числе Подвластных Ахеменидам народов
попали и «щит носящие ионийцы».
Укрепившись на европейском берегу Эгейского моря, Дарий предпринял в 514-
513 годах поход через Геллеспонт и Фракию в Северное Причерноморье. Перейдя
Дунай, большое персидское войско углубилось в скифские степи. Скифы тревожили
Дария постоянными нападениями своей конницы, но уклонялись от решительного
сражения. Отступая в глубь страны и увлекая за собой неприятеля, они поджига-
ли на его пути степь и засыпали колодцы.
Истощив свои силы, персы были вынуждены двинуться в обратный путь, оставив
часть войска во Фракии. Постигшая Дария неудача сильно подорвала военный ав-
торитет Персидской монархии.
В 500 году до н. э. в Милете — крупнейшем из греческих городов Малой Азии —
вспыхнуло восстание. Его сразу поддержали все ионийские города. Ставленники
персов были повсеместно свергнуты восставшим населением. Предвидя неравную
борьбу с гигантской Персидской империей, повстанцы обратились с призывом о
помощи к европейским грекам. Но на этот призыв откликнулись лишь Афины, по-
славшие 20 кораблей, и город Эретрия на острове Эвбея, приславший 5 кораблей.
Несмотря на отсутствие единого командования и постоянные разногласия, вос-
ставшие на первых порах добились успеха. Им даже удалось разрушить Сарды —
резиденцию персидского сатрапа в Малой Азии. Но вскоре персы подтянули силы и
овладели рядом восставших городов.
В 494 году персы наголову разбили греков в морском сражении у острова Лада.
В том же году персы взяли штурмом Милет. Большая часть его жителей была пере-
бита или продана в рабство. Город был опустошен. Это событие произвело силь-
нейшее впечатление на греков. Когда в афинском театре была поставлена траге-
дия Фриниха «Взятие Милета», зрители рыдали.
Участь Милета разделили и другие греческие города Малой Азии. К лету 493
года восстание было окончательно подавлено. Помимо численного перевеса персов
определенную роль в неудаче этого восстания сыграло и предательство ионийской
аристократии.
Семилетнее ионийское восстание послужило поводом к началу большой войны.
Хотя помощь, оказанная европейскими греками повстанцам, была очень незначи-
тельная, правящим кругам Персии стало ясно, что они смогут укрепиться в своих
малоазииских владениях только после покорения греческих полисов на Балканском
полуострове. С этого времени начинается длительный период греко-персидских
войн, которые имели огромное значение для дальнейшей истории Греции и Персид-
ской державы.
ГЛАВА 2. ВОЙНЫ
МЕЖДУ ГРЕЦИЕЙ
И ПЕРСИЕЙ
Расцвет эллинской
рабовладельческой
демократии
С середины I тысячелетия до нашей эры все более значимую роль в истории
Средиземноморья начинает играть Эллада (Греция). К этому периоду греки уже
представляли собой сложившуюся народность, несмотря на сохранение племенных
делений, а также особенностей в языке и жизненном укладе.
Старая, родовая организация уже была поколеблена далеко зашедшим процессом
имущественного расслоения, роста частной собственности и формирования клас-
сов . Место родовой организации заняло государство. Специфической формой госу-
дарства для Древней Греции был полис — античный город-государство.
Античный полис представлял собой гражданскую общину. Принадлежность к этой
общине давала отдельным ее членам право собственности на основное средство
производство того времени — землю. Однако далеко не все население, проживав-
шее на территории полиса, входило в состав общины и пользовалось гражданскими
правами.
Гражданских прав были полностью лишены рабы. Кроме того, в каждом полисе
существовали различные категории лично свободного, но неполноправного населе-
ния. К таковым приравнивались, например, переселенцы из других городов и чу-
жестранцы .
В некоторых полисах политическим преимуществом пользовались верхние слои
граждан — так называемый «аристократический полис», в других — более широкий
круг граждан («демократический полис»), Однако и те и другие полисы являлись
рабовладельческими.
Положение Греции накануне
персидского вторжения
К этому времени Эллада представляла собой совокупность независимых друг от
друга городов-государств с самоуправлением. В силу постоянно меняющейся об-
становки эти города-государства то вступали в союз друг с другом, то, наобо-
рот, враждовали между собой.
Ряд греческих полисов — Милет, Эфес, Галикарнас и другие — возник на побе-
режье Малой Азии. Постепенно они превратились в богатые торгово-ремесленные
центры. Во второй половине VI века до н. э. персы покорили все греческие по-
лисы побережья Малой Азии.
Крупные греческие города-государства возникают на островах архипелага, а
также на территории Балканской Греции. Рамки эллинского мира широко раздвига-
ются в период наибольшего развития греческой колонизации в VIII веке до н. э.
Успешное продвижение греков в северо-восточном направлении приводит к воз-
никновению ряда полисов на восточном (Фасис, Диоскуриада), северном (Феодо-
сия, Херсонес, Пантикапей и Ольвия) и южном (Трапезунт, Синопа) побережье
Черного моря. Еще интенсивнее развивается греческая колонизация в западном
направлении. Непрерывно растет количество греческих колоний на юге Италии и в
Сицилии. В VI пеке их становится так много, что этот район получает название
Великой Греции.
Греческие города Тарент, Сибарис, Кротон и другие опоясывали кольцом берег
Тарентского залива. Затем греки проникли в глубь Южной Италии, где основали
колонию Неаполь, а также в восточную часть Сицилии, где основали Сиракузы,
Мессану и др. В международной борьбе, которая развернулась в VI-V веках до н.
э. в Западном Средиземноморье, полисы Великой Греции становятся все более за-
метной политической силой.
Однако центром этого обширного эллинского мира городов-государств к началу
V века до н. э. является территория собственно Греции на Балканском полуост-
рове . К этому времени здесь выделились два наиболее крупных полиса — Афины и
Спарта.
Пути развития этих государств были различны. Торгово-денежные отношения в
Спарте были развиты слабо. Спартанская община носила земледельческий, аграр-
ный характер. Земля делилась на равные участки — клеры. Хотя клеры и находи-
лись в пользовании отдельных семей спартиатов, земля все же считалась собст-
венностью государства, поэтому владеть клером отдельный спартиат мог лишь как
член общины.
Земли Спарты обрабатывались трудом бесправного, зависимого и прикрепленного
к клерам населения — илотов. В отличие от обычного для Греции типа рабовладе-
ния илоты не принадлежали отдельным спартиатам, а считались собственностью
общины в целом.
В Спарте существовала также особая категория неполноправного населения —
так называемые периэки («живущие вокруг», т. е. не на территории самой Спар-
ты) . Положение периэков было менее тяжелым. Они владели имуществом и землей
на основе частной собственности. Периэки могли заниматься не только земледе-
лием, но и ремеслами, торговлей, богатые периэки даже владели рабами.
Совершенно иной тип греческого полиса представляли собой Афины. Интенсивный
рост производительных сил афинского общества, связанный с развитием морской
торговли и ремесла, привел к сравнительно раннему разложению общины. В ре-
зультате борьбы, развернувшейся в Афинах между широкими слоями населения (де-
мосом) и родовой аристократией (эвпатриадами), складывается рабовладельческое
государство. Позднее это государство приобрело довольно сложную социальную
структуру.
Основу свободного населения Афин составили две группы — крупных землевла-
дельцев и свободных производителей. Если к первой группе можно отнести, поми-
мо эвпатридов, представителей новой торгово-денежной знати, то ко второй —
широкие слои демоса, ремесленников и крестьян.
Существовало и другое деление свободной части населения Афин — на пользо-
вавшихся политическими правами (граждан) и неполноправных (так называемых ме-
тзков, чужестранцев, живших на территории Афин) . Ниже всех на социальной ле-
стнице стояли абсолютно лишенные гражданских прав и личной свободы рабы.
Коренным образом различалось и государственное устройство Афин и Спарты.
Спарта была типично олигархической республикой. Во главе общины стояли два
царя. Однако их власть была сильно ограничена советом старейшин (герусия) —
органом представителей спартанской знати и коллегией эфоров, которые играли
большую роль в политической жизни. Верховным органом власти формально счита-
лось народное собрание — апелла, но фактически оно не имело особого значения.
В результате проведенных в VI веке Солоном и Клисфеном преобразований в
Афинах установилась рабовладельческая демократия. Политическое господство ро-
довой знати было сломлено. Вместо прежних родовых «фил» появились территори-
альные , подразделяющиеся, в свою очередь, на «демы».
Возрастала роль афинского народного собрания — экклесия. Основные государ-
ственные должности были выборными. Выборный «совет пятисот» (булэ) постепенно
оттеснял на задний план оплот родовой знати — ареопаг. Однако в начале V века
ареопаг еще представлял собой определенную политическую силу. Был создан та-
кой демократический орган, как суд присяжных, называемый галиэя. Состав гали-
эи пополнялся из числа всех полноправных граждан жеребьевкой.
Характер военной организации Спарты и Афин определял экономический и поли-
тический строй этих городов-государств. Своеобразный быт и система военизиро-
ванного воспитания в Спарте основывались на особых правилах, которые приписы-
вались легендарному законодателю Ликургу. Эта система способствовала созданию
сильного и опытного войска — спартанской пехоты.
Спарта подчинила Кинурию и Мессению и возглавила Пелопоннесский союз, в ко-
торый входили аркадские города и Элида. Позднее к Пелопоннесскому союзу при-
соединились Коринф, Мегары и остров Эгина.
Иная ситуация наблюдалась в Афинах, которые развивались как морское и тор-
говое государство. К началу V века афинский флот, особенно военный, был еще
невелик, однако растущие потребности экономического развития Афинского госу-
дарства, а затем нависшая над ним военная угроза заставили афинян ускорить
строительство флота.
Служба во флоте была в основном уделом беднейших граждан, поэтому усиление
мощи афинского флота было тесно связано с дальнейшей демократизацией полити-
ческого устройства. Низший командный состав и гребцы флота являлись опорой
рабовладельческой демократии.
Вскоре вопрос о значении флота для Афинского государства встал во главу уг-
ла всей его внешней и внутренней политики. Причиной этому послужило вторжение
персов в Грецию.
Начало войн между
Персией и Грецией
К этому времени персы подавили восстания в греческих городах Малой Азии. В
качестве предлога для начала войны против европейских греков персидские Пра-
вящие круги решили использовать тот факт, что афиняне оказывали помощь пов-
станцам .
Персы понимали, что окончательно укрепиться в своих новых малоазийских вла-
дениях они сумеют только после покорения материковой Греции.
Летом 492 года был предпринят первый сухопутно-морской поход вдоль фракий-
ского побережья на Балканскую Грецию. Этот поход возглавил зять Дария I —
Мардония. Но случилось непредвиденное. Когда Мардоний приближался к полуост-
рову Халкидика, у Афинского мыса его флот попал в шторм.
Во время шторма погибло до 300 кораблей с экипажами. После этого Мардоний,
оставив гарнизоны на фракийском побережье, вынужден был повернуть обратно.
В 490 году до н. э. был предпринят второй поход против греков. Персидские
войска переправились на кораблях через Эгейское море. По пути персы опустоши-
ли остров Наксос и город Эретрию на Эвбее, после чего высадились на побережье
Аттики у Марафона. Над Афинами нависла реальная угроза персидского вторжения.
Обращение афинян за помощью к Спарте не дало ожидаемого результата. Спарта
предпочла занять выжидательную позицию. Сами афиняне могли выставить только
10 тысяч тяжеловооруженных воинов. Около тысячи воинов прислали на помощь
Афинам Платеи — беотийский город, расположенный у самой границы с Аттикой.
На совете афинских стратегов было принято решение выйти навстречу врагу и
дать ему сражение у Марафона. Это решение было обусловлено не только военны-
ми, но и политическими соображениями. В городе находилось много аристократов,
а также сторонников политического режима, который существовал в Афинах в
правление тирана Писистрата и его сыновей. При приближении врага к городу они
могли перейти на сторону персов.
Командование над выступившим к Марафону войском было поручено стратегам, в
том числе Мильтиаду — правителю Херсонеса Фракийского, в свое время бежавшего
от персов. Мильтиаду были хорошо знакомы их военные приемы.
Персидский флот насчитывал 600 триер, которые благополучно перевезли 10 ты-
сяч пехотинцев и столько же всадников с лошадьми. От места высадки персов на
небольшой равнине, окруженной горами и морем, до Афин оставался лишь один пе-
реход .
Мильтиад поставил свои войска около Афинской дороги в узком выходе из доли-
ны. Греческие гоплиты (воины с тяжелыми копьями и щитами) сомкнутым строем
(фалангой) перегородили километровое пространство между горными склонами, по-
крытыми деревьями и кустарником.
Мильтиад приказал валить деревья впереди правого и левого флангов. Так были
устроены засеки, в которых укрылась легкая пехота — воины с луками, дротиками
и пращами.
Заняв такую позицию, Мильтиад лишил персов их главного преимущества — уда-
ров конницы, которая обычно атаковала фланги и сминала их. Чтобы ударить по
флангам греков, коннице пришлось бы пробираться по кручам и завалам под стре-
лами и дротиками. Конница не могла также участвовать в атаке во фронт. Пехота
персов едва помещалась на узком месте.
Три дня и три ночи ни греки, ни персы не начинали боевых действий первыми.
Греки не хотели менять выгодной позиции, к тому же к ним на помощь спешили
спартанцы. Персы же тщетно надеялись выманить противника на равнину, где мог-
ла действовать их конница. Рассудив, наконец, что приход спартанцев только
усилит противника, персы на четвертый день начали наступление.
Когда персы приблизились к грекам на сто шагов и осыпали их градом стрел и
камней, Мильтиад отдал приказ своим воинам начать движение. Сомкнутые шеренги
гоплитов, выдерживая равнение в рядах, двинулись вперед. Первая шеренга, со-
единив щиты, шла как бы стеной, за которой приготовились к удару длинными
копьями вторая и третья шеренги.
Сначала воины шли быстрым шагом, затем побежали, чтобы скорее миновать ме-
сто, поражаемое стрелами, и набрать инерцию для удара. В результате этого ма-
невра удар гоплитов оказался сокрушительным. Первые ряды персов были сбиты,
однако новые воины стали теснить греков. Внезапно оба края греческого строя
выдвинулись вперед и сжали противника, как клещи.
Испугавшись окружения, персы не выдержали и побежали к кораблям. Пока гре-
ческая фаланга была занята перестроением, персы погрузились на корабли и от-
плыли. И все же семь персидских кораблей были захвачены греками.
В атаке греки вывели из строя 6 с половиной тысяч персов. Сами же потеряли
убитыми 192 воина. Мильтиад послал в Афины гонца с вестью о победе. Расстоя-
ние от Марафона до Афин — 42 километра 195 метров. В память о воине, передав-
шем радостное известие, такая дистанция у спортсменов стала называться мара-
фонской .
Марафонское сражение.
Победа у Марафона, одержанная воодушевленными патриотическими чувствами
гражданами греческого полиса над войсками сильнейшей державы того времени,
произвела огромное впечатление на всех греков. Те из греческих городов, кото-
рые ранее покорились Дарию I, вновь провозгласили свою независимость.
Возникли волнения в Вавилонии, едва туда дошли известия о поражении персид-
ского царя. А в Египте и далекой Нубии даже вспыхнули восстания. Однако персы
не намеревались отказываться от планов покорения Эллады.
В 486 году умер Дарий. В связи с переходом власти и новые руки начались
придворные смуты, поэтому только через 10 лет после Марафонской битвы преем-
ник Дария — царь Ксеркс оказался в состоянии выступить в новый большой поход
против греков.
Эллины плохо использовали десятилетний перерыв в боевых действиях. Подго-
товки на случай возобновления войны не велось. Исключение представляли лишь
Афины. Здесь в это время происходила острая политическая борьба между аристо-
кратической и демократической группировками.
Афинскую демократическую группировку возглавлял Фемистокл. Это был один из
наиболее смелых, энергичных и дальновидных деятелей того времени. Греческий
историк Фукидид писал, что Фемистокл, как никто другой, обладал способностью
«предусматривать лучший или худший исход предприятия, скрытый еще во мраке
будущего», и умел во всех случаях «моментально изобретать надлежащий план
действия».
В группировку Фемистокла наряду с торговцами и зажиточными ремесленниками
входили и более широкие слои гражданского населения Афин, разделявшие выдви-
нутую им так называемую морскую программу — широкий план усиления морской мо-
щи Афин, строительство нового флота.
Во главе противников Фемистокла, находивших опору в среде крупных землевла-
дельцев, стоял Аристид. В конце концов морская программа была принята народ-
ным собранием Афин. Осуществляя эту программу, афиняне построили за счет до-
ходов с Лаврийских рудников, ранее распределявшихся среди граждан, около 150
боевых кораблей — триэр. Афинский флот стал самым сильным в Греции.
Новое персидское
вторжение под
руководством
Ксеркса
Весной 480 года возобновились военные действия между Персией и греческими
городами-государствами. Огромный флот и сухопутная армия, состоящая не только
из персов, но и из отрядов, выставленных покоренными народами державы Ахеме-
нидов, двинулись во главе с самим Ксерксом через Геллеспонт вдоль фракийского
побережья по маршруту первого похода Мардония на Балканскую Грецию.
Решившиеся на сопротивление греческие полисы заключили оборонительный союз.
Этот союз возглавила Спарта — государство с самой сильной сухопутной армией
среди союзников. На границе между Северной и Средней Грецией небольшие по
численности силы союзников заняли удобный для обороны узкий Фермопильский
проход.
Современный вид Фермопильского прохода в месте сражения. Берего-
вая линия отодвинулась далеко от гор.
Войска Ксеркса много раз атаковали защитников Фермопил, тщетно пытаясь про-
рвать оборону. Но среди греков нашелся предатель, который показал персам об-
ходную горную тропу. По этой тропе отряд персов вышел в тыл защитникам Фермо-
пил . Когда спартанскому царю Леониду, командовавшему силами союзников, стало
известно об этом, он приказал своим войскам отступить, а сам с отрядом спар-
танских воинов в 300 человек остался в Фермопилах. Окруженные врагами со всех
сторон, спартанцы сражались до последнего человека.
Впоследствии на могиле Леонида и его воинов был воздвигнут памятник с над-
писью :
Путник, пойди, возвести нашим гражданам в Лакедемоне,
Что, их заветы блюдя, здесь мы костьми полегли.
Прорвавшись через Фермопилы, персы покорили Среднюю Грецию. Почти все бео-
тийские города, в которых была сильна персофильски настроенная аристократия,
поспешили подчиниться Ксерксу. Персы разграбили Афины и опустошили Аттику.
Женщин, детей и стариков афиняне эвакуировали в Пелопоннес и на близлежащие
острова. Все способные носить оружие мужчины перешли на палубы военных кораб-
лей . Сухопутные силы греков укрепились на Коринфском перешейке. Сражавшийся у
мыса Артемисия, на севере Эвбеи, флот, в котором больше половины кораблей
принадлежало афинянам, отошел в Саронический залив.
Место для решающего сражения афинский стратег Фемистокл выбрал очень удачно
— в проливе, отделявшем остров Саламин от материка. Там, у островного берега,
собралось около четырехсот греческих триэр, готовых к бою.
Спарта, союзница Афин, потребовала, чтобы флотом в этом сражении командовал
спартанец Еврибиад. Фемистокл уговорил афинян согласиться, зная, что раздоры
среди союзников опаснее врага. Ночью в пролив вошли персидские корабли и
встали у материкового берега. Персидский флот насчитывал свыше тысячи кораб-
лей. Ксеркс уже мнил себя победителем.
Еврибиад засомневался в исходе сражения и решил отвести корабли на юг. Фе-
мистокла это решение повергло в отчаяние. Он считал позицию врага крайне не-
удачной. Персидские корабли стояли близко друг к другу, в три линии, а дно
под ними было покрыто мелями, камнями и скалами. В тесноте персы не могли
воспользоваться своим главным преимуществом — численным превосходством. Упус-
тить такой шанс значило упустить победу.
И Фемистокл, вопреки обычаям того времени, возразил Еврибиаду. Разгневанный
флотоводец хотел ударить афинянина. Фемистокл выкрикнул фразу, ставшую впо-
следствии крылатой:
— Бей, но выслушай!
Еврибиад смутился и, выслушав разумный совет, согласился вступить в сраже-
ние с персами в Саламинском проливе.
На рассвете греческие корабли двинулись на персов. Как и предполагал Феми-
стокл, персидские корабли мешали друг другу, сцеплялись веслами, садились на
камни и мели. Когда в сражение вступили суда их третьей линии, теснота только
усилилась.
Греки действовали храбро и расчетливо. Их триэры хорошо перемещались, выби-
рая выгодные позиции для удара тараном и абордажа. К вечеру персы в панике
стали уходить из пролива. Они потеряли двести кораблей, в то время как греки
— только сорок.
Победа при Саламине была прежде всего заслугой афинян под предводительством
Фемистокла. Поражение, которое потерпели персы, оказалось для них тяжелым
ударом. Хотя у Ксеркса еще оставалась большая сухопутная армия, его связь с
тылом могла легко прерваться в любой момент. Кроме того, весть о крупном по-
ражении персидского флота угрожала вызвать волнения в пределах самой Персид-
ской державы, прежде всего в Ионии. Поэтому Ксеркс решил вернуться в Азию,
оставив в Греции часть армии под командованием Мардония.
В следующем, 479 году Mapдоний, перезимовавший со своими войсками в Фесса-
лии, вернулся в Среднюю Грецию и подошел к Истмийскому перешейку. Войска гре-
ческих союзников под командованием спартанского царя Павсания расположились
вблизи Платей. В происшедшем здесь сражении войска Мардония были наголову
разбиты, сам Мардоний убит.
В том же году греческий флот, возглавляемый афинским стратегом Ксантиппом и
спартанским царем Леотихидом, одержал блестящую победу над персами в сражении
у мыса Микаде (побережье Малой Азии).
Окончание
греко-персидских
войн
После сражений у Саламина и Платей характер войны между Персией и Грецией
радикально изменился. Угроза вражеского вторжения перестала тяготеть над Бал-
канской Грецией. Инициатива перешла к грекам. В городах западного побережья
Малой Азии начались восстания против персов. Население свергало посаженных
персами правителей. Вскоре вся Иония вновь обрела независимость.
В 467 году в сражении у устья реки Эвримедонт на южном берегу Малой Азии
греки нанесли еще один удар по Персидской державе. Военные действия, то зати-
хая, то вновь возобновляясь, продолжались вплоть до 449 года, когда в сраже-
нии около города Саламина на острове Кипр греки одержали новую блестящую по-
беду над персами.
Эта битва при Саламине считается последним сражением в греко-персидских
войнах. В том же году, как сообщают древнегреческие ученые, между враждующими
сторонами был заключен так называемый Калиев (по имени афинского уполномочен-
ного) мир. По условиям мира персы признали независимость городов Малой Азии.
Причины победы греков в этой изнурительной войне следует искать в том, что
они отстаивали свою свободу, в то время как войска Персидской державы состоя-
ли в значительной степени из навербованных по принуждению воинов, которые со-
вершенно не были заинтересованы в победном исходе войны.
Важным фактором послужило и то, что экономическая и социальная жизнь Греции
этого времени достигла относительно высокого уровня развития. Персидская же
империя, включавшая и насильно удерживавшая в своем составе многие племена и
народности, тормозила нормальное развитие их производительных сил.
Победа греков в войне с персами не только обеспечила независимость полисов,
но и открыла перед ними широкие перспективы дальнейшего, ничем не сдерживае-
мого развития, а также стала одной из предпосылок последующего расцвета гре-
ческой экономики и культуры.
Экономика Греции в
V веке до нашей эры
После окончания греко-персидских войн в полисах континентальной Греции,
особенно в Афинах, расцветают ремесла, растет товарное производство, расширя-
ются торговые связи. В сельском хозяйстве наблюдается интенсивный переход от
зерновых культур к оливководству и виноградарству. Однако этот экономический
подъем в середине века охватил не всю Грецию. Многие области развивались бо-
лее медленными темпами.
В этот период рабовладельческий способ производства окончательно утвердился
в городах-государствах Греции. Если в предшествующие столетия в наиболее раз-
витых греческих полисах рабов было немного, то в V веке их количество значи-
тельно возросло. В VI веке рабство достигает максимальных для античной Греции
размеров.
В связи с этим происходит процесс вытеснения свободного труда рабским. Это
в свою очередь приводит к росту городской бедноты. Сведения о масштабах рабо-
владения и его характере в V веке до н. э. , содержащиеся в дошедших до нас
источниках, касаются преимущественно Афин. Однако можно не сомневаться, что
количество рабов сильно возросло во всех районах Аттики, где развивалось ре-
месло и связанная с ним торговля.
Общее число рабов в Аттике V века, по оценкам различных специалистов, ко-
леблется от 70 тысяч до 150 тысяч.
В представлении древних греков рабы являлись лишь одушевленным имуществом.
Они не имели никаких не только политических, но даже обычных человеческих
прав. Рабы продавались и покупались, как вещи. Раб не мох1 обзавестись семьей.
Дети рабов считались собственностью их хозяев. Господин мох1 по собственному
произволу наказывать и истязать раба. В суде показания от рабов принимались
только под пыткой. Обычным видом наказания рабов за нарушение каких-либо
предписаний публичного порядка было бичевание. Только в случае совершенно уже
невыносимого обращения с ним раб мох1 воспользоваться правом убежища, скрыв-
шись у алтаря в храме. По решению жреца раб в таком случае передавался в руки
другого господина или же возвращался прежнему. Рабы не имели даже имени. Чаще
всего хозяева называли рабов по месту их происхождения — скифами, сирийцами,
колхами.
Война, пиратство и тесно связанная с ними торговля являлись основными ис-
точниками рабства. «Доморожденных» рабов было не много. Дешевизна рабов дела-
ла невыгодным их воспитание дома. Военные действия, даже между греческими го-
родами-хюсударствами, со второй половины V века часто заканчивались продажей
побежденных в рабство. Так, по данным одной надписи 446-445 родов, афиняне
захватили в районе Мегариды 2 тысячи рабов. В еще больших масштабах практико-
валась продажа в рабство негреков. После битвы при Эвримедонте было продано
свыше 20 тысяч персидских воинов.
Основную массу рабов составляли уроженцы различных областей Причерноморья и
Малой Азии. Греческие рабовладельцы предпочитали пользоваться трудом инозем-
ных рабов, так как рабам-иноземцам было трудно убежать, а ввиду незнания язы-
ка труднее сплотиться для совместных выступлений.
Однако рабов-греков тоже было немало. Об этом свидетельствуют довольно час-
тые выступления греческих писателей против андраподистов — людей, специально
занимавшихся похищением свободных граждан и продажей их в рабство.
Самым крупным рабским рынком V века являлись Афины. Здесь на рыночной пло-
щади был огорожен специальный участок, внутри которого выставлялись на прода-
жу рабы. Рабы выводились на помост, а продавцы расхваливали свой товар. Рынки
рабов существовали также в Византии, на Хиосе и в других местах.
Надпись 415 года извещает о ценах на рабов. Рабы-мужчины стоили от 70 до
300 драхм, женщины — от 135 до 220 драхм. (Средний заработок афинского ремес-
ленника составлял одну драхму в день.) Рабы, имевшие определенную профессию —
писцы, ремесленники, музыканты, танцовщицы и т. п., — стоили значительно до-
роже .
Рабский труд носил самый разнообразный характер. В городах с развитым ре-
меслом рабы использовались в ремесленных мастерских — эргастериях. Эргастерии
существовали во многих отраслях — в металлургии, оружейном деле, кожевенном
производстве, производстве керамики, музыкальных инструментов, лекарств и
т.д.
Процесс производства осуществлялся в эргастериях при помощи самых простых
инструментов. Даже в строительном деле, которое в V и VI веках достигло зна-
чительного прогресса, античная техника не пошла дальше клина, ворота, блока и
рычага. Примитивный характер носило и разделение труда в греческих мастер-
ских.
По сути, эргастерии представлял собой лишь объединение под одной кровлей
отдельных работников, связанных друг с другом не процессом производства, а
принадлежностью одному хозяину. В таких условиях крупное ремесленное произ-
водство не имело серьезных преимуществ перед мелким. Господствующим типом эр-
гастериев была небольшая мастерская с 5-10 рабами. В более мелких мастерских
работал сам хозяин с помощью 2-3 рабов. Упоминания о мастерских с большим
числом рабов относятся уже к IV веку до н. э.
Менее широко использовался труд рабов в земледелии. Правда, в таких земле-
дельческих областях Эллады, как Лаконика, Фессалия, Мессения, Крит, на полях
работали илоты, пенесты, клароты, афамиоты. Различие между этими группами на-
селения и афинскими рабами состояло в том, что они не были полностью оторваны
от средств производства. Отдавая землевладельцам значительную часть урожая,
они пользовались относительной хозяйственной самостоятельностью.
В областях с развитым ремеслом и торговлей в V веке происходит превращение
пахотных земель в виноградники, оливковые и плодовые сады. Однако разведение
специальных культур, особенно на каменистых землях, требовало больших усилий.
Низкая производительность труда рабов затрудняла использование его в тех от-
раслях сельского хозяйства, где был необходим особенно тщательный уход за
культурами.
В мелких хозяйствах работали сами владельцы с помощью членов семьи и одно-
го -двух рабов. Крупные землевладельцы также считали невыгодным содержать
круглый год большое число рабов. Они предпочитали в горячую пору сельскохо-
зяйственных работ эксплуатировать труд наемных батраков. Количество рабов в
сельском хозяйстве таких областей, как Аттика, по сравнению с количеством ра-
бов , эксплуатировавшемся в ремесленном производстве, было значительно меньше.
Наиболее тяжелые условия труда были у рабов, работавших на рудниках. В Лав-
рийских горах в Аттике, где добывали серебро и свинец, рабы трудились в полу-
лежачем положении, задыхаясь от жары и духоты. Орудиями их труда были моло-
ток, кайло и корзины, в которых породу поднимали на поверхность земли.
Лаврийские рудники считались собственностью государства. Но работавшие
здесь рабы принадлежали частным рабовладельцам, которые отдавали их внаем или
аренду. Такой способ эксплуатации рабов был довольно широко распространен в
Афинах, так как приносил собственникам рабов обеспеченный доход без всяких
хлопот с их стороны. Так, известно, что и конце V века крупный рабовладелец
Никий отдал внаем для работы на рудниках 1000 рабов.
Практиковалась также отдача внаем поваров, танцовщиц, рабов-ремесленников и
т. д. В домах богатых людей рабы использовались в качестве домашней прислуги.
Одной из распространенных форм эксплуатации рабов являлся отпуск их на зара-
ботки . Такие рабы назывались специальным термином — «живущие вне дома». Хозя-
ин отпускал раба на условиях периодической уплаты определенной суммы денег —
своеобразного оброка. Отпущенные рабы работали по найму, занимаясь ремеслами
и мелкой торговлей. К числу таких рабов принадлежали, очевидно, и те, которые
упоминаются в надписях, посвященных строительству афинского храма Эрехтейон.
Во время боевых действий рабы широко использовались в качестве оруженосцев,
носильщиков и обозных. Значительная группа государственных рабов, так назы-
ваемых демосиев, находилась в относительно лучшем положении. В состав демоси-
ев входили триста человек городской стражи, которых, очевидно, по их происхо-
ждению, называли скифами. К этой же группе принадлежали писцы, глашатаи и т.
д. Все демосии находились на городском довольствии и пользовались охраной за-
кона.
В целом же, несмотря на некоторое различие в положении отдельных групп, ра-
бы представляли собой единую массу людей, стоящих вне политической организа-
ции городов-государств.
Иногда борьба рабов против рабовладельцев принимала характер восстаний,
как, например, восстание илотов в Спарте. Но чаще она носила скрытый харак-
тер . Главным видом такой борьбы было бегство рабов.
Отпущенных на волю рабов в V веке было совсем не много. Однако и вольноот-
пущенники не получали полной свободы. Они сохраняли известную зависимость от
своих бывших хозяев — были обязаны выплачивать ему деньгами или натурой часть
своих доходов. Вольноотпущенные по-прежнему не имели прав юридического лица.
Их положение было хуже, нежели положение метэков.
Прослойка свободной бедноты, занятая производительным трудом, была в каждом
греческом полисе. Например, в ремесленных мастерских кроме рабов были заняты
и свободные граждане. Из граждан состояла и основная масса производителей в
земледелии, игравшем главную роль в экономике многих греческих полисов. Мно-
гие афинские граждане в годы правления Перикла использовались на строительных
работах.
В большинстве греческих полисов земледельчество считалось почетным заняти-
ем. Только свободные граждане могли владеть земельным участком. В целях со-
хранения за гражданами этих участков государство часто вмешивалось в позе-
мельные отношения. Аристотель сообщает о законах, которые запрещали продавать
или закладывать основные наделы. Такой закон существовал, например, у запад-
ных (озольских) локров.
В Спарте отчуждение земли было запрещено вплоть до начала IV века. В Корин-
фе по законам Фидона и в Фивах по законам Филолая должны были приниматься
специальные меры к поддержанию соответствия между числом граждан и количест-
вом земельных наделов. По одному из законов Солона в Афинах было запрещено
неограниченное приобретение земель одним человеком.
В V веке в Аттике преобладало мелкое крестьянское землевладение. Известно,
например, что в середине V века количество афинских граждан, способных приоб-
рести и содержать боевого коня, т. е. принадлежавших, по солоновой разбивке,
ко второму имущественному разряду, не превышало 1000 человек, тогда как толь-
ко один дом Ахарны примерно в то же время мох1 выставить 3 тысячи тяжеловоору-
женных воинов, принадлежащих к третьему имущественному разряду — зевгитов.
Афинские зевгиты владели участками земли в 10 гектаров в среднем, в состав
которых входили пашни, виноградники, огороды и плодовый сад. Участки в 40-50
гектаров считались в Аттике уже крупными и давали их владельцам право чис-
литься в первом имущественном разряде — пентакосиомедимнов, т. е. имевших го-
довой доход в 500 медимнов зерна.
Все шире проникают товарно-денежные отношения и афинское сельское хозяйст-
во. На городских базарах постоянно торгуют вином, уксусом, растительным мас-
лом, овощами, древесным углем, привозными продуктами. По свидетельству Плу-
тарха , один из крупнейших политических деятелей Греции V века до н. э. Перикл
ежегодно продавал весь свой урожай, а затем покупал на рынке все предметы
первой необходимости.
Согласно распространенным в Греции взглядам, труд ремесленника почитался
гораздо ниже труда земледельца. Ремесленничество считалось занятием, недос-
тойным гражданина. Впрочем, жизнь вносила известные коррективы в эти пред-
ставления. Некоторые профессии, требующие высокой квалификации и природных
дарований, например занятия архитектурой, скульптурой и вазовой живописью, не
считались позорящими свободного гражданина. Другие же профессии, например ре-
месло кожевника и т. п., рассматривались как недостойные. Этими ремеслами за-
нимались преимущественно неграждане — метэки, периэки, вольноотпущенники и
рабы.
Во всех греческих полисах проживало много переселенцев. В греческих горо-
дах-государствах, граждане которых ревниво оберегали свои привилегии, не
только временно проживающие иноземцы, но даже переселенцы из других греческих
городов не получали гражданских прав.
За право проживать в Афинах и заниматься здесь ремеслами и торговлей метэки
платили особый поголовный налог — метэкион, составляющий 12 драхм с мужчины и
6 драхм с женщины. Кроме того, на метэках лежали и другие платежи и повинно-
сти, в частности, военная.
Метэки были ограничены и в своих экономических правах. Им запрещалось вла-
деть землей на территории принявшего их полиса. Их дети от брака с полноправ-
ными гражданами не получали гражданства. Метэки не имели даже права самостоя-
тельно выступать на суде.
Если во второй половине V века количество метэков в Афинах составляло около
трети населения, то в конце IV века — уже почти половину свободного городско-
го населения. Они играли все более видную роль в торговле и ремесленном про-
изводстве . Среди метэков, как и среди вольноотпущенников, встречалось много
предприимчивых людей, которые, несмотря на свое неполноправное положение, на-
живали крупные состояния. Наиболее богатые метэки иногда получали право при-
обретения земельной собственности в Аттике.
Товарное производство сыграло существенную роль в усилении социально-
имущественного неравенства. С обособлением отдельных видов производственной
деятельности на основе общественного разделения труда товарное производство
быстро растет во всех передовых общинах Греции.
Бурное развитие греческой торговли в V-IV веках служит ярким свидетельством
этого роста. Особенно показательна в этом отношении морская торговля Афин. К
середине V века афинская гавань Пирей превращается в крупнейший в античном
мире центр торговли. Сюда ввозилось зерно из Северного Причерноморья, Египта
и Сицилии, соленая рыба, мед, воск, скот и кожи из Причерноморья, шерсть из
Милета, карфагенские и персидские ковры, разного рода пряности, благовонные
масла и другие предметы роскоши из стран Востока, слоновая кость из Африки,
льняные ткани для одежды и парусов из Египта, обувь и бронзовые изделия из
Этрурии, корабельный лес, смола и пенька из Македонии и Фракии, медь с Кипра
и т. д.
Лишь незначительная часть всех этих предметов потреблялась афинянами. Глав-
ная масса товаров тут же перепродавалась, перегружалась на корабли и отправ-
лялась в другие города. Посредническая торговля давала большие доходы Афин-
скому государству, взимавшему пошлину в размере двух процентов со всех ввози-
мых и вывозимых товаров, а также различные рыночные сборы.
Концентрация торговли в Пирее одновременно облегчала снабжение Афин продо-
вольственными товарами и сырьем. Из Афин вывозились ремесленные изделия, осо-
бенно керамика, а также вино и оливковое масло. Общий валовой оборот Пирея
достигал огромной по тем временам суммы в 2 тысячи талантов.
Следствием развития торговли стал рост денежного обращения и различных кре-
дитных, ростовщических и валютных операций. Каждый полис стремился чеканить
свою собственную монету. В V веке были особенно распространены афинские моне-
ты с изображением совы.
Афинские "совы".
При разнообразии существовавших в Греции монетных систем необходимо было
организовать обмен одних денег на другие. Эта функция принадлежала особым ме-
нялам — трапезитам (по-гречески «трапеза» — стол). Постепенно трапезиты пре-
вращаются из менял в торговых посредников, они начинают принимать деньги на
хранение и выдавать ссуды под проценты, вести личные счета своих клиентов.
Крупными денежными операциями занимались также храмы в Афинах, Дельфах и
др. Должниками храмов в основном были не частные лица, а государства. Про-
центные ставки обычно составляли около 13-17 процентов в год. Однако в связи
с опасностями тогдашнего мореплавания процент по «морским ссудам» был значи-
тельно выше — до 100 процентов.
Сухопутная торговля в Греции была развита очень слабо. Изрезанная горными
кряжами местность, отсутствие хороших дорог, постоянные войны между полисами
делали ее невыгодной по сравнению с торговлей морской.
Однако и в удаленных от моря греческих городах возникали местные рынки, на
которых торговали главным образом продуктами питания, мелкой домашней утварью
и ремесленными изделиями. Во время общегреческих праздников при наиболее по-
пулярных храмах возникали ярмарки.
Регламентации торговли уделялось большое внимание. Существовали особые
должностные лица — ахюраномы, которые поддерживали на рынках порядок, взимали
пошлины и т. д. Различные торговые пошлины и сборы были одной из важнейших
статей дохода полиса.
Хотя торговля и денежное обращение достигли в Греции V века относительно
высокого уровня было бы неправильно определить греческое хозяйство того вре-
мени как товарно-денежное. Бесспорно, в Греции V века в ряде отраслей произ-
водства известная доля продуктов труда продавалась на рынке, тем самым пре-
вращаясь в товар. Тем не менее, рабовладельческое хозяйство в основном сохра-
няло свой натуральный характер. Значительная часть продуктов производилась в
нем не для обмена, а для непосредственного потребления рабовладельца и его
семьи. Кроме того, рабочая сила основных производителей — рабов — присваива-
лась методами внеэкономического принуждения. Это в принципе отличало античное
общество от капиталистического.
Победа
демократии
в Афинах
Важное значение для понимания сложившейся после победы над персами обста-
новки имеют события, характеризующие внутреннюю жизнь Афин. Острые столкнове-
ния и борьба между различными социальными группировками свободного населения
в Афинах и других греческих полисах породили два основных типа политических
движений этого времени — демократических и олигархических.
Сторонники демократии стремились к такому государственному порядку, при ко-
тором верховная власть принадлежала бы подавляющему большинству граждан, ор-
ганизованному в народное собрание. Демократический строй в греческих полисах,
таким образом, выражал интересы довольно широких кругов гражданского населе-
ния — зажиточных слоев демоса, мелких ремесленников, крестьян. В отдельных
случаях на стороне демократии оказывались и даже возглавляли ее богатые люди
— владельцы ремесленных мастерских, крупные торговцы и т. д.
В противоположность демократам сторонники олигархии выступали за такой го-
сударственный строй, при котором полнота гражданских прав и фактическая воз-
можность активного участия в управлении государством предоставлялись бы толь-
ко наиболее богатой части граждан. Олигархические идеи шли из среды консерва-
тивно настроенной земельной аристократии и крупных рабовладельцев.
Политическая жизнь большинства греческих городов-государств этого времени
была пронизана борьбой между демократическими и олигархическими группировка-
ми. Эта борьба оказывала значительное влияние на взаимоотношения греческих
полисов.
Именно поэтому политические перемены, происшедшие за годы войны в Афинах,
которые после побед 480-479 годов стали одним из наиболее влиятельных госу-
дарств Греции, имели далеко идущие последствия.
Власть старой родовой аристократии в Афинах была низвергнута еще в конце VI
века до н. э. Однако здесь продолжал существовать имущественный ценз, и дос-
туп к высшим государственным должностям был открыт только для состоятельных
граждан. Для дальнейшей демократизации афинского государственного строя боль-
шое значение имела победа, одержанная демократической группировкой, возглав-
ляемой Фемистоклом, над олигархической группировкой во главе с Аристидом.
Реализация морской программы Фемистокла не только оправдала себя в чисто
военном, что сказалось в решающих сражениях у Саламина и Микале. Она привела
к значительному повышению политической роли неимущих и малоимущих граждан,
которые служили во флоте и составляли большинство в народном собрании. Значе-
ние народного собрания в политической жизни Афин, таким образом, возросло в
ущерб олигархическому ареопагу.
В ряде других греческих городов-государств демократы также одержали в этот
период победу. Демократический переворот произошёл в Фивах, где было свергну-
то аристократическое правительство, которое скомпрометировало себя своей пер-
софильской политикой.
Примеру Фив последовали города Фокиды, где (очевидно, не без поддержки со
стороны Афин) также приходят к власти демократические группировки. В Пелопон-
несе демократия одерживает победу в Аргосе, самом крупном после Спарты и Ко-
ринфа государстве, а также в Элиде.
Но особых успехов демократическое движение достигло в тех островных и мало-
азийских полисах, которые один за другим освобождались от власти персов и
вновь обретали независимость. Как правило, движущей силой этих переворотов
были зажиточные слои демоса, которые стремились добиться политической власти.
Делосский
союз
Однако, чем больших успехов достигало демократическое движение в Греции,
тем более упорным оказывалось сопротивление олигархических группировок, кото-
рые неизменно ориентировались на Спарту. Постепенно Спарта становится главным
оплотом олигархических движений всей Эллады.
Официально Спарта оставалась главой союза греческих полисов, которые спло-
тились во время персидского вторжения для совместной защиты своей независимо-
сти. Афины входили в состав этого объединения как один из наиболее влиятель-
ных его членов.
Соперничество Спарты и Афин, которые с одинаковым упорством стремились к
расширению сферы своего политического влияния и гегемонии, не могло не отра-
зиться на дальнейшей истории общегреческого союза.
Союз греческих городов-государств укреплялся прямо пропорционально военным
успехам, и он продолжал расширяться благодаря вступлению в него все новых и
новых членов из числа городов, освобождавшихся от власти персов.
Одновременно усиливался и разлад между союзниками. Полисы с развитыми ре-
меслом, товарным производством и морской торговлей — в их числе были как уже
освободившиеся, так и продолжавшие оставаться под властью Персидской державы
города островных и малоазийских греков — были кровно заинтересованы в продол-
жении войны против персов. Не вытеснив персов с побережья Фракии и Малой
Азии, особенно с берегов Геллеспонта, они не могли возобновить прежних сноше-
ний с причерноморскими странами, откуда поступал в греческие города хлеб.
Земледельческая Спарта была заинтересована в войне лишь до тех пор, пока
персы угрожали оккупацией ее собственной территории. Спарта стояла в стороне
от морской торговли. К тому же военные действия в этот период уже целиком пе-
реместились на море, а Спарта не располагала ни опытом ведения морской войны,
ни сколько-нибудь значительным флотом.
При таких условиях полисы, заинтересованные в продолжении войны с персами,
начали группироваться вокруг Афин и осуждать спартанцев за вялость и неуме-
лость в руководстве военными действиями. Взаимное недоверие между союзниками
нарастало, как снежный ком.
Спарта, Коринф и некоторые другие пелопоннесские государства были крайне
встревожены растущим влиянием Афин. Их раздражала афинская политика повсеме-
стной поддержки демократических движений. Это раздражение вылилось в отзыв
Спартой своего воинского контингента из состава сил общегреческого объедине-
ния в 478 году до н. э.
В том же году на острове Делос собрались представители тех греческих поли-
сов, которые хотели продолжать войну с персами. Они учредили на этой встрече
новый, так называемый Делосский союз. Позднее его стали называть первым Афин-
ским морским союзом.
Делосский союз первоначально представлял собой объединение равноправных не-
зависимых полисов.
Верховным органом этого объединения считалось общее собрание представителей
союзников. Они собирались на острове Делос.
Союзники обязались поставлять для объединенного флота установленное количе-
ство кораблей с экипажами и определенное количество воинов. Была учреждена
общая казна союза, которая пополнялась денежными взносами союзников по особой
раскладке. Впоследствии эти взносы стали называться форосом. Средства из каз-
ны шли на покрытие общих военных расходов.
Обладавшие самым многочисленным и сильным флотом Афины заняли в этом союзе
ведущее место. Афинам было поручено руководство военными действиями. Фактиче-
ски афиняне уже с самого начала играли главную роль, как в организационных,
так и в финансовых делах Делосского союза.
Возникновение нового объединения сразу же себя оправдало в военном отноше-
нии. Под командованием Кимона, сына Мильтиада, союзники начали активные бое-
вые действия против персидских гарнизонов, которые еще оставались на фракий-
ском побережье Понта и берегах Геллеспонта. Весь этот район вскоре был осво-
божден от персов.
Тем временем в Афинах произошли важные политические перемены. В результате
непрекращающейся политической борьбы олигархическое течение, которое возгла-
вили вернувшийся из изгнания старый политический противник Фемистокла Аристид
и прославившийся военными успехами Кимон, одержало победу над демократической
группировкой.
Совместными усилиями афинских олигархов и Спарты, весьма заинтересованной в
политическом поражении Фемистокла и его единомышленников, в 471 году он был
подвергнут остракизму и изгнан из Афин. Спустя некоторое время афинский суд
заочно приговорил Фемистокла к смертной казни и конфискации всего имущества.
Вскоре после изгнания Фемистокла умер и Аристид. Единоличным вождем стоящей
у власти олигархической группировки становится Кимон, который представлял ин-
тересы знатных и наиболее богатых рабовладельцев. Формально в Афинах по-
прежнему продолжали функционировать народное собрание и другие демократиче-
ские учреждения, однако их деятельность теперь была поставлена под постоянный
контроль ареопага — оплота афинской олигархии.
Восстание
илотов
в Спарте
Летом 464 года в южной части Пелопоннеса произошло землетрясение неслыхан-
ной силы. Общим замешательством, которое вызвало это землетрясение, немедлен-
но воспользовались спартанские илоты. Жестоко эксплуатируемые и бесправные,
они искали любой благоприятный момент для выступления против своих угнетате-
лей.
На этот раз выступление вылилось в грандиозное восстание. Оно стремительно
распространилось на значительную часть принадлежащей Спарте территории. Пов-
станцы отважились предпринять поход на самый город Спарту. С большим трудом
войско спартиатов, возглавляемое царем Архидамом, вынудило илотов отступить
от города.
После этого главным центром восставших становится гора Ифома в Северной
Мессении, которая представляла собой естественную крепость. Укрепившись на
этой горе, повстанцы продержались, по одним данным, 4 года, по другим — 10
лет (так называемая третья Мессенская война).
ч - "W1* I**6*7"*-4"
Гора Ифома, древний религиозный центр Мессении и очаг мессенско-
го восстания против спартанского господства.
С самого начала восстания правящая верхушка Спарты поняла, что не сумеет
подавить его своими силами. Она обратилась за помощью не только к своим пело-
поннесским союзникам, но и к Афинам. Кимон сразу откликнулся на этот призыв.
После продолжительных дебатов в афинском народном собрании ему, в конце кон-
цов, удалось настоять на отправке в Пелопоннес в помощь спартанцам четырехты-
сячного афинского воинского контингента.
Этот шаг оказался крупной политической ошибкой Кимона и его единомышленни-
ков . Спарта заподозрила явившихся с большим опозданием афинян в сочувствии
восставшим илотам и в оскорбительной форме отказалась от помощи. Таким обра-
зом, затеянный Кимоном поход закончился позорным для него провалом. Этим не-
медленно воспользовались афинские демократы.
Во главе оппозиционного олигархическому правительству течения в это время
стояли Эфиальт и Перикл. В античной традиции Эфиальт показан как выдающийся
оратор, который полностью разделял политические воззрения Фемистокла. В одной
из враждебных демократии комедий говорилось, что под влиянием его речей на-
род, подобно бешеному коню, сорвал с себя узду. Много позже греческий философ
Платон охарактеризовал Эфиальта как деятеля, который «опоил демос неумеренной
свободой».
Использовав сложившуюся после неудачного похода Кимона обстановку, Эфиальт
и его единомышленники развернули борьбу против главной опоры афинских рабо-
владельцев — ареопага.
В 462 году Эфиальт провел в народном собрании закон об изъятии у ареопага
всех прав высшего государственного органа и о превращении его в судебный ор-
ган по некоторым видам уголовных преступлений. Кимон пытался противиться про-
ведению этого закона, но безуспешно — при помощи остракизма он был изгнан из
Афин.
Вскоре Эфиальт был убит своими политическими противниками. Но это не поло-
жило конец дальнейшим демократическим преобразованиям афинской государствен-
ной системы.
Направление афинской внешней политики резко изменилось после победы демо-
кратических сил. Афины открыто выступили против Спарты и ее союзников. Они
заключили союз с Фессалией и враждебным Спарте Аргосом. Вслед за тем Афины
добились выхода из Пелопоннесского союза и присоединения к Делосскому союзу
враждовавших с Коринфом Мегар.
Укрепившись таким образом на Истмийском перешейке, афиняне преградили Спар-
те и Коринфу путь в Среднюю Грецию. Вскоре после этого афинский флот разбил
соединенный флот пелопоннесцев и эгинян и осадил город Эгину. Примерно в это
же время афиняне завершают постройку так называемых «Длинных стен», которые
соединяли Афины и Пирей и связывали город и порт в единый комплекс.
Афинская
морская
держава
Таким образом, афинские демократы в короткий срок добились весьма значи-
тельных успехов. Важнейшей материальной предпосылкой этих успехов была воз-
можность использовать экономические ресурсы своих союзников.
Как уже говорилось, Афины имели значительный перевес в силах уже в момент
образования Делосского союза. В связи с быстрым экономическим развитием Афин
и превращением города в крупнейший в Греции торгово-ремесленный центр удель-
ный вес Афин в союзе неуклонно возрастал. Определенную роль в превращении Де-
лосского союза в Афинскую морскую державу — архэ — сыграло и то обстоятельст-
во, что денежные взносы от союзных городов поступали фактически в распоряже-
ние Афин, которые на эти деньги расширяли и укрепляли свой флот.
Афиняне получили возможность вмешиваться во внутренние дела своих союзников
и диктовать им свою волю. Вся афинская политика в Делосском союзе, независимо
от того, проводилась ли она представителями демократического или олигархиче-
ского лагеря, была направлена на превращение союзников в афинских подданных.
Попытки более крупных союзников — Наксоса, Фасоса, Лесбоса, Хиоса и Самоса,
обладавших собственным флотом, избавиться от афинской опеки и выйти из Делос-
ского союза немедленно пресекались вооруженным путем. Афинский флот появлялся
у берегов непокорного союзника, афиняне высаживали десант, отбирали часть зе-
мель и основывали на этих землях военные поселения — так называемые клерухии.
Так, в 465 году сделал попытку выйти из Делосского союза Фасос, у которого
Афины отобрали золотые прииски и несколько поселений на фракийском побережье.
Афиняне немедленно осадили Фасос и после двухлетней осады заставили его капи-
тулировать . По условиям капитуляции оборонительные стены Фасоса были срыты, а
военные корабли уведены в Афины.
В результате такой политики афинян, собственные военно-морские силы сохра-
нили только Лесбос, Хиос и Самос. Между тем в составе Афинского союза в сере-
дине V века было более 200 городов. Судя по эпиграфическим данным, афиняне
разделили союзные полисы сначала на три, а затем на пять округов. В каждом из
округов афинские уполномоченные наблюдали за выплатой фороса.
На земли восстававших союзников было введено в качестве военных поселенцев
(клерухов) в общей сложности до 10 тысяч человек. Опираясь на эти силы, афи-
няне стали требовать от союзников помимо выплаты фороса и участия в военных
действиях против персов выполнения и других обязанностей.
Постепенно Афины установили над своими союзниками и экономический контроль.
Афинская монета и меры веса были объявлены обязательными при всех расчетах на
территории союза. В 454 году афиняне перенесли союзную казну с Делоса в Афи-
ны. С тех пор Афины стали распоряжаться союзными средствами, как своими соб-
ственными. Например, строительство в Афинах в 40-30-х годах проводилось в
значительной степени на средства, взятые из фороса. Споры между гражданами
союзных городов и афинянами стали рассматриваться исключительно афинским су-
дом. В компетенции судов союзных городов остались лишь дела, касавшиеся не-
значительных преступлений и гражданских исков.
По всем вопросам, которые до тех пор решались общим собранием делегатов со-
юзных полисов, окончательные решения стали приниматься в афинском народном
собрании. О положении афинских союзников дает представление одна надпись того
времени, которую вынуждены были дать халкидяне после подавления восстания на
Эвбее в 446-445 годах: «Я не восстану против афинского народа ни делом, ни
помыслом, ни словом. Я не буду повиноваться тому, кто восстанет, а если кто-
нибудь восстанет, сообщу о нем афинянам. Я буду платить афинянам по соглаше-
нию с ними. Я буду столь честным и преданным союзником, как только смогу
быть, и буду помогать и защищать афинский народ, если кто-нибудь нанесет ему
обиду, и буду повиноваться афинскому народу».
Таким образом, к середине V века Делосский союз окончательно преобразовался
в Афинскую морскую державу (архэ).
Противоборство
между Афинами
и Спартой
Непомерно растущее влияние Афин в Греции подтолкнуло Спарту к открытому во-
енному выступлению против афинян. Началась первая Пелопоннесская война.
В 457 году спартанцы вместе со своими союзниками переправились в Среднюю
Грецию. Соединившись там с фиванцами, они создали непосредственную угрозу Ат-
тике . В битве при Танагре в Беотии афиняне потерпели крупное поражение. Одна-
ко после возвращения спартанских войск в Пелопоннес и четырехмесячного пере-
мирия афиняне сумели быстро восстановить свои силы и вскоре выступили против
фиванцев.
В битве при Энофитах в Беотии афиняне наголову разбили фиванцев. После этой
победы вся территория Средней Греции до Фермопил вошла в сферу афинского
влияния. Осажденная Эгина, утратив надежду на получение помощи со стороны
Спарты, капитулировала в 456 году до н. э.
Желая развязать себе руки для Продолжения войны с персами, афиняне предло-
жили Спарте заключить перемирие сроком на пять лет. Согласие Спарты было куп-
лено афинянами ценой отказа от союза с Аргосом, который после этого должен
был в 451 году заключить мирный договор со Спартой сроком на 30 лет.
В 449 году афинянам удалось довести борьбу против персов до победного кон-
ца. Но прекращение войны с персами усилило брожение внутри Афинского морского
союза. Его дальнейшее существование теперь теряло в глазах союзников всякий
смысл.
Для укрепления авторитета Афин Перикл выдвинул идею созыва общегреческого
конгресса под лозунгом всеобщего мира между городами-государствами. В дейст-
вительности этот конгресс должен был узаконить афинскую гегемонию над союзни-
ками.
На конгрессе предполагалось рассмотреть три вопроса, волновавшие всех гре-
ков, — о восстановлении разрушенных персами храмов, обеспечении свободного
морского плавания и упрочнении мира во всей Элладе. Одновременно созывом кон-
гресса Перикл рассчитывал содействовать превращению Афин в политический и
культурный центр Эллады.
Для осуществления этого проекта из Афин во все греческие города было от-
правлено посольство в составе 20 человек с приглашением прислать своих пред-
ставителей на предстоящий конгресс. Депутации разделились на четыре части.
Одни отправились в малоазиатские города и острова, другие — на берега Геллес-
понта и Фракии, Третьи — в Беотию и Фокиду, четвертые — в Пелопоннес.
Афинские послы убеждали граждан каждого города принять участие в конгрессе
в Афинах. Однако предложение Перикла не нашло отклика. Особенно сильное со-
противление оказали пелопоннесцы — из боязни усиления Афин. План Перикла про-
валился .
После окончания срока перемирия военные действия между Спартой и Афинами
возобновились. Война шла с переменным успехом. В 446-445 годах ввиду устано-
вившегося баланса сил был заключен мир сроком на 30 лет. Афиняне отказались
от всех своих приобретений на территории Пелопоннеса и Истма, но за ними ос-
тались Эгина и Навпакт.
Спарта вынуждена была признать Афинский морской союз. В дальнейшем Афины
обязались не принимать в свой союз тех, кто принадлежит к Пелопоннесскому
союзу, и не поддерживать в городах Пелопоннесского союза своих сторонников.
Такое же обязательство в отношении Афин и их союзников приняла на себя Спар-
та.
Дипломатия
древней
Греции
Древнейшей формой международных связей и международного права в Греции яв-
лялась проксения, т. е. гостеприимство. Проксения существовала между отдель-
ными лицами, родами, племенами и целыми государствами. Проксен данного города
пользовался в нем по сравнению с прочими иностранцами известными правами и
преимуществами в отношении налогов, торговли, суда и всякого рода почетных
привилегий.
Со своей стороны проксен принимал на себя нравственное обязательство по от-
ношению к городу, где он пользовался гостеприимством, во всем содействовать
его интересам и быть посредником между ним и властями своего города. Через
проксенов велись дипломатические переговоры. Приходившие в город посольства
обращались, прежде всего, к своему проксену.
Институт проксении получил в Греции очень широкое распространение и лег в
основу всех последующих международных связей древнего мира. Все чужестранцы,
проживающие в каком-нибудь городе, даже изгнанники, находились под покрови-
тельством божества — Зевса-Ксения (гостеприимца).
Таким же древним международным институтом в Греции были и амфиктионии — так
назывались религиозные союзы, которые возникали возле святилища какого-либо
особо чтимого божества. В эти союзы входили племена, которые жили вокруг свя-
тилища («амфиктионы» — вокруг живущие) независимо от их родственных отноше-
ний.
Первоначальной целью амфиктионии были общие жертвоприношения и празднества
в честь почитаемого божества, защита храма и его сокровищ, накопленных от об-
щественных и частных приношений, а также наказание святотатцев — нарушителей
священных обычаев.
По мере необходимости собиравшиеся на празднества совещались по обществен-
ным делам, которые представляли интерес для всех членов данной амфиктионии.
Во время празднеств запрещалось вести войны, провозглашался «божий мир» — ие-
ромения. Таким образом, амфиктионии превращались в религиозно-политический
институт международного характера.
В Древней Греции существовало много амфиктионии. Самой древней и наиболее
влиятельной из них была Дельфийско-Фермопильская амфиктиония. Она образова-
лась из двух амфиктионии — Дельфийской при храме Аполлона в Дельфах и Фермо-
пильской при храме Деметры. В Дельфийско-Фермопильскую амфиктионию входило 12
племен. Каждое из них имело по два голоса.
Верховным органом амфиктионии было общее собрание. Оно созывалось два раза
в год — весной и осенью — в Фермопилах и Дельфах. Решения общего собрания
считались обязательными для всех амфиктионов. Уполномоченными лицами собра-
ния, которые фактически руководили всеми делами, были иеромнемоны, назначае-
мые государствами по количеству голосов амфиктионии, т. е. их было 24. Глав-
нейшей обязанностью иеромнемонов было соблюдение «божьего мира» и устройство
религиозных празднеств.
В конце V — начале IV веков до н. э. в Древней Греции появляется новая кол-
легия — пилагоров. Через пилагоров и иеромнемонов входившие в состав амфик-
тионии города приносили друг другу клятвы и принимали на себя известные обя-
зательства .
Дельфийско-Фермопильская амфиктиония представляла собой значительную поли-
тическую силу, которая оказывала огромное влияние на международную политику
Греции. В руках Дельфийско-Фермопильской амфиктионии была сосредоточена и
светская, и духовная власть. Дельфийские жрецы объявляли и прекращали войну,
назначали и смещали общих правителей, входивших в амфиктионию.
Иеромнемоны считались провозвестниками воли Аполлона. Согласно преданию, у
дельфийских жрецов имелись «тайные книги», в которых содержались древние
предсказания. Читать эти книги разрешалось только тем, кто признавался потом-
ком самого Аполлона, т. е. жрецам и царям.
Могущественным орудием в руках греческого жречества были «священные войны»,
которые оно вело против всех, кто причинял какой-либо ущерб святилищу Аполло-
на. В «священной войне» должны были принимать участие все члены амфиктионии,
связанные присягой.
Текст присяги гласил: «Не разрушать никакого города, принадлежащего амфик-
тионии. Не отводить воды ни во время мира, ни во время войны. Общими силами
выступать против всякого нарушителя присяги, разорять его город. Наказывать
всеми средствами, имеющимися в распоряжении, всякого, дерзнувшего нарушить
достояние Бога рукой или ногой».
Все политические договоры прямо или косвенно утверждались дельфийским жре-
чеством. По всем спорным вопросам международного права обращались в Дельфы.
Сила жречества заключалась не только в его духовном, но и в материальном
влиянии. Дельфы располагали огромными капиталами, которые образовывались от
взносов городов, от доходов с паломников, от храмовых ярмарок и ростовщиче-
ских сделок.
Всем этим и объясняется та борьба, которая развернулась между греческими
городами-государствами за влияние и голоса в Дельфийской амфиктионии.
Третьим видом международных связей Греции служили договоры и военно-
политические союзы — симмахии. Наиболее значительными из них были Лакедемон-
ская и Афинская (Делосская) симмахии.
Лакедемонская симмахия образовалась в VI веке до н. э. как союз городов и
общин Пелопоннеса. По главе союза стояла Спарта. Высшим союзным органом было
общесоюзное собрание (силлогос), созываемое городом-гегемоном Спартой один
раз в год. Все города, входившие в союз, имели в нем по одному голосу от их
величины и значения. Дела решались по большинству голосов после долгих прений
и всяческих дипломатических комбинаций.
Другим крупным союзом эллинских городов-государств была Делосская симмахия,
которую возглавляли Афины. Делосская симмахия отличалась от Лакедемонской,
во-первых, тем, что входившие в нее союзники платили особый взнос в общест-
венную казну на Делосе, а во-вторых, тем, что они более зависели от своего
гегемона — Афин.
Возникшие между полисами конфликты разрешались через уполномоченных лиц или
послов. В разное время они назывались вестниками («керюкс», «ангелос») или
старейшинами («пресбейс»). В Афинах, Спарте, Коринфе и других полисах послы
избирались народным собранием из лиц почтенного возраста, не моложе 50 лет.
Обыкновенно послы избирались из состоятельных граждан, пользовавшихся авто-
ритетом, имевших проксенов в других городах, рассудительных и красноречивых.
Чаще всего посольские поручения давались архонтам данного города или чаще ар-
хонту-полемарху (военачальнику).
Известны случаи, когда послами назначали актеров. Например, знаменитый ора-
тор Эсхин был актером. Эсхин представлял афинское государство у македонского
царя Филиппа II. Избрание актеров для выполнения высокой и почетной миссии
посла находит свое объяснение в большом значении, какое в античных обществах
имели красноречие и декламация. Актерское искусство придавало большой вес и
убедительность словам делегата, выступавшего на многолюдном собрании, на пло-
щади или в театре.
Число членов посольств не было строго регламентировано. Оно определялось в
зависимости от условий данного момента. Все послы считались равноправными.
Лишь позже вошло в обычай выбирать главного посла — архистарейшину, председа-
теля посольской коллегии.
На содержание послов за время их полномочий отпускались некоторые денежные
суммы, так называемые «дорожные деньги». К послам назначался определенный
штат прислуги. При отправлении им давались рекомендательные письма («симво-
лы») к проксенам города, в который выезжало посольство. Цель посольства опре-
делялась вручаемыми старейшинами инструкциями, написанными на грамоте, кото-
рая состояла из двух сложенных вместе листов («диплома»). Отсюда происходит
слово «дипломатия».
Инструкция служила основным руководством для послов. Однако они пользова-
лись известной свободой и могли проявлять собственную инициативу.
Прибывшие на место своего назначения послы вместе с проксеном направлялись
к должностному лицу данного города, ведавшему дипломатическими делами. Они
предъявляли ему свой грамоты и получали от него соответствующие указания и
советы.
В ближайшие после регистрации дни (в Афинах обычно через пять дней), послы
выступали в Совете или народном собрании с объяснением цели своего прибытия.
После этого открывались публичные дебаты или же дело передавалось на рассмот-
рение специальной комиссии.
Как правило, к иностранным послам относились с почтением, им оказывали хо-
роший прием, предлагали подарки, приглашали на театральные представления, иг-
ры и празднества. По возвращении в родной город члены посольства передавали в
народное собрание отчет о результатах своей миссии.
В случае одобрения послы получали почетные награды. Самой высокой из них
был лавровый венок с приглашением на следующий день обедать в притании — осо-
бом здании близ Акрополя, в котором обедали почетные гости города-
государства. Каждому гражданину предоставлялось право при отчете посла выска-
зать свое мнение и даже выступить против него с обвинениями.
Одной из главных обязанностей послов в Греции было заключение союзов с дру-
гими государствами и подписание договоров. В античных полисах на договор
смотрели как на нечто магическое. Нарушение договора, по убеждению людей
древнего мира, влекло за собой божественную кару. Поэтому заключение догово-
ров и ведение дипломатических переговоров в Элладе было обставлено строгими
формальностями. Договорные обязательства скреплялись клятвами, призывавшими в
свидетели божественную силу, якобы освятившую подписанный договор. Клятвы да-
вались обеими сторонами в присутствии магистров того города, где подписывался
договор. К клятве присоединялось проклятие, падавшее на голову нарушителя до-
говора .
Возникавшие на почве нарушения договора споры и столкновения передавались
на рассмотрение третейской комиссии. Она налагала на виновников нарушения де-
нежные пени. Штраф вносился в казну какого-либо божества — Аполлона Дельфий-
ского, Зевса Олимпийского и др. В случае упорного нежелания подчиняться тре-
бованиям, третейского суда против непокорных городов предпринимались строгие
меры, вплоть до «священной войны».
После принятия соглашения каждой стороне вменялось в обязанность вырезать
текст договора и клятвы на каменном столбе-стеле и хранить в одном из главных
храмов. В Афинах это был храм Афины Паллады на Акрополе. Копии наиболее важ-
ных договоров хранились в национальных святилищах — Дельфах, Олимпии и Дело-
се.
Договоры писались на нескольких языках — по числу договаривающихся сторон.
Один текст обязательно поступал в государственный архив. В случае разрыва ди-
пломатических отношений и объявления войны стела, на которой был вырезан до-
говорной текст, разбивалась. Тем самым договор расторгался.
Демократические
преобразования
в Афинах
После убийства Эфиальта, организованного олигархами, признанным руководите-
лем афинской демократии стал Перикл. Это был один из наиболее ярких и крупных
исторических деятелей Древней Греции.
По свидетельству историка Плутарха, Перикл принадлежал к «самым знатным ро-
дам в Афинах». Его отец Ксантипп командовал греческим флотом в битве при Ми-
кале, мать была родственницей афинского реформатора Клисфена. Одним из воспи-
тателей Перикла был известный философ Анаксагор.
Перикл проявил себя как осторожный и дальновидный политик, блестящий ора-
тор , разносторонне образованный для своего времени человек. Будучи уже при-
знанным руководителем Афинского государства, Перикл наряду с укреплением по-
литического могущества Афин не переставал заботиться о том, чтобы Афинское
государство стало «центром просвещения Эллады».
В своем доме Перикл собирал наиболее выдающихся ученых, писателей, художни-
ков. Известно, что он поддерживал близкие отношения с софистом Протагором,
трагиком Софоклом, скульптором Фидием, историком Геродотом и др.
Уже в самом начале своей политической карьеры Перикл примкнул к тем верхним
слоям рабовладельческой демократии — судовладельцам, купцам, средним земле-
владельцам, ремесленным предпринимателям, которые были заинтересованы в уси-
лении мощи Афин на море и, следовательно, в расширении торговых связей.
Начиная с 443 года Перикл был очень популярен в широких кругах граждан. В
течение 15 лет он ежегодно избирался на должность стратега. Популярность Пе-
рикла объяснялась, прежде всего, тем, что его политическая деятельность, на-
правленная на укрепление демократического строя, на усиление Афинской морской
державы и вообще могущества Афин, отражала интересы большинства афинских гра-
ждан.
Последовательная демократизация государственного строя Афин — такова была
главная задача, стоявшая перед Периклом и его единомышленниками в борьбе с
олигархами. В отличие от более ранних единовременных реформ (типа реформ Со-
лона или Клисфена) в середине V века был предпринят ряд законодательных меро-
приятий, вводивших новые порядки или отменявших старые законы, ограничивавшие
демократию.
Бывало, старые законы формально не отменялись, но их просто переставали со-
блюдать . Так, например, хотя цензовое законодательство Солона формально не
было отменено, но в 457 году впервые на должность архонта был избран зевгит —
представитель среднего слоя демоса. В дальнейшем зевгиты и беднейшие граждане
— феты получили доступ почти ко всем государственным должностям.
Старый способ выборов путем голосования все чаще стал заменяться жеребьев-
кой, в основе которой лежало признание за любым афинским гражданином права
занимать любой пост в государстве. Исключение составляли лишь несколько выс-
ших должностей (например, должность стратега), для которых требовались специ-
альные знания. Эти должности по-прежнему замещались путем голосования в на-
родном собрании.
Возникла необходимость ввести оплату должностных лиц из государственной
казны, чтобы рядовые граждане на деле смогли занимать ответственные должно-
сти. Начало было положено установлением жалованья гелиастам (заседателям в
афинском суде) в размере двух оболов за заседание.
В дальнейшем казна стала выплачивать суточные деньги членам «совета пяти-
сот», архонтам и другим должностным лицам. Позже был создан особый фонд, так
называемый теорикон, для выдачи денег малоимущим гражданам на посещение теат-
ра. Поскольку театр играл большую роль в общественной жизни, теорикон имел
существенное политическое значение.
Денежные пособия обычно были очень невелики. Но все же они обеспечивали
дневное пропитание и, значит, давали возможность малоимущим гражданам активно
участвовать в государственной деятельности. Например, гелиэя с этого времени
стала в значительной мере комплектоваться из среды наименее обеспеченных гра-
ждан . Для многих из них участие в судебных заседаниях было важным источником
существования.
Как уже говорилось, афиняне пользовались материальными благами не только за
счет эксплуатации труда рабов, но и за счет эксплуатации других греческих го-
родов — членов морского союза, фактически ставших подданными Афин. Афинские
граждане понимали, что в случае увеличения их общей численности сумма полу-
чаемых каждым из них материальных благ может уменьшиться. Поэтому в 451-450
годах по предложению Перикла афинское народное собрание приняло особый закон,
согласно которому только тот считался гражданином, чьи отец и мать были граж-
данами Афин. Этот закон, ставивший целью ограничить численность привилегиро-
ванной группы полноправных граждан во имя эгоистических интересов каждого из
них, ярко свидетельствует об узости античной полисной демократии. Кстати, от
этого закона едва не пострадал сам Перикл. Впоследствии ему стоило большого
труда добиться предоставления гражданских прав его сыну от милетянки Аспасии.
В годы правления Перикла Афинское государство управлялось народным собрани-
ем (экклесией), которое юридически обладало всей полнотой верховной власти.
Экклесия никому не передоверяла своих верховных прав и пользовалась ими непо-
средственно. В античной Греции и, в частности, в Афинах это было в какой-то
степени возможно, поскольку все граждане могли свободно поместиться на площа-
ди своего города.
Для решения государственных вопросов афинские граждане собирались примерно
через каждые 10 дней. Наиболее важными делами считались избрание стратегов и
других высших должностных лиц, объявление войны и заключение мира, внешнепо-
литические проблемы, в том числе заключение договоров о союзе, принятие отче-
тов у высших должностных лиц, издание различных постановлений.
Все органы Афинского государства были подчинены народному собранию. К этим
органам принадлежали «совет пятисот» (булэ), гелиэя, ареопаг, коллегия десяти
стратегов, избираемых по одному от каждой филы, архонты и еще ряд должностных
лиц, в большинстве своем избираемых с помощью жеребьевки.
Примерно такой же, как и при Клисфене, оставалась организация булэ. Члены
булэ избирались по жребию из граждан не моложе 30 лет, по 50 человек от каж-
дой из 10 фил. Эти 50 человек составляли так называемую пританию. Каждая из
пританий по очереди выполняла обязанности булэ в течение одной десятой части
года. Эти обязанности состояли в подготовке дел для экклесии, а также в реше-
нии текущих вопросов в промежутках между заседаниями экклесии.
Определенную роль в законодательной деятельности играла гелиэя (суд присяж-
ных) , которая в Афинах занималась не только обычными судебными делами. Гелиэя
состояла из 6 тысяч избранных по жребию присяжных судей. Судьи были разделены
на 10 палат (так называемых дикастериев) , в среднем по 500 человек в каждой.
100 присяжных и каждом дикастерии считались запасными.
Подкуп судей был практически невозможен из-за многочисленности присяжных
заседателей. К тому же подсудимые обычно не знали, какому дикастерию будет
поручено рассмотрение их дел. Во время заседания гелиасты выслушивали обвини-
теля, обвиняемого и свидетелей и, когда суть дела становилась им ясной, без
предварительного совещания между собой приступали к голосованию судебного по-
становления .
В Афинах не было специальных государственных обвинителей. Любой из граждан
мох1 возбуждать и поддержать обвинение, в том числе в тех случаях, когда оно
касалось интересов государства или охраны существующего правопорядка. Не было
на суде и защитников — каждый подсудимый должен был защищать себя сам. Если
подсудимые не чувствовали себя достаточно подготовленными, они заучивали наи-
зусть заранее написанные для них речи.
Если по ходу дела требовались свидетельские показания рабов, их подвергали
пыткам, так как считалось, что добровольным показаниям раба доверять нельзя.
Наибольшим политическим весом из всех выборных государственных органов Афин
обладала коллегия десяти стратегов. Должность стратега не оплачивалась и при
Перикле. Таким образом, на нее могли претендовать только богатые граждане.
Между тем в руках афинских стратегов сосредоточивались наиболее важные госу-
дарственные функции.
Во время войны стратеги командовали армией и флотом, ведали всей внешней
политикой Афинского государства и распоряжались значительной частью государ-
ственных финансов. Обладая такими широкими полномочиями, стратеги в то же
время были подотчетны экклесии и постоянно контролировались ею.
Каждому афинскому гражданину было предоставлено своеобразное право контроля
государственной системы: он мох1 заявлять жалобу на противозаконие (графэ па-
раномон). Гражданин мох1 также обжаловать любое из поступавших в народное соб-
рание предложений или уже принятых постановлений и законов.
Если после рассмотрения жалобы в суде присяжных (гелизе) она признавалась
справедливой, обжалованное постановление или закон отменялись, а лица, винов-
ные в их проведении, привлекались к судебной ответственности. С другой сторо-
ны, если жалоба на противозаконие признавалась необоснованной, то жалобщик
подвергался крупному штрафу.
Таков был в общих чертах установившийся в середине V века до н. э. государ-
ственный строй Афин. Это был период относительно высокого развития античной
демократии, ограниченной, однако, рабовладельческой основой. Как и полностью
бесправные рабы и лишенные политических прав метэки в Афинах женщины также не
имели политических прав.
Количество полноправных граждан, которые могли принимать участие в эккле-
сии, составляло весьма незначительную часть населения Аттики. К тому же дале-
ко не все те, кто обладал в Афинах политическими правами, были в состоянии
реально ими пользоваться. Прежде всего, это относилось к участию граждан в
народном собрании, которое в годы правления Перикла не оплачивалось. Для гра-
ждан, живших трудом своих рук, не так-то просто было бросать работу и каждый
десятый день проводить на Пниксе (холм в Афинах), где собиралась экклесия.
Крестьянам Аттики, особенно тем, которые жили далеко от Афин, приходилось
тратить два-три дня на посещение экклесии. В горячую пору сельских работ сде-
лать перерыв было чрезвычайно трудно, поэтому количество присутствующих в
экклесии (при общей численности афинских полноправных граждан примерно 35 ты-
сяч человек) обычно не превышало 3 тысяч, преимущественно жителей самого го-
рода. Только в исключительных случаях, например при остракизме, требовалось,
чтобы за постановление голосовало не менее 6 тысяч человек.
Утвердившийся в Афинах демократический строй вызвал острое недовольство со
стороны олигархических элементов, которые группировались вокруг одного из по-
литических деятелей — Фукидида из Алопеки. Однако борьба с олигархами закон-
чилась победой Перикла и остракизмом Фукидида в 443 году до н. э.
Оппозиционные настроения существовали и в среде самой демократии. Городская
беднота стремилась к более радикальным преобразованиям и была недовольна уме-
ренностью проведенных реформ. Правительство Перикла пыталось ослабить рост
оппозиционных настроений рядом мероприятий. Например, в Афинах затрачивались
значительные средства на строительство общественных зданий. Одна из целей та-
кого строительства — дать заработок необеспеченным афинским гражданам.
Расходы на общественные нужды покрывались не только за счет государства, но
и путем привлечения частных средств. В Афинах издавна существовали литургии —
особые повинности, налагавшиеся только на богатых людей, которые на свои
средства должны были строить военные корабли, устраивать театральные зрелища
и т. п. После победы над олигархами литургии в Афинах применялись довольно
часто.
Наконец, в это время значительно шире, чем раньше, выводятся клерухии на
земли союзников. Этим достигались сразу три цели. Наиболее важные в политиче-
ском и экономическом отношении пункты на территории Афинской архэ оказывались
под постоянным контролем метрополии. Неимущие афинские граждане — в клерухии
в основном выводились феты — обеспечивались участками земли. Выселение бедно-
ты ослабляло радикальную оппозицию в экклесии.
В середине V века до н. э. Афины превратились в самый крупный и цветущий
центр экономической, политической и культурной жизни Греции. Государственный
строй Афин оказал сильнейшее воздействие на развитие политической жизни в ря-
де других греческих государств, в первую очередь городов, которые входили в
состав возглавляемого Афинами морского союза или находились в сфере его влия-
ния.
Отчетливо проявилось и новое направление афинской внешней политики, которое
впервые наметилось еще при Фемистокле. В середине V века Афины заключили со-
глашения с Керкирой, Сегестой и Леонтинами в Сицилии, а также с Регием в Ита-
лии. Таким образом, перед афинскими торговыми кругами открылись пути на за-
пад. В 443 году, стремясь укрепить свое влияние в Италии, афиняне вывели на
ее южное побережье колонию Фурии. Этой колонии с самого начала был придан ха-
рактер общеэллинского предприятия, что должно было повысить авторитет Афин в
глазах всего греческого мира.
С целью обеспечения интересов Афин и расширения морского союза за счет
включения в него причерноморских городов около 437 года Перикл предпринял
понтийскую экспедицию — большой морской поход в Черное море. В результате в
состав союза вступили некоторые города Западного Причерноморья.
Однако попытки Афин утвердиться в Западном Средиземноморье и усиление афин-
ского влияния в Причерноморье обострили противоречия между Афинской архэ и
городами Пелопоннесского союза. Это привело к крупнейшей в истории Древней
Греции войне, которая получила название Пелопоннесской.
ГЛАВА 3.
ПЕЛОПОННЕССКАЯ
ВОЙНА
Как по своему историческому значению, последствиям и продолжительности (она
длилась с небольшим перерывом 27 лет) , так и по размаху военных действий и
ожесточению противоборствующих сторон Пелопоннесская война существенно отли-
чалась от других, обычных в Элладе военных конфликтов между полисами.
Это была война между двумя большими группировками греческих государств: ме-
жду возглавляемым Спартой Пелопоннесским союзом, с одной стороны, и Афинами и
их морской державой — с другой. В борьбу включились также города греческого
Запада — Южной Италии и Сицилии и негреческие государства, например Персид-
ская держава Ахеменидов.
В масштабах эллинского мира эта война приобрела всеобщий характер. По сви-
детельству одного из крупнейших историков древности Фукидида, «за время ее
Эллада пережила столько бедствий, сколько ни разу не испытывала раньше за та-
кой же период времени... Никогда не было взято и разорено столько городов... не
было столько изгнаний и убийств, вызванных как самой войной, так и междоусо-
бицами» .
Таким образом, если предшествующий период был временем наивысшего расцвета
Греции, то с началом Пелопоннесской войны весь эллинский мир вступил в полосу
тяжелых потрясений. Последствия ее в равной мере пагубно сказались и на побе-
жденных, и на победителях. Пелопоннесская война стала преддверием к кризису
полиса как особой формы рабовладельческого государства.
Пелопоннесская война была вызвана целым рядом причин экономического и соци-
ального характера. Таких государств, которые могли бы претендовать на господ-
ствующее положение в экономической жизни Эллады, к середине V века до н. э.
оставалось немного. Некогда цветущие города малоазийского побережья после
разгрома, пережитого ими при подавлении Дарием Ионийского восстания, не смог-
ли занять своего прежнего места в экономике Греции. В ряде других греческих
полисов, расположенных на Балканском полуострове, товарное производство было
развито сравнительно слабо. Эти города-государства были мало заинтересованы в
укреплении торговли.
В этих условиях главная роль в сфере торговли принадлежала двум соперничаю-
щим друг с другом греческим государствам — Афинам и Коринфу. Эти полисы уже
давно вступили на путь развития товарного производства и морской торговли.
Оба были в одинаковой мере заинтересованы в максимальном расширении сферы
своего экономического влияния. Острое столкновение между ними становилось не-
избежным.
В ходе начавшейся борьбы между Афинами и Коринфом существенное значение
приобрели Мегары — торговый город, располагавшийся на очень выгодном для тор-
говли Истмийском перешейке. Через этот перешеек проходил путь, который связы-
вал Коринфский и Саронический заливы, Пелопоннес и Среднюю Грецию.
Экономически Мегары были значительно слабее и Афин, и Коринфа. В 460 году
до н. э. Мегары разорвали отношения с Коринфом, вышли из Пелопоннесского сою-
за и вступили в союз с Афинами. Коринфские купцы потеряли возможность транс-
портировать свои товары через мегарскую гавань. Правда, через четырнадцать
лет, в 446 году. Мегары расторгли союз с Афинами и вновь вошли в Пелопоннес-
ское объединение, сблизившись с торговыми кругами Коринфа.
Благодаря господству Афинского союза в Эгейском море во время Перикла афи-
няне широко распространили свое влияние на запад. Между тем торговля с запад-
ными городами, в частности, с городами Южной Италии и Сицилии, осуществляв-
шаяся в то время главным образом через Коринфский залив, была одним из основ-
ных источников экономического преуспевания Коринфа.
Насущнейшие интересы коринфской торговли оказались под серьезной угрозой.
Вести дальнейшую борьбу с таким могущественным противником, как Афины, Коринф
мог, только опираясь на своих союзников, прежде всего на Спарту. В свою оче-
редь , опасаясь уронить свой политический престиж в глазах всех остальных чле-
нов Пелопоннесского объединения, Спарта не могла отказать в поддержке Корин-
фу, который являлся одним из самых влиятельных и крупных участников этого
союза.
Были у Спарты и другие основания поддерживать коринфян в их борьбе с Афина-
ми. На первый план тут выступали противоречия между Спартой и Афинами, кото-
рые боролись за гегемонию над городами-государствами Эллады. По словам Фуки-
дида, «афиняне своим усилением стали внушать опасения лакедемонянам и тем вы-
нудили их начать войну».
Это соответствовало действительности. За истекшее со времени нашествия
Ксеркса пятидесятилетие Афины выросли в силу, которая угрожала прочности
спартанской гегемонии даже в самом Пелопоннесе. Несмотря на мир, заключенный
между Спартой и Афинами в 446-445 годах, афиняне продолжали вести свою обыч-
ную политику поддержки в греческих полисах враждебных Спарте группировок,
преимущественно демократических. В то же время олигархические силы городов
Эллады продолжали, как правило, ориентироваться на Спарту.
Таким образом, два лагеря, на которые перед войной распался греческий мир,
были разделены не только различными экономическими интересами и стремлением
возглавлявших их государств к гегемонии, но в известной мере и политическими
тенденциями. Этот сложный узел противоречий нашел свое отражение в событиях
предшествовавших войне. Ближайшим поводом к войне послужил эпидамнский инци-
дент. То было столкновение местного значения, возникшее на почве географиче-
ской тесноты эллинского мира. Однако вскоре местный спор перерос в конфликт
общегреческого масштаба.
В богатом и многолюдном городе Эпидамне (современный Дураццо), колонии ост-
рова Керкиры на западном берегу Греции, в 436 году до н. э. произошло столк-
новение демократов с олигархами. Последние призвали на помощь соседей-
варваров . Теснимые противниками, эпидамнские демократы, не получив помощи от
Керкиры, своей метрополии, отправили посольство в Дельфы за советом — не пе-
редать ли им своего города Коринфу, который активно оспаривал права на Эпи-
дамн у Керкиры?
Дельфийское жречество высказалось за такое решение. Тогда керкиряне напра-
вили со своей стороны посольство в Коринф с требованием передать вопрос об
Эпидамне на рассмотрение третейского суда. Не получив определенного ответа от
Коринфа, поглощенного подготовкой к войне, керкиряне отправили посольство в
Афины, прося принять их в Афинскую симмахию и признать их право на Эпидамн.
Керкирские послы доказывали афинянам, что если Керкире не будет оказана по-
мощь, они вынуждены будут подчиниться коринфянам. В этом случае Афинам при-
дется сражаться с двумя сильнейшими морскими державами Греции — Коринфом и
Керкирой.
Вслед за посольством Керкиры в Афины пожаловало и коринфское посольство.
Оно обвиняло керкирян в наглости и корыстолюбии и протестовало против приня-
тия их в Афинскую симмахию.
Афиняне решили не принимать керкирян в свою симмахию, а заключить с ними
лишь оборонительный союз.
Формально Афины не нарушали условий Тридцатилетнего мира, который запрещал
одной симмахии расширяться за счет другой. Вступая с керкирянами в дружеский
союз, Афины рассчитывали достигнуть сразу двух целей. Во-первых, им было вы-
годно посеять вражду между двумя сильнейшими державами — Керкирой и Коринфом.
Тем самым ослаблялись главные противники Афин. Во-вторых, афиняне хотели за-
крепиться в важнейших гаванях на западном торговом пути в Италию и Сицилию.
Расчет руководства Афин на поединок Керкиры и Коринфа полностью оправдался.
В разразившейся керкиро-коринфской войне обе воюющие стороны были обессилены.
В морском сражении у Сиботских островов афинская эскадра, действуя совместно
с морскими силами Керкиры, заставила отступить флот Коринфа.
Таким образом, афиняне в данном случае поддержали олигархов. Стремление
подчинить своему влиянию Эпидамн и Керкиру заставило их отступить от традици-
онной политики поддержки демократии. Военная помощь, оказанная Афинами керки-
рянам, вызвала протест Пелопоннесского союза по поводу нарушения Афинами до-
говора 445 года.
Второе столкновение произошло из-за коринфской колонии на Халкидике — Поти-
деи. Этот город продолжал сохранять связь со своей метрополией. Коринф еже-
годно направлял в него своих представителей. В то же время Потидея находилась
в составе Афинского морского союза.
После сражения у Сиботских островов афиняне, опасаясь, что Потидея под
влиянием Коринфа может отпасть от союза, потребовали удаления коринфских
должностных лиц — эпидемиургов, а также срытия городских стен со стороны мо-
ря . Свое требование афиняне подкрепили посылкой отряда кораблей и гоплитов.
В ответ на это подстрекаемые Коринфом и Македонией потидеяне заявили о сво-
ем выходе из союза. Тогда афиняне снарядили большой флот и сухопутные силы и
начали военные действия против Потидеи. Военную помощь потидеянам оказали Ко-
ринф и македонский царь Пердикка. Он был обижен на Афины за их союз с его
братом и врагом Филиппом и поднял против них все пограничные племена.
Воспользовавшись этим, большая часть городов Халкидского полуострова вос-
стала против афинян. Однако отправленная Афинами эскадра в 30 кораблей разби-
ла войска потидеян и коринфян, положив тем самым конец восстанию.
Третьим поводом к Пелопоннесской войне послужил конфликт Афин с Мегарами.
Он закончился тем, что афинское народное собрание вынесло особое постановле-
ние, которое запрещало торговлю с мегарянами в Аттике и во всех портах Афин-
ского союза. Это постановление нанесло серьезный удар по мегарской торговле и
поставило Мегары в крайне тяжелое положение.
В этой обстановке Коринф обратился к Спарте с требованием созвать съезд го-
родов Пелопоннесского союза и объявить от его имени войну Афинам. С требова-
нием немедленного созыва общесоюзного совещания (так называемого силлогоса)
по поводу нарушения Афинами договора 445 года направили посольства в Спарту
потидеяне и македонский царь Пердикка.
Этот протест поддержали и другие греческие полисы, недовольные политикой
Афин. Сама Спарта, всегда опасавшаяся восстания илотов в своем тылу, не была
заинтересована в том, чтобы вступать в новую большую войну, но под давлением
Коринфа и других своих союзников начала с Афинами переговоры.
В результате в 432 году до н. э. в Спарте состоялось совещание, которое
стало настоящей дипломатической конференцией. На ней остро столкнулись инте-
ресы греческих государств. Прения носили бурный характер. Первыми выступили
коринфские делегаты, которые обрушились на своего гегемона Спарту. Заинтере-
сованные в немедленном открытии военных действий против Афин, они обвиняли
спартанцев в бездеятельности, медлительности и не осведомленности в общегре-
ческих делах.
«Вы отличаетесь рассудительностью, — обратились коринфские представители к
спартанцам, — но вы плохо знаете, что творится за пределами вашей страны».
Иное дело — афиняне. Осведомленностью быстротой и сообразительностью они да-
леко опередили всех остальных греков. Благодаря этому, мол, одну часть греков
они уже поработили, а другую намерены покорить в скором времени. «Афиняне
всегда на словах выступают против войны, — говорили коринфяне, — на самом же
деле они усиленно к ней готовятся».
Представители Коринфа сделали вывод о необходимости создания антиафинской
коалиции и немедленного начала боевых действий против Афин, «похитивших гре-
ческую свободу». С ответом на пылкую речь коринфян выступили афинские делега-
ты.
Аргументация афинских послов была построена в высшей степени искусно. С од-
ной стороны, они доказывали, что гегемонию в эллинском мире и среди варваров
афиняне приобрели не насилием и интригами, а вполне законным путем во время
национальной войны с персами, проявив в защите общегреческих интересов «вели-
чайшее рвение и отвагу».
Удивляться приходится не тому, говорили послы, что Афины занимают руководя-
щее положение в эллинском мире. Удивительно то, что при такой мощи они столь
умеренно пользуются своими преимуществами и проявляют больше справедливости,
чем это вообще свойственно человеческой природе.
«Мы полагаем, что всякий другой на нашем месте лучше всего показал бы, на-
сколько мы умеренны», — уверяли афинские послы участников совещания.
Афинские делегаты предлагали союзному собранию учесть, с каким могуществен-
ным государством предстоит борьба членам Пелопоннесского союза, коль скоро
они склонятся к решению предпочесть миру войну. «Подумайте, — увещевали они,
— сколь велики неожиданности войны. Не принимайте на себя ее тяжелого бремени
в угоду чужим замыслам и притязаниям. Не нарушайте договора и не преступайте
данной вами клятвы».
После этого выступления все союзные послы покинули собрание. Оставшись од-
ни, спартанцы стали взвешивать доводы за и против немедленного объявления
войны Афинам. Мнения спартанских представителей по этому вопросу разделились.
Первым выступил царь Архидам. «Человек рассудительный и благоразумный», как
его характеризовали современники, он высказался за осторожную политику. Исхо-
дя из чисто военных соображений, Архидам советовал не доводить дела до воору-
женного конфликта с первоклассной военной державой. Воевать с Афинами, не
имея достаточно мощного союзнического флота, было бы опасно.
«Не следует, — говорил он, — ни проявлять слишком много военного задора, ни
обнаруживать излишней уступчивости. Нужно умело устраивать собственные дела,
заключая союзы не только с греками, но и с варварами. Главное, всеми способа-
ми необходимо увеличивать свою денежную и военную мощь».
Против Архидама выступил эфор Сфеналаид. Он предлагал голосовать за немед-
ленное объявление войны. Только быстрым налетом, полагал он, можно захватить
Афины врасплох и выполнить свой долг перед союзниками. По окончании речи Сфе-
налаид поставил вопрос на голосование уполномоченных государств, которые при-
сутствовали на конференции.
Большинство высказалось за предложение эфора, признав, что мирный договор
445 года нарушен Афинами, и что неизбежным следствием этого нарушения являет-
ся война. Таким образом, усилия дипломатов не предотвратили Пелопоннесской
войны, однако они оказали существенное влияние, как на ее подготовку, так и
на все последующее течение событий.
В ходе переговоров афинянам был предъявлен ряд таких требований, вроде рос-
пуска Афинского союза или изгнания Перикла, которые они заведомо не могли вы-
полнить . После отклонения Афинами спартанского ультиматума началась война.
Первый
период
войны
Первый период Пелопоннесской войны принято называть среди исследователей
Архидамовой войной. Она началась с нападения союзников Спарты — фиванцев на
Платей в 431 году до н. э. Одновременно спартанский царь Архидам вторгся с
пелопоннесским войском в Аттику.
Все население Аттики нашло спасение за неприступными для противника стенами
Афин. Тактика Афинян соответствовала заранее обдуманному Периклом плану веде-
ния войны, который основывался на учете реального соотношения сил. Сухопутные
войска афинян были значительно слабее пелопоннесских, зато благодаря своему
флоту афиняне имели огромное преимущество на море. Кроме того, Афины распола-
гали регулярным поступлением фороса и запасом средств в государственной каз-
не . В финансовом отношении они были значительно лучше подготовлены к войне.
Именно поэтому они уклонились от сражения с противником на суше и в ответ на
вторжение Архидама послали свой флот к берегам Пелопоннеса.
На следующий год, когда Архидам снова вторгся в Аттику, ее население, как и
в первый раз, укрылось за городскими укреплениями. Благодаря господству Афин
на море в переполненном людьми городе не ощущалось недостатка в продовольст-
вии.
Однако положение резко осложнилось, когда в Афинах вспыхнула эпидемия ка-
кой-то страшной болезни. Бедствием воспользовались политические противники
Перикла. Активизировали свои действия олигархи. Недовольны были и вынужденные
бросить свое хозяйство крестьяне.
В 430 году до н. э. Перикл был отстранен от должности стратега, обвинен в
должностных злоупотреблениях и присужден к громадному штрафу в 50 талантов.
Правда, когда эпидемия пошла на убыль, народное собрание отменило свое преж-
нее решение и вновь избрало Перикла на должность стратега.
В 429 году Перикл умер. После его смерти в Афинах обострилась борьба внутри
демократических кругов. Одна из группировок, возглавляемая богачом Никием, в
целом следовала политическим курсом Перикла. Другая была настроена более ра-
дикально в области внутренней политики и одновременно более агрессивно во
внешней политике.
Состав этой второй группировки выглядел довольно пестро. С одной стороны,
это были разоренные или наименее обеспеченные слои афинских граждан, привык-
шие жить за счет общественных раздач, т. е. эксплуатации союзных городов. Они
мечтали о выводе новых клерухий на земли побежденных, о росте доходов афин-
ской казны и вытекавшей отсюда возможности увеличения раздач и т. д. С другой
стороны, к этой группировке примыкали и авантюристически настроенные элементы
из среды афинских горожан, торговцев, судовладельцев, ремесленных предприни-
мателей и т. д. Они были готовы идти на риск и рисковать многим в предвкуше-
нии тех выгод, какие им может принести победа. Вождем этой разнородной груп-
пировки, получившей в историографии название «радикальной демократии», был
сын владельца кожевенной мастерской Клеон.
Выражая интересы радикальных демократов Афин, Клеон требовал более реши-
тельного и активного ведения войны и более крутой политики по отношению к со-
юзникам. Между тем пелопоннесцы возобновили вторжение в Аттику. Афиняне отве-
тили на это действиями на море. Взаимное ожесточение борющихся сторон все бо-
лее возрастало.
Против Афин вспыхнуло восстание в Митилене на острове Лесбос, объявившем о
своем выходе из Афинского морского союза. Афиняне подавили восстание с край-
ней жестокостью. Спартанцы же, овладев после длительной осады Платеями, почти
поголовно уничтожили их население.
Внутренней борьбой была охвачена Керкира. Демократы и олигархи привлекали
на свою сторону рабов обещаниями свободы. Происходившие здесь перевороты со-
провождались беспощадными расправами победителей над побежденными.
В 425 году наметился перелом в ходе военных действий, которые в первый пе-
риод войны шли с переменным успехом. Афинянам удалось овладеть на побережье
Мессении Пилосом и взять в плен на острове Сфактерия 120 спартиатов из самых
знатных семей, а также возбудить волнения среди илотов.
Но этот успех был ослаблен поражением афинян в сражении у беотийского горо-
да Делия и ответными действиями спартанского полководца Брасида в Халкидике и
Фракии, где ему удалось добиться отпадения от Афин ряда их союзников. Афиняне
были настолько встревожены начавшимся развалом своего союза, что направили на
север Балканского полуострова войско под командованием Клеона.
В неудачном для афинян сражении у Амфиполя в 422 году до н. э. погибли и
афинский — полководец Клеон, и спартанский полководец Брасид. После этого
сражения в Афинах и Спарте усилились мирные настроения. Затяжная война исто-
щала силы обеих сторон, не приводя ни к какому результату.
Следует отметить, что обмен посольствами между соперничающими сторонами
продолжался и после объявления войны. Разница состояла лишь в том, что пере-
говоры велись воюющими державами «без глашатаев», т. е. полуофициальным пу-
тем.
В 423 году обессиленные войной противники пришли к соглашению и заключили
перемирие, завершившееся так называемым Никиевым миром 421 года. В передаче
Фукидида текст договора гласит: «Настоящий договор заключили афиняне и лаке-
демоняне с союзниками на следующих условиях, утвержденных клятвами каждого
города... Да не позволено будет лакедемонянам с их союзниками браться за оружие
с целью нанесения вреда афинянам и их союзникам, ни афинянам с их союзниками
— для нанесения вреда лакедемонянам и их союзникам какими бы то ни было спо-
собами» .
Далее определялись права городов, возвращаемых лакедемонянами афинянам и
наоборот. Эти города объявлялись независимыми. «Городам, — гласил подписанный
текст договора, — быть независимыми, пока они уплачивают дань, установленную
Аристидом. Да не позволено будет по заключении договора ни афинянам, ни их
союзникам браться за оружие во вред городам».
Следующим, центральным пунктом Никиева мира был вопрос о возвращении захва-
ченных территорий и об обмене военнопленными. В последнем были больше всего
заинтересованы спартанцы, которые потеряли в сражении при Сфактерии свой от-
борный корпус.
«Лакедемоняне и союзники обязуются возвратить афинянам Панакт, афиняне ла-
кедемонянам — Корифаси... и всех лакедемонских граждан, содержащихся в заключе-
нии в Афинах или в какой-либо другой части Афинского государства, а равно и
всех союзников... Также и лакедемоняне с их союзниками обязуются возвратить
всех афинян и их союзников».
Особой статьей оговаривались права Дельфийского храма. Договор заключался
на 50 лет. Он должен был соблюдаться заключившими его сторонами «без коварст-
ва и ущерба на суше и на море» и скреплялся присягой: «Буду соблюдать условия
и договор без обмана и по справедливости».
Присягу было условлено возобновлять ежегодно и в каждом городе отдельно. В
конце договора имелась оговорка, которая позволяла в случае необходимости
вносить в текст какие-то изменения. Договор входил в силу за шесть дней до
конца месяца елафеболиона. В конце следовали подписи лиц, которые заключили
договор.
В том же году между Афинами и Спартой было заключено еще одно характерное
для рабовладельческих государств соглашение. Оно предусматривало взаимопомощь
обеих сторон в случае нападения какой-либо третьей державы или восстания ра-
бов, которые всеми без исключения правительствами античных государств призна-
вались опасной силой.
Однако практическое выполнение условий Никиева мира оказалось неосуществи-
мым. Коринф и Мегары, жизненно заинтересованные в сокрушении Афинской державы
и принесшие много, как выяснилось, напрасных жертв, были недовольны политикой
Спарты. Внутри Пелопоннесского союза возникли острые разногласия.
Спарта не торопилась возвращать Афинам перешедшие в ходе войны на ее сторо-
ну города, в которых успели утвердиться сочувствовавшие ей олигархические
правительства. Афины вернули Спарте перебежавших к ним во время войны илотов,
но не вывели своего гарнизона из Пилоса. Политическая обстановка в Афинах по-
сле заключения мира оставалась напряженной.
Возобновление
Пелопоннесской
войны
Вскоре в Афины прибыло посольство из сицилийского города Сегесты с жалобами
на притеснения, которые жителям этого города приходилось терпеть от других
сицилийских городов, придерживающихся пелопоннесской ориентации. В связи с
этим обращением в среде радикальной демократии появились планы вмешательства
в сицилийские дела.
Особенно горячо поддерживал проект большого морского похода в Сицилию Алки-
виад — один из видных политических деятелей того времени. Алкивиад принадле-
жал к числу наиболее знатных и богатых афинских родов. По материнской линии
он приходился родственником Периклу, который после смерти родителей Алкивиада
стал его опекуном. Будучи от природы человеком одаренным, Алкивиад получил
хорошее образование и рано проявил блестящие ораторские и военные способно-
сти.
Вместе с тем Алкивиад был непомерно честолюбив и беспринципен. Он не только
неоднократно менял свою политическую ориентацию, но и не останавливался перед
прямой изменой Афинам. Прежняя полисная патриотическая мораль была ему совер-
шенно чужда. В кругу близких друзей он называл демократию «общепризнанной
глупостью», что не помешало ему, однако, начать свою политическую карьеру в
качестве сторонника демократии.
Проект похода в Сицилию, который поддержал Алкивиад, сразу же приобрел мно-
гочисленных сторонников среди радикально настроенных демократов, особенно в
торговых слоях афинского демоса. Беднейшие слои афинского населения, увлечен-
ные демагогическими посулами и широковещательными планами Алкивиада, также
рассчитывали на улучшение своего положения за счет военной добычи, включения
сицилийских городов в состав Афинской республики и обложения их форосом.
И хотя Никий и его сторонники предупреждали, что поход в Сицилию неизбежно
приведет к возобновлению войны с Пелопоннесским союзом, все же сторонникам
экспедиции удалось добиться постановления экклесии об организации похода. Ог-
ромный флот в 134 триэры, снаряженный Афинами, взял на борт 6400 воинов.
По решению народного собрания экспедицию должны были возглавить три страте-
га — Алкивиад, Ламах, стяжавший известность своей храбростью во время Архида-
мовой войны, и Никий, подчинившийся воле собрания. По поводу избрания Никия
афиняне говорили, что война будет идти успешнее, если развести крепкое вино
трезвой водой, т. е. к Алкивиаду и Ламаху прибавить осторожного и рассуди-
тельного Никия.
В ночь накануне отплытия флота неизвестными лицами были изуродованы стояв-
шие на афинских улицах гермы — изображения бога Гермеса. Политические против-
ники Алкивиада воспользовались происшествием и обвинили его в соучастии в
этом преступлении. После отплытия флота, когда соотношение сил в афинской
экклесии изменилось в их пользу, они добились постановления об отозвании Ал-
кивиада и привлечении его к суду.
За Алкивиадом был направлен корабль «Саламания». Однако на обратном пути в
Афины Алкивиад бежал в Пелопоннес, а затем открыто перешел на сторону спар-
танцев . По его совету они оказали военную помощь осажденным афинянами Сираку-
зам.
Военные действия в Сицилии поначалу развивались удачно для афинян. Осажден-
ные Сиракузы были близки к капитуляции. После прибытия к ним на помощь под-
крепления из Спарты положение существенно изменилось. Афиняне стали терпеть
поражения. Никий был вынужден обратиться в Афины с просьбой срочно выслать в
Сицилию дополнительную эскадру.
Однако ее прибытие не принесло желаемого результата. В 413 году афинянам
пришлось снять осаду Сиракуз. Вскоре сиракузяне в морском сражении частью
уничтожили, частью блокировали афинский флот. У афинян не оставалось иного
выхода, кроме как начать отступление вглубь острова. Часть отступавших была
перебита, остальные, в том числе и стратеги, попали в плен. Почти все афиняне
погибли и невыносимых условиях плена.
Сицилийская катастрофа стала переломным моментом в ходе войны. Потеряв в
Сицилии почти весь флот и наиболее боеспособную часть гражданского ополчения,
афиняне лишились своего преимущества перед союзниками. Начался развал Афин-
ского союза.
Лесбос и Хиос тайно направили послов к спартанцам и заявили, что готовы от-
пасть от Афин, как только у их берегов появится пелопоннесская эскадра. Хиос
это обещание выполнил. От афинян отпали также Эрифры, Клазомены, Теос, Милет
и другие города малоазийского побережья.
В 412 году до н. э. ценой огромного напряжения сил афиняне отстроили 150
новых триэр. Это несколько приостановило процесс распада союза. Между тем
спартанцы еще до сицилийской катастрофы изменили свою прежнюю тактику кратко-
временных вторжений. Они заняли постоянным гарнизоном Декелею, расположенную
приблизительно в двадцати милях от Афин.
Таким образом, афиняне оказались под постоянным наблюдением и контролем
противника. Кроме того, как отмечает Фукидид, 20 тысяч рабов, главным образом
ремесленники, перебежали к спартанцам. Это был сильнейший удар по экономике
Афин.
Все враги Афин, по словам Фукидида, были убеждены, что «дальнейшая война
будет кратковременной, а участие в ней почетным и выгодным».
Однако дальнейшие события опровергли все расчеты врагов Афин. Очень скоро
им пришлось убедиться в том, что даже после сицилийской катастрофы могущест-
венная Афинская республика продолжает сохранять свою морскую мощь.
Победить Афины можно было лишь при наличии большого флота, которого ни
Спарта, ни союзники не имели. Постройка же флота предполагала богатую казну,
которой также не обладали ни Спарта, ни ее друзья. Единственный выход из соз-
давшегося положения антиафинская коалиция видела в обращении за денежной по-
мощью к персидскому царю Дарию II.
Дарий II охотно принял на себя роль международного банкира. Он считал соз-
давшееся положение как нельзя более благоприятным для восстановления своего
могущества в Эгейском море и Малой Азии. В качестве дипломата персидского ца-
ря в эти годы выступал человек незаурядных способностей — Тиссаферн, царский
наместник в Приморской области, в которую входили греческие города.
По предложению Тиссаферна в Спарту было направлено два посольства — от ост-
ровных греков, которые отпали от Афинского союза, и от самого Тиссаферна. Оба
посольства предложили лакедемонянам мир и союз. Тиссаферн надеялся достичь
сразу двух целей — ослабить Афины и при поддержке Спарты обеспечить более ре-
гулярное поступление дани царю от подвластных ему греческих полисов Малой
Азии.
Чувствуя за своей спиной Афины, малоазиатские греки выплачивали дань крайне
неаккуратно и притом постоянно грозили отпадением. Кроме того, при поддержке
Спарты Тиссаферн рассчитывал наказать своих врагов, которые проживали в Гре-
ции. В результате недолгих переговоров в 412 году в Лакедемоне был заключен
союз между Спартой и Персией на выгодных для царя условиях.
Согласно этому договору, персидскому царю передавались «вся страна и все
города, какими ныне владеет царь и какими владели его предки». По другой ста-
тье, все подати и доходы указанных стран и городов, которые до сих пор полу-
чали Афины, отныне поступали к персидскому царю. «Царь, лакедемоняне и их со-
юзники обязуются общими силами препятствовать афинянам взимать эти деньги и
все остальное». Следующая статья гласила, что войну против Афин должны вести
сообща царь, лакедемоняне и их союзники. Война может быть прекращена только с
общего согласия всех участников договора, т. е. царя и Спартанской симмахии.
Всякий, кто восстанет или отойдет от царя, Спарты или союзников, должен счи-
таться их общим врагом. Текст договора был скреплен подписями Тиссаферна (от
имени Персии) и Халкидея, спартанского наварха, начальника морских сил (от
имени Спарты).
Договор 412 года объяснялся исключительно безвыходным положением Спарты и
вскоре вызвал недовольство самих спартанцев, которые требовали его пересмот-
ра. С другой стороны, и Тиссаферн не вполне точно соблюдал принятое на себя
обязательство — выплачивать содержание лакедемонским моряком. Это привело к
новым переговорам.
В результате в городе Милете между спартанцами и персами был заключен дого-
вор. По сравнению с прежним соглашением Милетский договор был более выгоден
для Спарты. Персидский царь подтвердил свое обязательство поддерживать и оп-
лачивать войско Лакедемонскохю союза, находящееся на персидской территории.
Однако и этот договор не удовлетворил лакедемонян, которые претендовали на
общегреческую гегемонию. В силе оставалась весьма расплывчатая статья, по ко-
торой персидскому царю передавались все города и все острова, какими владел
не только он сам, но и его предки.
«По смыслу этой статьи, — сообщает Фукидид, — лакедемоняне вместо обещанной
всем эллинам свободы вновь наложили на них персидское иго». Спартанцы потре-
бовали устранить эту статью из договора. Это требование разгневало Тиссафер-
на. Персидского сатрапа уже начинал беспокоить твердый тон спартанских дипло-
матов .
С этого времени персидская дипломатия делает поворот от Спарты в сторону
Афин, своего недавнего врага. Советником Тиссаферна на этих переговорах был
афинянин Алкивиад. Он состоял на спартанской службе, но уже тяготился тамош-
ними порядками и подготавливал почву для своего возвращения в Афины.
Алкивиад советовал Тиссаферну вернуться к исконной дипломатии восточных ца-
рей: поддерживать в греческом мире систему политического дуализма и, таким
образом, не допускать чрезмерного усиления ни одного из греческих государств.
Если, говорил Алкивиад, господство на суше и на море в Греции будет сосредо-
точено в одних руках, у персидского царя не будет союзника в эллинском мире,
поэтому в случае обострения отношений с эллинами ему придется вести войну од-
ному с большими расходами и риском. Гораздо легче, дешевле и безопаснее для
Персии предоставить эллинским городам-государствам возможность самим истощать
друг друга. С точки зрения интересов персидской политики, в данный момент це-
лесообразнее поддерживать не спартанцев, а афинян.
Это диктовалось тем соображением, что афиняне стремились подчинить себе
лишь часть моря, предоставляя в распоряжение царя и Тиссаферна всех прочих
эллинов, живущих на царской территории. Между тем в случае перехода гегемонии
к Лакедемонскому союзу спартанцы не только освободили бы эллинов от афинского
гнета, но и, весьма вероятно, пожелали бы также освободить их от персидского
ига.
Алкивиад сделал практический вывод — не торопиться с окончанием войны, ис-
тощить афинян до последней степени, а затем, соединившись с ними, разделаться
и с пелопоннесцами. Он уменьшил жалованье пелопоннесским морякам, по крайней
мере, наполовину.
Своей политикой Алкивиад преследовал, прежде всего, личные цели. Он мечтал
вернуться в Афины и заменить демократический строй республики олигархией. До-
биться этого он и его сторонники надеялись при помощи Тиссаферна и персидской
казны. Предательская деятельность Алкивиада достигла своей цели. Персидская
монархия начала оказывать поддержку Афинам против Спарты.
Катастрофа, постигшая Афины в Сицилийском походе, существенно отразилась и
на их политической жизни. Положение в полисе, который постоянно находился под
угрозой неприятельского вторжения, было тяжелым и напряженным.
Гибель большого числа сторонников демократического строя во время экспеди-
ции на Сицилию, а также в других сражениях Пелопоннесской войны и активная
деятельность организованных в так называемые гетерии (товарищества) олигархов
привели и 411 году до н. э. к политическому перевороту и Афинах.
Под давлением олигархов народное собрание было вынуждено санкционировать
отмену прежнего политического строя и замену его новым — олигархическим. Сущ-
ность этого нового строя заключалась в передаче верховной власти особому «со-
вету четырехсот», состоявшему из самых богатых афинских рабовладельцев.
«Совет четырехсот» должен был управлять государством, созывая по своему ус-
мотрению народное собрание, число участников которого сократилось до 5 тысяч
наиболее зажиточных горожан. Все раздачи должностным лицам из государственной
казны отменялись.
Но даже и эти меры, сводившие к нулю все прежние права большинства афинских
граждан, казались крайним афинским олигархам, возглавляемым Антифонтом, Пи-
сандром и Фринихом, недостаточными. Они были вообще против созыва собрания
пяти тысяч. В области внешней политики радикальные олигархи настаивали на не-
медленном заключении мира со Спартой.
Большая часть приверженцев прежнего, демократического строя находилась в
это время в афинском флоте, который базировался у острова Самос. Вести о про-
исшедших в Афинах переменах были встречены моряками с возмущением. Узнав о
настроениях в афинском флоте, Алкивиад, который в это время находился в Пер-
сии, и у которого отношения со спартанцами успели испортиться, вступил в пе-
реговоры с моряками.
Эти переговоры закончились провозглашением Алкивиада командующим флотом.
Тем временем олигархи в Афинах не сумели добиться мира со Спартой, поскольку
последняя выдвинула совершенно неприемлемое даже для олигархического «совета
четырехсот» требование о полном роспуске Афинского союза. Тогда олигархи
вступили на путь прямой измены и начали подготавливать капитуляцию Пирея.
Однако их намерения были разгаданы представителями более умеренного олигар-
хического направления, возглавляемого Фераменом. Фриних был убит, и власть
перешла к группировке Ферамена. Последовавшее затем поражение при Эретрии
снаряженного олигархами флота и восстание против Афин на Эвбее окончательно
подорвали престиж олигархического правительства.
Вскоре после этих событий в Афинах был полностью восстановлен демократиче-
ский строй. Были возобновлены раздачи государственных пособий беднейшим граж-
данам. Афинский флот под командованием Алкивиада направился к Геллеспонту,
где нанес ряд поражений спартанцам. Эти победы увенчались восстановлением
власти афинян над Халкедоном и Византией. Они обеспечили подвоз в Афины чер-
номорского хлеба. При таких условиях Алкивиад мог спокойно возвратиться в
Афины, где он был торжественно встречен всем населением города и избран стра-
тегом с широкими полномочиями.
Спустя некоторое время обстановка на театре военных действий изменилась не
в пользу афинян. Младший сын царя персов Дария II Кир, получивший в свое
управление малоазийские сатрапии, стал оказывать щедрую поддержку Спарте.
Спартанский флот возглавил талантливый наварх (командующий флотом) Лисандр.
В 408 году до н. э. афиняне потерпели поражение в морском сражении у мыса
Нотия. Хотя Алкивиад непосредственно и не командовал афинскими кораблями в
этом сражении, все же афиняне заподозрили его в каких-то новых политических
маневрах и отстранили от должности стратега. На этом политическая карьера Ал-
кивиада закончилась. Он уехал сначала на Херсонес Фракийский, а потом во Фри-
гию, где вскоре был убит.
Ряд мер, проведенных в Афинах в последние годы войны, свидетельствовал о
крайне напряженном положении в республике. Был отменен известный закон Перик-
ла о составе афинского гражданства, так как при огромной убыли населения по-
требность в нем отпала. По той же причине рабов стали использовать в качестве
гребцов на военных кораблях, тогда как раньше их использовали преимущественно
на торговых кораблях.
Вызванный войной упадок экономической жизни Афин заставил правительство
пойти на такую меру, как диобелия — ежедневная выдача из казны гражданам, ко-
торые не имели постоянного заработка, пособия в сумме 2 оболов. В 406 году до
н. э. афинский флот одержал последнюю победу над пелопоннесским флотом в сра-
жении у Аргинусских островов.
Однако после этого сражения командовавшие флотом афинские стратеги в ре-
зультате происков их политических врагов были преданы суду. Их обвинили в
том, что они якобы сознательно не подобрали тонущих в море сограждан и не
предали погребению убитых. Стратеги были приговорены к смертной казни. Это
событие сильно ослабило моральный дух афинских моряков.
Хорошо понимая, какое значение имеет для афинян Геллеспонт, в 405 году до
н. э. Лисандр сосредоточил свои военные силы у этого пролива. Афинский флот
также находился в Геллеспонте, избрав местом своей стоянки устье небольшой
реки Эгоспотамы.
Падение воинской дисциплины в афинском флоте к этому времени было настолько
велико, что значительная часть афинских гребцов и воинов рассеялась по бере-
гу, а корабли находились без надлежащего военного охранения. Воспользовавшись
этим обстоятельством, Лисандр внезапно напал на афинский флот и нанес ему со-
крушительное поражение. Из 180 афинских кораблей около 170 было захвачено
спартанцами. Только нескольким кораблям удалось уйти в море. Все взятые в
плен афинские моряки были казнены.
Поражение при Эгоспотамах окончательно подорвало военную мощь афинян. От
этого удара Афины уже не могли оправиться. К тому же враг не давал афинянам
возможности опомниться. Вскоре пелопоннесское сухопутное войско и флот блоки-
ровали Афины.
Находившаяся еще у власти радикальная демократия, которую возглавлял Клео-
фонт, предпринимала героические попытки отстоять город. Был принят закон, ко-
торый грозил смертной казнью всякому, кто заговорит о мире. Но положение ста-
новилось безвыходным. В отрезанном от внешнего мира городе начались голод и
болезни.
Олигархическим группировкам Афин, влияние которых все более усиливалось,
удалось добиться казни Клеофонта. Осада Афин продолжалась несколько месяцев.
Но, в конце концов, истощенные голодом афиняне сдались на милость победителя.
Коринф, Фивы и другие наиболее враждебно настроенные по отношению к Афинам
города потребовали полного их разрушения и поголовной продажи афинского насе-
ления в рабство.
Однако Спарта не была заинтересована в чрезмерном усилении своих союзников.
Она настояла на сохранении Афин в качестве своего рода противовеса Коринфу и
Фивам. Тем не менее заключенный в 404 году до н. э. мир был для афинян очень
тяжелым.
Согласно условиям мира, распускался Афинский морской союз. Афиняне лишались
права иметь флот, за исключением 12 сторожевых кораблей. Разрушались «Длинные
стены» и укрепления Пирея. Афины теряли все свои прежние владения, кроме тер-
ритории самой Аттики и острова Саламин. Афины обязывались вступить в союз со
Спартой, признав ее гегемонию. Наконец, специально оговаривалось, что афиняне
должны вернуть изгнанников и восстановить «строй отцов».
Последнее несколько неясно сформулированное требование спартанцы расшифро-
вали в том смысле, что передали власть над Афинами олигархическому правитель-
ству «тридцати тиранов». Демократический строй в Афинах уже в который раз от-
менялся .
То же самое произошло во многих других греческих полисах, в которых спар-
танцы посадили своих наместников и олигархические правительства. В состав
правительства «тридцати тиранов» в Афинах пошли крайне радикальные олигархи
во главе с Критием, которые в свое время участвовали в перевороте 411 года, а
также несколько более умеренных олигархов, возглавляемых Фераменом.
«Тридцать тиранов» назначили совет в составе 500 человек и ограничили число
полноправных граждан до 3000. Деятельность правительства фактически свелась к
массовому беспощадному террору, направленному против демократов. Вскоре нача-
лась борьба между самими тиранами. Ферамен выступил против Крития, однако по-
следний добился его казни.
Разногласия дошли до гражданской войны. Вернулись изгнанные ранее из Афин
сторонники демократического строя во главе с Фрасибулом. С помощью населения
Пирея и самих Афин они вынудили тиранов бежать в Элевсин. Некоторое время в
Аттике одновременно существовали три правительства — демократов в Пирее, уме-
ренно-олигархическое (затем сменившееся умеренно-демократическим) в Афинах и
крайних олигархов в Элевсине.
Олигархи обратились за помощью к Спарте, и Лисандр выступил в поход. Но так
как эфоры и царь Павсаний опасались чрезмерного усиления Лисандра, его дейст-
вия были приостановлены. После этого правительства, находившиеся в Пиреях и
Афинах, объединились, а элевсинская группировка пала. В 403-402 годах в Афи-
нах был восстановлен прежний демократический строй.
Так завершилась ожесточенная 27-летняя война. Главная причина поражения
Афинской морской державы заключалась в том, что она жила за счет эксплуатации
населения многих других греческих полисов. Любую военную неудачу афинян союз-
ники стремились использовать для восстановления своей независимости. Нагляд-
ным примером может служить отпадение ряда афинских союзников после катастрофы
в Сицилии, которая в известной мере предрешила окончательное поражение Афин.
Определенную роль сыграло и то, что против Афин выступил не только Пелопон-
несский союз, но и города греческого Запада. К тому же противники Афин зару-
чились материальной поддержкой со стороны Персидской державы, располагавшей
огромными денежными и военными ресурсами.
Греческие
города-государства
в IV веке до нашей эры
Сразу по окончании изнурительной Пелопоннесской войны города-государства
Эллады вступили в период хронических потрясений — военных и социально-
политических. Эти события знаменовали собой кризис полиса как особой, типич-
ной для Древней Греции формы государства.
Важнейшей экономической предпосылкой кризиса был интенсивный процесс кон-
центрации земли, оборотной стороной которого являлось растущее разорение и
обезземеливание крестьянства. Необычайно усиливается имущественное расслоение
общества — единство граждан, составлявшее основу полиса, теряет былую проч-
ность .
В связи с разорением большой части граждан значительно снизилась числен-
ность и боеспособность гражданского ополчения. Это подрывало основу военного
могущества греческих полисов. Соответственно усиливалась потребность в наем-
ных войсках, которые вербовались из тех же разорившихся граждан.
Не имея возможности обеспечить себе средств к существованию, бедняки и по-
литические изгнанники охотно шли в наемные войска соседних полисов или даже
Персии. Наемничество означало разрыв с традициями свободного и демократиче-
ского полиса, поскольку наемники легко превращались в орудие политических и
военных авантюр. Такие предводители наемных войск, как Тимофей, Ификрат и
другие, были тесно связаны с всемогущим афинским богачом и ростовщиком Пасио-
ном.
Собранные с населения или конфискованные в храмах крупные суммы постоянно
пускались на военные предприятия. Во главе предприятий часто становились бо-
гатые люди, которые имели широкие связи с торговыми и ростовщическими круга-
ми. Чем более развивался денежный оборот, тем беспощаднее и решительнее ста-
новилось применение оружия в целях добывания средств.
Другой чертой кризиса античных государств являлось дальнейшее развитие ра-
бовладельческих отношений и все более глубокое проникновение рабского труда в
основные сферы производства. В полосу кризиса греческие города-государства
вступили далеко не одновременно. В первую очередь его воздействие ощутили на
себе наиболее развитые полисы, тогда как ранее отсталые общины Греции, напри-
мер города Беотийскохю союза, выйдя из-под опеки сильных государств, начали
развиваться более интенсивными темпами. Некоторые из них превратились в круп-
ные экономические и политические центры.
Одним из основных источников пополнения числа рабов стали войны между поли-
сами. Так, например, во время Пелопоннесской войны были проданы в рабство
женщины и дети Платей, Мелоса, Иаса и других местностей.
Сфера применения труда рабов беспрерывно расширялась. Характерно, что все
сведения о мастерских, в которых труд рабов эксплуатировался в широких мас-
штабах, относятся именно к IV веку. Так, известно, что в мастерской, принад-
лежавшей отцу афинского оратора Лисия, работало 120 рабов — небывалая для то-
го времени цифра. В мастерской отца другого афинского оратора — Демосфена ра-
ботало 63 раба.
Широкое использование труда рабов в сельском хозяйстве также относится к IV
веку. В хозяйствах таких крупных землевладельцев, как Эпикрат, состояние ко-
торого исчислялось в 600 талантов, или Каллий, стоимость имущества которого
равнялось 200 талантам, применялся и труд рабов. Однако эксплуатация рабов в
сельском хозяйстве Аттики считалась недостаточно выгодной с точки зрения са-
мих землевладельцев.
Увеличилось число рабов, эксплуатируемых на горных работах, например в при-
надлежавших Афинской республике Лаврийских серебряных рудниках. Как уже гово-
рилось, в Афинах издавна практиковалась сдача внаем отдельными рабовладельца-
ми принадлежавшим им рабов крупными партиями в 300, 600 и даже 1000 человек
подрядчикам.
В трактате «О доходах», написанном в первой половине IV века Ксенофонтом,
сообщается, что «никто теперь из владеющих рабами в рудниках не уменьшает
числа их, но всегда приобретает как можно больше новых, и это оправдывается
тем, что каждый такой отданный в аренду раб ежедневно дает своему владельцу
один обол чистого дохода».
Со страниц трактата Ксенофонт советовал и государству заняться приобретени-
ем рабов и использованием их труда на рудниках. По его подсчетам, если коли-
чество таких рабов будет доведено до 10 тысяч, то доход государства от их
эксплуатации достигнет 100 талантов.
В IV веке до н. э. в Элладе ощущается потребность в разработке практических
приемов эксплуатации рабского труда, а также в теоретическом обосновании раб-
ства, так как рабы играют большую роль в производстве и хозяйственной жизни
Греции. Тот же Ксенофонт рекомендовал применять по отношению к рабам такие же
приемы «воспитания», как и к животным, ибо, «угождая влечениям их желудка,
можно добиться от них многого».
Знаменитый греческий философ Платон в сочинении «Законы» говорил о распро-
страненном в Греции воззрении, согласно которому «породе рабов» не следует ни
в чем доверять и воздействовать на них «стрекалом и бичом». Платон при этом
сетует на тех, кто «безрассудно изнеживает рабов» и «этим только делает более
трудной их подчиненную жизнь, да и самим себе затрудняет управление ими».
Другим не менее знаменитым философом — Аристотелем была даже разработана
целая теория о разделении людей по самой их природе на свободных и рабов.
«Одни, — писал Аристотель, — естественно являются свободными, а другие — ес-
тественно рабами и... по отношению к этим последним рабское положение столь же
полезно, как и справедливо». К числу рабов Аристотель относил всех «варва-
ров», т. е. чужеземцев, негреков. По его мнению, раб по своей природе «совер-
шенно лишен воли» и нравственных чувств, ибо «если предположить в рабах лич-
ные достоинства, то в чем же будет их отличие от свободных людей?»
На афинском хозяйстве, особенно сельском, Пелопоннесская война отразилась
самым пагубным образом. Многократные и опустошительные вторжения врага на
территорию Аттики, во время которых было сожжено и уничтожено множество селе-
ний, вырублены оливковые рощи, истреблены виноградники и погиб от бескормицы
почти весь скот, вконец разорили аттическое крестьянство.
Очень многие из переживших войну землевладельцев Аттики не вернулись в свои
разоренные хозяйства, так как у них не было средств на их восстановление.
Продав свои земельные участки за полцены, крестьяне уходили в город. Однако
лишь некоторые из них могли найти применение своим силам, так как афинское
ремесленное производство и торговля находились в состоянии полнейшего застоя.
Война на много лет парализовала торговлю большинства греческих полисов, по-
скольку плавание вдоль неприятельских берегов или в контролируемых вражескими
флотами водах было очень опасным. Все это на долгое время лишило афинских ре-
месленников возможности сбывать свои изделия за морем. Обнищание населения и
падение его покупательной способности значительно снизили спрос на ремеслен-
ные изделия и в самих Афинах.
Это положение почти не изменилось к лучшему и после окончания военных дей-
ствий. В государствах, которые меньше других пострадали от изнурительной вой-
ны, сократился спрос на изделия афинского ремесла. Во время войны волей-
неволей они должны были удовлетворять свою потребность в ремесленных изделиях
собственными средствами, и теперь многие из них располагали достаточно разви-
тым ремесленным производством.
После Пелопоннесской войны морские торговые пути вообще изменили прежнее
направление. После военного разгрома Афины утратили былое значение крупнейше-
го узлового торгового центра всей Эллады. Поток товаров, проходивших через
Пирей, значительно уменьшился.
Одновременно в Афины хлынули афинские клерухи, которых после роспуска Афин-
ского морского союза по мирному договору 404 года согнали с территорий бывших
союзников. В результате этого наплыва количество неимущих граждан превышало в
то время половину всего населения Афин.
Наряду с этим многие богатые предприниматели умудрились не только сохра-
нить , но даже приумножить свое состояние. Значительная часть средств, которые
затратили воюющие государства на покрытие военных расходов, попала в руки
всякого рода подрядчиков, хозяев оружейных мастерских, судовладельцев и т. п.
В обстановке упадка сельского хозяйства и ремесла обогатившиеся на военных
поставках дельцы пускались во всевозможные спекуляции и занимались ростовщи-
чеством. В одной из своих речей афинский оратор Лисий упоминает о махинациях
хлебных спекулянтов, которые скупают хлеб для того, чтобы затем поднять на
него цену. Аристотель сообщает об одном торговце в Сицилии, который нажил 30
талантов на спекуляции железом.
Многие скупали у разорившихся крестьян землю. Именно в это время в Аттике
широко развертывается процесс концентрации земель, столь характерный для пе-
риода кризиса полиса.
Руководящая роль в эллинском мире после разгрома Афин закономерно перешла к
Спарте как главе Пелопоннесского союза. Военный и политический вес этого по-
лиса во многом определялся относительной сплоченностью спартиатов.
Однако в IV веке до н. э. положение в Спарте существенно изменилось. Госу-
дарственная форма собственности на землю начинает разлагаться. Усиливается
социальное расслоение «общины равных». В последние годы Пелапоннесской войны
благодаря щедрым персидским субсидиям, растущих прямо пропорционально военным
успехам, Спарта обзавелась собственным флотом.
Помимо греческих денег в руки спартанской знати попадала богатая военная
добыча. По словам философа Платона, «одного только золота и серебра в частном
владении во всей Греции нельзя было найти столько, сколько его стало в одном
Лакедемоне». В таких условиях древние спартанские законы, предписывавшие всем
спартиатам иметь одинаковые участки земли, пользоваться только железными
деньгами и запрещавшие ввозить в Спарту золото и серебро, стали постоянно на-
рушаться .
Вскоре эти законы были отменены официально. Реформой эфора Эпитадея около
400 года до н. э. спартиатам было разрешено дарить земельные участки или пе-
редавать их по завещанию. Эта реформа фактически санкционировала и вместе с
тем ускорила процесс концентрации земли. Задолжавшие спартиаты продавали свои
земельные участки под видом дарения или передачи по завещанию.
Появилось большое количество неимущих. Поскольку тот, кто не имел тяжелого
вооружения и не был участником совместных трапез — фидитий, автоматически ли-
шался политических прав, число граждан стало катастрофически сокращаться. Ес-
ли Спарта в 480 году могла выставить на поле боя свыше 8 тысяч гоплитов, то в
371 году она располагала лишь 1500-2000 гоплитов.
В обществе спартиатов возникли новые деления. Те, кто сохранил свой земель-
ный участок, стали называться гомеями (равными), кто разорился — гипомейонами
(меньшими). Фактически за гипомейонами сохранилось лишь право участвовать в
народном собрании, роль которого в политической жизни Спарты и раньше была
невелика. В связи с появлением нового органа управления в Спарте — малой экк-
лесии, куда допускались только гомеи, значение народного собрания упало еще
больше. Такое имущественное расслоение неизбежно вело к обострению социальной
борьбы.
В 399 году до н. э. спартанец Кинадон, опираясь на разорившихся и недоволь-
ных существующими порядками граждан, попытался свергнуть власть олигархов.
Ксенофонт сообщает, что замыслы заговорщиков «совпадали со стремлениями всех
илотов, неодамодов (освобожденных илотов), гипомейонов и периэков». Однако
заговор Кинадона был раскрыт, а сам он казнен.
В правящей среде Спарты также начался острый разлад. В ней четко обозначи-
лись две противоборствующие группировки.
Одна из них, консервативная, во главе которой стоял царь Агесилай, всячески
стремилась сохранить стародавние порядки и, в частности, выступала против ак-
тивной внешней политики, ибо считала ее гибельной для Спарты. Вторую группи-
ровку возглавлял Лисандр. Он и его единомышленники, напротив, выступали за
решительное изменение прежних порядков, которые не отвечали интересам крупных
землевладельцев. Они ставили своей целью укрепление спартанской гегемонии над
всем эллинском миром.
Далеко не одинаковым было состояние и других греческих городов-государств.
Так, например, хотя Коринф и вышел победителем из Пелопоннесской войны, поло-
жение в этом полисе в начале IV века до н. э. вряд ли было лучше, чем в Афи-
нах. В ходе войны между Коринфом и Спартой, начавшейся вскоре после окончания
Пелопоннесской войны, коринфская территория подверглась не меньшим опустоше-
ниям, чем в свое время Аттика.
В самом Коринфе кипела социальная борьба. В 392 году недовольство рядовых
граждан олигархическими порядками вылилось в кровавое столкновение на улицах
города.
Спустя двадцать лет подобные события произошли в Аргосе, где толпа горожан
дубинами перебила 1200 аристократов, заподозрив их в подготовке олигархиче-
ского переворота.
Несколько иным было положение в Средней Греции, например в Беотии. Товарное
производство, ремесла, торговля, рабовладельческие отношения здесь были раз-
виты слабее, чем в передовых городах-государствах Греции. Большую часть насе-
ления этой области составляло крестьянство.
Во время греко-персидских войн беотийская родовая знать жестоко поплатилась
за свой переход на сторону персов. После сражения при Платеях греческие союз-
ники предприняли поход против Фив с целью наказать фиванскую аристократию за
измену. В результате похода много знатных фиванцев было уничтожено. С их пре-
обладанием в политике было навсегда покончено.
Однако после этого политическое преобладание перешло не к беотийскому демо-
су, а к так называемым всадникам — средним и крупным землевладельцам неари-
стократического происхождения, способным содержать коня и приобрести полное
всадническое вооружение.
Хотя в середине V века до н. э. власть беотийских всадников в результате
вмешательства Афин во внутренние дела Беотии была на время поколеблена и в
ряде городов на короткий срок утвердилась демократия, всадникам все же уда-
лось восстановить свое положение во всех городах Беотийского союза.
Восходивший своими корнями к древней племенной федерации Беотийский союз
приобрел ко времени Пелопоннесской войны черты более тесного объединения по-
лисов. Его возглавляли общие для всей Беотии органы — союзный совет, считав-
шийся верховным органом союза; коллегия так называемых беотархов, наделенных
функциями военной и гражданской власти; союзный суд, разбиравший конфликты
между городами и дела по преступлениям против союза.
Местопребыванием всех этих органов были Фивы. В этом же городе была сосре-
доточена чеканка монеты для всего союза. В области внешнеполитических взаимо-
отношений правительство Беотийского союза придерживалось проспартанской ори-
ентации. Во время Пелопоннесской войны беотийские города-государства активно
участвовали в военных действиях против Афин.
Однако после окончания войны обстановка существенно изменилась. Афины не
могли больше угрожать Беотии. Политика же бывшего ее союзника — Спарты, кото-
рая открыто стремилась подчинить всю Грецию, не сулила беотийским государст-
вам ничего хорошего.
Во внутренней жизни Беотии к этому времени наметились важные сдвиги. Сель-
ское хозяйство по-прежнему составляло основу ее экономики. Но наряду с зерно-
выми культурами все большее развитие получали виноградарство, разведение пло-
довых деревьев, огородничество — те отрасли сельского хозяйства, которые да-
вали значительную по сравнению с хлебопашеством, товарную продукцию.
Товарно-денежные отношения за это время успели довольно глубоко проникнуть
в экономический быт крестьянства и других слоев беотийского общества. Прямым
следствием всех этих перемен в экономической жизни Беотии, а также во внешне-
политической обстановке было обострение социально-политической борьбы во всех
ее городах.
Беотийское крестьянство и демократические элементы городского населения те-
перь перешли в наступление против всадников, которые продолжали придерживать-
ся спартанской ориентации. Всадники потерпели поражение и были вынуждены вы-
пустить власть из своих рук.
В Беотийском союзе утвердилось умеренно олигархическое правительство, на-
строенное враждебно по отношению к Спарте. Оно сразу же повело политику сбли-
жения с побежденными Афинами. Бежавшие в Беотию от преследований «тридцати
тиранов» афинские эмигранты были здесь встречены с большим радушием.
Однако положение нового правительства отнюдь не было прочным. Политическая
борьба в Беотии развивалась с нарастающей силой и шла с переменным успехом
для участвовавших в ней сторон.
г$}Ъ
\
Псония
\
V
2*
Фракия
^. Линкестида^а*ед
г *: • \
у ' Эматия <Ь ,
Орестида М*т**а 4^Cw"P#
>• Эордия УЬцдаа*
-. \ , ** Пиерия
Эпир1 ч Элимия
Эиои
ль - Абдеры
нллил ф
?рия Потмдея*
T<p**fvt*iJJ
Фдсос
С*мофр*иия
Имброс
Одрио
1
• Эмм
rtfMtih Ctммбрмя Византии
и*юс* * ••Хаяящом
Перимф
Астм
л<- • Кардия
*v • •Ламясаа
Сест*# Эгооиламы
Кернирл
М'нда Скиома
Феры* Пагасы
Лемнос
• Сигея
Теи*до<
• Амбралиа
'Оре*
Леанддд
Ксфаллемия
у
^Этолия -
7 + * «"Г/ УХ!-!. Хжякида
ДИамакт. • 0 • Ф**ы ♦ #>р||1рИЯ
•Патры «•*••». танагра
Эгейское море
Лесбос
. «Скирос
Ассы
Митмлсиа
Фокея. _
# •Персам
Ахаия a/^apt?*11**1 Д«т" . • Парка
~Эямда • лиияои* ♦ ••Афины Ahado<
ЭЛИДА Ma|miMM Коринф С-^омин
• Олимпия • • Аргос
Эти j
Андро< •
к#ог
Хиосе' *• • •СшРяа
Хиос Зритры Кяамисим
•иж.Кмофои
#Н«1*и
#Эф«с
Самое* • Иапякия
•Бассы •
Мессения Спарта
Лакония
Деяос
Нщос
Парос.» •
Т«мо<
Ммком*
V
Мияег>
• Нас
Гали каркас
Сифмо<
Мел<х
Кос
• Кос
Киид •
*.Киф«ра
Иалис •*•*< Ки*о«е**о
Родос
Линд
Карпато<
Крит
100 км
Карта Древней Греции (V-IV вв. до н.э.)
Несмотря на пережитые во время Пелопоннесской войны тяжелые потрясения, су-
мели восстановить свое благосостояние некоторые из греческих полисов мало-
азийского побережья. Так, например, Эфес благодаря своей торговле с внутрен-
ними областями Малой Азии вскоре стал еще богаче, чем был до войны.
Не менее любопытна в этом отношении судьба Византия. Этот город входил в
состав Афинского союза, и его гражданам пришлось в полной мере испытать все
бедствия войны. Дважды Византии поднимал восстания против Афин и отделялся от
них. Потом ему пришлось пережить гнет спартанской оккупации. Транзитная тор-
говля через пролив, не только обогащавшая купцов и городскую казну, но и кор-
мившая многих работавших в гавани рядовых граждан, замерла.
Восстало полузависимое от Византия окрестное фракийское население. Многие
из граждан Византия разорились, потеряв свои торговые и ремесленные предпри-
ятия, земельные участки, работу в порту. Однако в столь бедственном положении
Византии находился лишь в течение первого десятилетия IV века до н. э. В кон-
це этого десятилетия, когда спартанская гегемония была сломлена, граждане Ви-
зантия изгнали из своего города спартанского наместника, свергли посаженное
спартиатами олигархическое правительство, восстановили демократический строй
и возобновили старые торговые связи с Афинами.
Одновременно Византии наладил отношения и с рядом других торговых центров —
Самосом, Эфесом, Книдом. Экономическая жизнь в городе с этого времени начина-
ет быстро возрождаться. Через пролив снова пошел причерноморский хлеб и дру-
гие виды экспортируемых в Грецию товаров. Особенно большие выгоды принесли
Византию торговые связи с Родосом — новым, быстро растущим торговым центром,
который был чрезвычайно заинтересован в доставке своих товаров через Геллес-
понт и расширении торговой деятельности в причерноморских странах.
О широких торговых связях Родоса с припонтийскими областями свидетельствуют
многочисленные находки родосской керамики на всем побережье Черного моря. Ко-
личество родосских кораблей, приплывавших в Византии, значительно превышало
количество кораблей, которые прибывали сюда из других торговых городов Гре-
ции.
Существенную роль в византийской торговле начинает играть и торговля раба-
ми. Взимаемые Византией со всех провозимых через пролив товаров пошлины быст-
ро пополнили его городскую казну. Сбор этих пошлин в Византии, как и в других
греческих государствах, сдавался на откуп, что очень обогащало занимавшихся
этими операциями византийских граждан. По всем имеющимся данным, в Византии
получили широкое развитие всякого рода денежные, кредитные и ростовщические
операции.
В IV веке до н. э. за счет захвата земель местного фракийского населения
значительно расширилась принадлежавшая Византию территория. Эксплуатация это-
го населения также способствовала росту богатств верхнего слоя византийских
граждан. Но обогащение отдельных торговцев, ростовщиков, крупных рабовладель-
цев и земледельцев сопровождалось здесь, как и всюду, обнищанием рядовых гра-
ждан.
Это вело к обострению социальных противоречий. Недаром побывавший в Визан-
тии Ксенофонт обратил внимание на то, что «византийцы не согласны между собой
и смотрят друг на друга врагами».
Интересно сложилась судьба греческих полисов в Северном Причерноморье. Пе-
лопоннесская война не только не принесла им опустошений и других бедствий во-
енного времени, но в некотором отношении оказалась для них выгодной. Так, по-
сле сицилийской катастрофы повысился спрос на северочерноморский хлеб, кото-
рый вывозился через эти города.
Обусловленные войной перерывы в торговых сношениях с Центральной Грецией
способствовали развитию в северопонтийских городах собственного ремесленного
производства, которое вскоре достигло значительных успехов. IV век, который
для многих полисов Центральной Греции был веком кризиса и тяжелых потрясений,
явился для северочерноморских городов временем максимального подъема экономи-
ческой жизни, периодом расцвета.
Со времени колонизации в Северном Причерноморье сложились три главных эл-
линских центра — Ольвия, Херсонес и Пантикапей. Ольвия уже в V веке до н. э.,
когда ее посетил Геродот, была большим и процветающим городом. Часть ее жите-
лей занималась на прилегающей к городу территории земледелием, но особенно
была развита торговля.
Ольвийская керамика и надписи свидетельствуют о постоянных и прочных связях
Ольвии с другими причерноморскими городами и средиземноморскими полисами.
Значительная часть товаров, которые ввозились в Ольвию из Греции, перепрода-
валась местному населению или выменивалась на зерно и другие продукты. Жители
Ольвии — ольвиополиты, в свою очередь, вывозили в Грецию хлеб, сырье и рабов.
О размахе торговых операций Ольвии свидетельствует и то обстоятельство, что
Ольвия начинает регулярно выпускать свои денежные знаки со второй половины IV
века до н. э., раньше многих других греческих колоний. К первой половине IV
века до н. э. относится дошедший до нас декрет из Ольвии, который устанавли-
вал определенные правила обмена монет других городов на ольвийские деньги и
обеспечивал привилегированное положение ольвийской монете.
Экономические предпосылки для сношений Ольвии с окружавшим город населением
создала постоянная потребность ольвиополитов в зерне и сырье для сбыта. На
этой почве развивался процесс ассимиляции. Геродот называет ближайшее к Оль-
вии племя каллипидов эллино-скифами. Надписи последующего времени сообщают о
миксэллинах — смешанных эллинах.
Об этом же процессе свидетельствуют археологические данные — раскопки оль-
вийского некрополя VI и V веков обнаружили наряду с погребениями греков зна-
чительное количество местных погребений; а также могилы, содержащие греческий
и местный инвентарь. Яркий образ эллинизованного «варвара» из среды племенной
знати встает в рассказе Геродота о скифском царе Скиле, который усвоил грече-
ские обычаи и религию и помногу месяцев проживал в Ольвии в своем выстроенном
на греческий лад доме.
Политическое устройство Ольвии было типично греческим. Здесь существовали
народное собрание, совет и выборные должностные лица. Как и во всех рабовла-
дельческих полисах, участвовавшие в этих органах управления граждане состав-
ляли в Ольвии привилегированное меньшинство. Ни проживавшие в Ольвии выходцы
из других греческих городов, ни миксэллины не пользовались политическими пра-
вами. Исключение в этом отношении составляли граждане ольвийской метрополии
Милета, которые на основе особого договора пользовались равными правами с
ольвиополитами.
Херсонес был единственным в Северном Причерноморье дорийским полисом, осно-
ванном в конце V века выходцами из Гераклеи Понтийской. В отличие от Ольвии
основную роль в экономической жизни Херсонеса играла не столько торговля,
сколько сельское хозяйство — хлебопашество и виноградарство.
Гераклейский полуостров, на котором находился Херсонес, был защищен от со-
седей-тавров целой системой укреплений, представлявших собой своеобразный тип
усадеб-крепостей. Мощные стены и башни вокруг самого города свидетельствуют о
том, что опасность нередко угрожала ему не только со стороны тавров, но и со
стороны воинственных скифских племен степного Крыма.
Помимо Гераклейского полуострова Херсонесу принадлежали также земли на за-
падном побережье Крыма, где находились подвластные ему Керкинитида и так на-
зываемая Прекрасная гавань. Все эти земли были собственностью либо граждан,
обрабатывавших их с помощью рабов, либо государства. В последнем случае земли
сдавались в аренду или на откуп.
Наряду с хлебопашеством и виноградарством в экономической жизни Херсонеса
известную роль играли также животноводство, рыбный и соляной промыслы. Хозяй-
ство Херсонеса в IV веке до н. э. уже имело черты товарного производства.
Часть сельскохозяйственной продукции шла на рынок.
Так, из Херсонеса вывозились вино, соль и рыба, ввозились туда главным об-
разом изделия художественного ремесла, оружие, ткани. Благодаря торговле у
Херсонеса установились особенно прочные связи с его метрополией — Гераклеей,
а также Родосом, Фасосом и рядом других торговых городов.
В результате археологических исследований на территории города были обнару-
жены различные виды херсонесского ремесла, которые свидетельствовали о нали-
чии керамического и металлообрабатывающего производства, ткачества и пр. По
своему политическому устройству Херсонес, как и Ольвия, представлял собой де-
мократическую рабовладельческую республику с обычными для нее органами вла-
сти.
До наших дней дошел текст присяги херсонесских граждан. Он датируется кон-
цом IV — началом III века до н. э. Это была не обычная присяга, произносимая
греческими юношами при получении гражданских прав, а скорее чрезвычайная
клятва, вызванная какими-то очень тревожными обстоятельствами, возможно,
внешнеполитического характера.
Присягавший клялся в том, что он не замыслит ниспровержения демократическо-
го строя, не примет участия в заговоре, не предаст Херсонеса и его владений
«ни эллину, ни варвару». Текст присяги свидетельствует, что и в причерномор-
ских полисах кипела такая же острая политическая борьба, как и в городах-
государствах Балканской Греции.
Греческие полисы на берегах Керченского пролива назывались Боспором Кимме-
рийским. В 80-е годы V века до н. э. они были объединены под властью наслед-
ственных архонтов города Пантикапея (он находился на месте современной Керчи)
— Археанактидов.
На основе этого объединения возникло крупное государство, которое в даль-
нейшем включило в свой состав помимо греческих полисов области, населенные
местными меотскими и скифскими племенами. Первоначально территория Археанак-
тидовского Боспора была невелика. Расширение ее начинается лишь после перехо-
да власти от Археанактидов к новой династии — Спартокидов (438-437 годы — II
век до нашей эры).
В годы правления Сатира I (407-389) — одного из представителей этой дина-
стии — было предпринято завоевание Феодосии, которая стала одним из важнейших
центров боспорского хлебного экспорта. При Левконе I (389-349) Боспору уда-
лось подчинить и местные меотские племена на таманской стороне пролива.
В IV веке до н. э. Боспорское государство занимало территорию всего Керчен-
ского полуострова, который в древности представлял собой группу островов, об-
разуемых дельтой Кубани. На этом берегу боспорские владения простирались
вплоть до современного Новороссийска.
На северо-востоке сфера влияния Боспора достигала устья Дона, где находился
подвластный ему город Танаис со смешанным греко-меотским населением. Господ-
ство над обоими берегами пролива способствовало освоению природных богатств
этого края и обеспечивало широкие возможности для вывоза товаров. Со второй
половины VI века до н. э. Пантикапей, как и Ольвия, начинает регулярный вы-
пуск своей монеты.
В IV веке до н. э. Боспорское царство вело оживленную торговлю со всем эл-
линским миром, но главным торговым партнером для него по-прежнему оставались
Афины. Ежегодный экспорт боспорского хлеба в Афины в середине IV века дости-
гал 400 тысяч медимнов (около 16 тысяч тонн). В свою очередь из Афин, Корин-
фа, Родоса, Фасоса, Хиоса, Коса и других мест импортировались ткани, вино,
оливковое масло, металлические и ювелирные изделия и т. д.
Основу боспорской экономики составляло сельское хозяйство. Плодородные зем-
ли Восточного Крыма, Придонья и Прикубанья обрабатывались местным населением,
а также греками. От местного населения боспорские правители получали частично
путем скупки, частично в форме дани нужный для экспорта хлеб. Наряду с земле-
делием на Боспоре были развиты скотоводство и рыбный промысел, а в городах —
ремесло.
Наглядное представление о богатствах, сосредоточенных в руках боспорской
знати, дают монументальные боспорские погребения, которые поражают роскошью
инвентаря. Эта знать возглавлялась Спартокидами, которые сами были крупнейши-
ми землевладельцами и экспортерами боспорского хлеба и сырья.
Рабы на Боспоре эксплуатировались не только в крупных землевладельческих
хозяйствах, но и в ремесленных мастерских, например в государственном произ-
водстве кровельной черепицы.
Формально власть Спартокидов носила монархический характер. Они располагали
наемными войсками и управляли отдельными частями государства с помощью наме-
стников . Однако центральной власти приходилось считаться как с греческими го-
родами, сохранившими в урезанном виде автономию, так и с местными племенными
традициями. Это наложило на государственный строй Боспора черты двойственно-
сти. Спартокиды официально именовали себя архонтами (правителями) по отноше-
нию к боспорским городам и царями по отношению к подчиненным племенам. Родо-
начальником династии Спартокидов был фракиец. Тем не менее, эта негреческая,
хотя и в значительной степени эллинизированная, династия была тесно связана с
местной племенной знатью.
К этому времени процесс смешения греческого населения с местным дал на Бос-
поре заметные результаты. В состав господствующего класса наряду с верхним
слоем греческого населения городов вошли теперь и представители местной пле-
менной знати. Таким образом, Боспор стал уже не греческим, а греко-туземным
государством, что наложило отпечаток на все стороны его экономической, соци-
альной и культурной жизни. В этом отношении Боспор имел много общих черт с
государствами последующего, эллинистического периода. В конце IV века до н.
э. Боспорское царство было уже крупным государством, которое всерьез претен-
довало на объединение под своей властью всего Северного Причерноморья.
В искусстве Боспорского царства своеобразно переплелись черты античной ху-
дожественной культуры и культуры местного населения.
По своей структуре города Боспора были близки полисам Эллады и Малой Азии.
В Фанагории существовала регулярная планировка. В храмах и общественных зда-
ниях применялся ордер — ионийский или дорический.
Для Боспорского царства были характерны подкурганные каменные склепы, кото-
рые имели 1-2 погребальные камеры и коридор-«дромос». Для перекрытия камер
применялись уступчатые своды, образуемые нависающими друг над другом рядами
камней.
В Боспорском царстве были распространены известняковые надгробные стелы с
рельефами, изображающими умерших в героизированном виде либо сцены из их зем-
ной жизни. Однако типичная для ранних надгробий объемность здесь постепенно
сменялась графичностью, что отвечало вкусам населения.
Та же графичность, приверженность к локальному цвету становились все более
характерными для боспорской живописи, украшавшей стены склепов.
В Боспорском царстве возникли самобытные образцы античной расписной керами-
ки — вазы со стилизованными растительными мотивами, разрисованные минеральны-
ми красками так называемые «акварельные» пелики. Острая наблюдательность,
подлинное знание жизни скифов-кочевников отличают создателей украшенных рель-
ефами известных боспорских металлических изделий. Высокого уровня развития в
Боспорском государстве достигли также монетное дело (монеты с изображениями
правителей), художественная обработка дерева (саркофаги, шкатулки).
Гегемония
Спарты
Под знаком спартанской гегемонии в эллинском мире проходят первые годы по-
сле Пелопоннесской войны. Однако гегемония Спарты с самого начала вызвала
острое недовольство в Греции. Подобно Афинам, Спарта также обложила своих со-
юзников форосом. Постоянно вмешиваясь во внутреннюю жизнь греческих городов-
государств , Спарта повсеместно преследовала демократов и насаждала власть
олигархов.
Во многие полисы были введены гарнизоны во главе со спартанскими наместни-
ками. Таким образом, греческие города, ожидавшие от Спарты освобождения, ока-
зались в еще более худших условиях, чем во времена Афинского союза. Однако
вскоре положение Спарты сильно осложнилось, так как у нее испортились отноше-
ния с Персией.
Получая крупные субсидии во время Пелопоннесской войны, Спарта обещала в
случае победы вернуть Персии греческие города малоазийского побережья. Однако
малоазийские греческие полисы обрели свою независимость в результате греко-
персидских войн, которые воспринимались большинством греков как героическое
прошлое. Посягнуть на эту независимость Спарта сразу не решилась. Поэтому она
делала все возможное для того, чтобы оттянуть выполнение своего обязательст-
ва.
А после смерти персидского царя Дария II началась борьба за престол между
его старшим сыном и наследником — Артаксерксом и младшим сыном. Кир обратился
за помощью к Спарте, с которой он был тесно связан еще со времен Пелопоннес-
ской войны. Спарте было выгодно поддержать Кира, потому что в качестве ком-
пенсации за поддержку она могла бы настоять на сохранении независимости мало-
азийских полисов.
Кир навербовал 13-тысячный отрад греческих наемников и соединил их со свои-
ми персидскими войсками. Возглавив это войско, Кир предпринял поход против
Артаксеркса. Однако в 401 году до н. э. в сражении при Кунаксе близ Вавилона
Кир был убит.
Туземные войска Кира немедленно перешли на сторону Артаксеркса. Греческие
наемники, которых к этому времени осталось немногим более 10 тысяч, оказались
вдали от родины в окружении врагов. К тому же приглашенные в лагерь Артаксер-
кса якобы для переговоров военачальники греческих отрядов были вероломно пе-
ребиты. Тогда греки избрали новых военачальников, одним из которых был опи-
савший этот поход историк Ксенофонт, и начали отступление на север, к побере-
жью Черного моря. Несмотря на все усилия персов воспрепятствовать походу и на
трудности пути, греки все же пробили себе дорогу к морю и сумели вернуться на
родину, потеряв, правда, около четверти своего войска.
Однако положение Спарты оказалось нелегким и вне зависимости от исхода это-
го отступления. Артаксеркс был очень разгневан выступлением Спарты на стороне
Кира. Сатрап Тиссаферн потребовал от малоазийских греков уплаты дани, т. е.
признания себя подданными персидского царя. В сложившейся обстановке Спарта
была вынуждена поддерживать малоазийских греков.
Спустя пять лет после окончания Пелопоннесской войны Спарта оказалась втя-
нутой в новую войну, на этот раз с персами. Сначала военные действия шли до-
вольно вяло, но в 395 году до н. э. спартанский царь Агесилай добился крупной
победы в сражении у Сард.
После этого персы пустили в ход давно испытанный дипломатический прием. При
помощи подкупа они попытались организовать в самой Греции антиспартанскую
коалицию. Обстановка им благоприятствовала, так как Спарта восстановила про-
тив себя многие города. В состав антиспартанской коалиции вошли Беотийский
союз, Коринф, Аргос, Афины, Локрида, Акарнация, Левкада и большинство фесса-
лийских городов.
В 395 году до н. э. началась Коринфская война. Положение Спарты было очень
тяжелым. Ей приходилось вести войну одновременно и с Персией, и с членами ан-
тиспартанской коалиции. В 394 году в битве при Книде спартанский флот был
разбит объединенным греко-персидским флотом под командованием афинянина Коно-
на.
После этой победы Конон вернулся в Афины с большими субсидиями от персов,
на которые афиняне восстановили стены вокруг родного города и начали возрож-
дать флот. В Коринфе и некоторых других пелопоннесских полисах было решено
вести войну до полного уничтожения Спарты.
Афинская демократия с ее стремлением к панэллинской гегемонии подняла голо-
ву. Возрождение демократических Афин пугало не только спартанцев. Оно трево-
жило и персидских сатрапов, и самого персидского царя, который был склонен
скорее поддерживать спартанских олигархов, нежели Афинскую республику с ее
демократическими порядками.
С этого времени между спартанцами и афинянами возобновляется яростная борь-
ба за влияние на персидского царя. Спартанцы отправили к персидскому сатрапу
Тирибазу посольство во главе с Анталкидом. Этому хитрому и ловкому дипломату
было поручено любой ценой добиться заключения мира между персидским царем и
лакедемонянами.
Афиняне и союзники, со своей стороны, снарядили посольство к тому же Тири-
базу. Анталкид предлагал мирные условия, которые были приемлемыми как для
персидского царя, так и для лакедемонян. «Лакедемоняне, — говорил он, — не
оспаривают у царя греческих городов, которые находятся в Малой Азии. С них
достаточно того, чтобы прочие города получили автономию. Раз мы согласны на
эти условия, чего ради царь станет воевать с нами и расходовать деньги?»
Тирибаз пришел в восторг от речей Анталкида. Но против предложения спартан-
ского дипломата решительно восстали афиняне и фиванцы. Они рассматривали тре-
бование автономии городов как коварный маневр, направленный на уничтожение
всех военно-политических союзов в Греции.
Тем не менее, дипломатический маневр Анталкида увенчался успехом. Обе сто-
роны, истощенные войной, были вынуждены согласиться на условия, которые про-
диктовал им Артаксеркс. Тирибаз объявил, чтобы все желающие немедленно прибы-
ли к нему, дабы выслушать присланные персидским царем условия мира.
По прибытии послов Тирибаз, указывая на царскую печать, удостоверяющую под-
линность документа, прочел следующее: «Царь Артаксеркс полагает справедливым,
чтобы ему принадлежали все города Малой Азии, а из островов — Клазомены и
Кипр. Всем прочим городам, большим и малым, должна быть предоставлена автоно-
мия, кроме Лемноса, Имброса и Скироса, которые по-прежнему остаются во власти
Афин».
Таковы были условия знаменитого царского, или Анталкидова, мира 387 года до
н. э. Этот мир узаконивал политическую раздробленность, а следовательно, и
слабость Греции. В конце мирного текста была многозначительная приписка: «Той
из воюющих сторон, которая не примет этих условий, вместе с принявшими мир
объявляю войну на суше и на море и воюющим с ней государствам окажу поддержку
кораблями и деньгами».
Анталкидов мир ознаменовал собой торжество персидской политики, которая
ставила своей целью ослабление как спартанской, так и афинской гегемонии в
Греции. Некогда побежденная греками Персия теперь фактически становилась вер-
шительницей судеб Эллады.
Возвышение
Фив
После заключения Анталкидова мира в Греции на короткий срок возобновилась
спартанская гегемония. Однако дальнейший ход событий показал, что политика
грубого нажима и вмешательства во внутренние дела других греческих госу-
дарств, которая неукоснительно приводилась Спартой, была способна лишь от-
толкнуть от нее даже старых, испытанных союзников.
В связи с этим существенное значение приобрели события, которые произошли в
Фивах в 379 году до н. э. Здесь у власти находились олигархи, которые пользо-
вались поддержкой полуторатысячного спартанского гарнизона, расположенного в
фиванском акрополе Кадмее. Многие из фиванских демократов были вынуждены бе-
жать в Афины и другие полисы. Другие остались в Фивах, но скрывались.
Однако в среде городского демоса и беотийского крестьянства все сильнее на-
растало недовольство существующими порядками. Во главе демократического дви-
жения встал Пелопид. Ненависть восставших к олигархическому режиму была столь
велика, что фиванские олигархи были перебиты, а спартанский гарнизон был вы-
нужден капитулировать.
С этого времени начинается возвышение Фив в эллинском мире. Вокруг них объ-
единились и другие беотийские города. Вопреки Анталкидову миру вновь органи-
зован Беотийский союз. С этим союзом начинают поддерживать дружественные от-
ношения Афины, которые надеялись найти в нем опору в борьбе против Спарты.
Под руководством Афин в 378 году до н. э. возникает второй Афинский морской
союз. В его состав вошли многие государства, Которые и раньше были союзниками
Афин. Но по количеству участников этот союз не мог идти ни в какое сравнение
с первым: в нем, например, не участвовали города Малой Азии, которые попали
под власть персов, и ряд других.
При организации второго морского союза афиняне и новые их союзники учли
опыт прошлого — союз был построен на более-менее равноправных отношениях. Ин-
тересна надпись, которая представляет собой постановление афинской экклесии о
структуре этого объединения. Опасаясь, как бы союзники не заподозрили их в
стремлении возродить свою державу, афиняне поклялись, что не будут взыскивать
с союзников фороса, не будут вмешиваться в их внутренние дела, не будут посы-
лать к ним ни должностных лиц, ни гарнизонов, ни клерухов.
Для того чтобы снарядить и содержать флот, афиняне были вынуждены мобилизо-
вать внутренние ресурсы и провести реформу, согласно которой первые три раз-
ряда граждан должны были ежегодно платить особый налог, так называемую эйсфо-
ру, в соответствии с размерами их имущества.
Спарта не без оснований рассматривала образование второго Афинского морско-
го и Беотийского союзов как реальную угрозу своей гегемонии, поэтому пелопон-
несский флот был направлен к берегам Аттики, чтобы их блокировать. Однако в
376 году до н. э. пелопоннесский флот потерпел тяжелое поражение в морском
сражении у Наксоса.
После этого спартанцы бросили свои основные силы на борьбу против Фив. Фи-
ванскими войсками командовал выдающийся полководец Эпаминонд. Встреча двух
армий произошла около местечка Левктры. У спартанцев было 10 тысяч гоплитов и
тысяча всадников. У беотийцев всадников было столько же, но только 6 тысяч
пехоты.
Спартанцы рассчитывали на легкую победу. Их фаланга построилась двенадцатью
шеренгами. Впереди заняла позицию конница. Эпаминонд также выставил впереди
конницу, но вот фалангу он построил необычно — не ровным бруском, а в виде
кочерги. Длинную «рукоятку» составляли восемь шеренг ополченцев, маленький же
конец, которым ворошат угли, образовывали пятьдесят коротких шеренг отборных
воинов.
Эпаминонд приказал ополченцам избегать сражения и при наступлении врага от-
ходить, обороняясь. Он рассчитывал, что судьбу боя решит крыло, в котором на-
ходились отборные воины.
Сражение началось атакой сильной конницы беотийцев. Спартанские всадники
были смяты. Отходя за правый фланг своей фаланги, они врезались в пехоту и
расстроили ее ряды. Эпаминонд воспользовался этим замешательством и приказал
атаковать противника по всему фронту.
Вот тут и показал себя «конец кочерги, которым ворошат угли». Его напор был
таким мощным, что фаланга спартанцев была разрушена — правда, лишь на неболь-
шом участке. Но этого смятения оказалось достаточно, чтобы закончить сражение
победой. Спартанцы потеряли при Левктрах многих военачальников, в том числе
самого царя Клеомброта. Это был единственный, почти невероятный случай в ис-
тории Спарты, когда в бою погиб царь, — царскую особу охраняли лучшие воины.
ЭПАМИНОНД
8 шеренг
союза
лагерь Беотийского
24 вд
'^А|
КЛЕОМБРОТ^у^^
лагерь 1
Пелопоннес-
ского союза
о % а.
^еаАФивь^/7 <
Ь38
сш
п-ов
Пелопоннес
Масштаб 1 : 9 000 000
/QAwHHbt
Положение войск сторон
i Пелопоннес-
г— ского союза
Беотийского
союза
Направления ударов
и отход войск
s.c__; Пелопоннес-
^...^ ского союза
щ I Беотийского
m * союза
Сражение при Левктрах 371 г до н. э,
Через несколько лет Эпаминонд снова сражался со спартанцами, снова применил
особое построение и снова победил. Сражение происходило при Мантинее. Ксено-
фонт так его описал: «Эпаминонд двигал войско вперед узкой частью, как воен-
ный корабль, полагая, что в том месте, где ему удастся прорвать линию непри-
ятельского расположения, он нанесет окончательное поражение и всему вражеско-
му войску. И действительно не ошибся в своих расчетах: одержав победу в том
месте, где он врезался в ряды противников, он обратил в бегство все вражеское
войско».
Однако радость беотийцев была омрачена гибелью многих воинов. Смертельную
рану получил и сам полководец. В самый яростный момент боя дротик спартанца
попал ему в грудь. Врач предупредил, что как только дротик извлекут из груди,
Эпаминонд умрет. Полководец запретил трогать дротик до тех пор, пока не най-
дут на поле боя его щит и пока враг1 не обратится в бегство.
«Довольно я пожил, умираю непобежденным!» — сказал полководец и поцеловал
щит. Друзья сетовали, что Эпаминонд не оставил наследника — у него не было
детей. На это умирающий ответил, что оставляет после себя двух бессмертных
дочерей — Левктры и Мантинею. После этого Эпаминонд приказал вынуть дротик и
скончался.
Поражение спартанцев и последующие походы фиванцев в Пелопоннес вызвали
подъем демократического движения во всей Греции. Ряд демократических перево-
ротов произошел в самом Пелопоннесе. В такой ранее отсталой области, как Ар-
кадия, образовался сильный демократический союз под руководством города Ман-
тинеи. Обрела независимость Мессения.
Результатом всех этих потрясений были полный распад Пелопоннесского союза,
утрата Спартой положения гегемона в эллинском мире и превращение ее во второ-
степенное государство. Однако возвышение Фив оказалось весьма непродолжитель-
ным: Беотия имела еще меньше оснований занимать руководящее положение в эл-
линском мире, чем Спарта.
Соотношение сил в Греции резко изменилось, когда афиняне, напуганные чрез-
мерным усилением Фив, отошли от них и объединились со Спартой. Фиванцы не су-
мели воспользоваться результатами блестящей победы Эпаминонда над спартанцами
при Мантинее в 362 году до н. э. из-за чрезвычайно крупных потерь и гибели
самого Эпаминонда.
Силы Фив оказались исчерпанными. Они не могли больше удерживать гегемонию в
Пелопоннесе. Тем временем Афины попытались использовать эту выгодную для них
ситуацию и вернуться в русло старой великодержавной политики по отношению к
союзникам. Возрождение этой политики привело к так называемой Союзнической
войне 357-355 годов. Итогом этой войны стал распад второго Афинского морского
союза.
Возникновение
государства в
Македонии
С середины IV века до н. э. важную роль в политической жизни Эллады начина-
ет играть Македония — новое государство, расположенное на севере Балканского
полуострова. Ее обычно подразделяют на две части: Нижнюю Македонию — примы-
кающую к морю область и Верхнюю Македонию — гористую страну.
Природные условия, особенно в Нижней Македонии, благоприятствовали развитию
земледелия. В Верхней Македонии благодаря обилию хороших пастбищ по склонам
гор получило развитие скотоводство. Македония была богата лесом и полезными
ископаемыми. Месторождения серебра и золота в районе реки Стримона, отделяв-
шей Македонию от Фракии, были хорошо известны в древнем мире.
Население Македонии составляли фракийские, иллирийские и некоторые родст-
венные грекам племена. В сравнительно ранее время Македония испытала сильное
воздействие греческой культуры и приняла греческую письменность. Скудость
данных о языке македонян затрудняет решение вопроса об их этнической принад-
лежности , а также о процессе формирования македонских племен в народность.
В начале V века до н. э. в Македонии еще не был до конца изжит первобытно-
общинный строй. В IV веке население страны состояло из мелких свободных зем-
ледельцев и скотоводов, возглавляемых родовой землевладельческой аристократи-
ей.
До середины IV века до н. э. на территории Македонии почти не было городов.
По сравнению с Грецией здесь было значительно меньше распространено рабство.
Однако со второй половины V века до н. э. в Македонии усиливается процесс
классовой дифференциации.
В VI веке до н. э. территория Македонии оказалась расколотой на несколько
областей. Во главе каждой области стоял независимый царек. В областях также
существовали аристократические советы и народные собрания, которые состояли
из македонян, способных носить оружие.
В V веке до н. э. в Македонии все более усиливается тенденция к политиче-
ской централизации, которая сопровождалась ожесточенными столкновениями между
отдельными знатными родами и царской властью. Этот процесс, в конечном счете,
вел к образованию македонской монархии.
Значительный шаг вперед на этом пути был сделан царем Александром I, кото-
рый правил в 495-450 годах. Ему удалось объединить под своей властью всю Ниж-
нюю Македонию и поставить в зависимость от себя царьков горной части страны.
В годы греко-персидских войн Македония на короткий срок была вынуждена подчи-
ниться персам, но вскоре вновь обрела независимость.
При Александре I между Македонией и греческими полисами устанавливаются
тесные экономические и культурные связи. Об этом, в частности, свидетельству-
ет и прозвище Александра — Филзллин («друг эллинов»).
В последней четверти V века, при царе Архелае, правившем в 413-399 годах,
происходит дальнейшее укрепление Македонского государства. Шло активное
строительство крепостей и дорог, проводились реформы в области военного дела
и монетного обращения, вводились гимнастические состязания по греческому об-
разцу и т. п. Столица государства из города Эг была перенесена ближе к побе-
режью , в Пеллу.
В области внешней политики Архелай ориентировался в основном на союз с Афи-
нами. При дворе Архелая проживали выдающиеся художники и поэты, среди них —
знаменитый трагик Эврипид, который написал трагедию «Архелай», и художник
Зевксис.
В 399 году до н. э. Архелай был убит заговорщиками. В Македонии разгорается
острая политическая борьба, которая была вызвана стремлением части родовой
знати воспрепятствовать политике централизации государства. Ослаблением Маке-
донии попытались воспользоваться ее соседи, однако Македонское государство
нашло в себе силы противостоять этим попыткам.
Окончание периода временного ослабления Македонии совпало с воцарением Фи-
липпа II, который правил в 359-336 годах. Это был один из наиболее даровитых
политических и военных деятелей того времени. В годы правления Филиппа Маке-
дония превратилась в крупнейшее государство на Балканском полуострове.
Аристократический совет — совет гетеров («товарищей» царя) и народное соб-
рание были окончательно подчинены царской власти. Ликвидируя полунезависимые
аристократические владения Верхней Македонии, поддерживая строительство горо-
дов и развитие торговли, Филипп сильно ослаблял влияние родовой знати.
В своих реформах Филипп опирался на близкие ко двору круги аристократии,
торгово-ремесленные слои в городах, наиболее зажиточное крестьянство. Особен-
но важное значение имела военная реформа. Ядро македонской армии по-прежнему
состояло из свободных крестьян, которые служили в тяжеловооруженной пехоте.
Филипп реорганизовал пехоту и создал из нее знаменитую македонскую фалангу,
которая отличалась от греческой большей компактностью и глубиной построения,
достигавшей 16 и более рядов.
В греческой фаланге 8 тысяч воинов выстраивались восемью шеренгами — в каж-
дой по тысяче воинов. Они занимали по фронту полкилометра. Воины стояли, чув-
ствуя локоть друг друга. Передняя шеренга, сомкнув большие щиты и выставив
копья, прикрывала всю фалангу. Вторая и третья шеренги тоже выставляли копья
вперед. Последующие шеренги были готовы заменить убитых товарищей. Прорвать
строй фаланги было почти невозможно. Фаланга наносила сильнейшие удары в ко-
роткой атаке. Воины переходили с шага на бег, опрокидывали противника копьями
и довершали разгром мечами.
Однако у фаланги было два больших недостатка. Она не могла двигаться по не-
ровной пересеченной местности. Строй в этом случае нарушался, и фаланга раз-
рывалась . В эти разрывы устремлялся противник и наносил удары с незащищенного
тыла, в спины грекам. Второй недостаток — слабые края фаланги. На краю непри-
ятеля встречали всего восемь копейщиков и еще шестнадцать из второго и
третьего рядов. С целью усовершенствования фаланги охрану ее краев стали по-
ручать конным отрядам. Легкая пехота — лучники, пращники, метатели дротиков,
завязав бой, тоже отходили на охрану краев и тыла.
Но перемещаться фаланга все еще не могла. Разбитый противник успешно спа-
сался от нее обыкновенным бегством.
Царь Филипп вооружил своих воинов особым македонским копьем — сариссой, ко-
торая достигала 5 метров в длину. Первый ряд воинов имел более короткие ко-
пья , но по мере углубления рядов фаланги сариссы удлинялись, причем фаланги-
сты задних рядов клали свои сариссы на плечи впереди стоящих.
Таким образом, перед строем фаланги возникал целый лес копий. Фаланга пре-
вращалась в единое целое, но вместе с тем это затрудняло возможность быстрого
перестроения. Чтобы исправить этот недостаток, на флангах становились отряды
легковооруженных воинов.
Как и раньше, тяжелая конница комплектовалась из аристократов — гетеров.
Опираясь на фалангу, конница и легковооруженные отряды могли успешнее манев-
рировать . Македонская армия была хорошо оснащена осадной техникой — катапуль-
тами , таранами, осадными башнями и т. п.
В 50-х годах IV века до н. э. Македония захватила золотые россыпи в горах
Пангея. В руках Филиппа сосредоточились значительные запасы золота. Это по-
зволило ему ввести денежную систему, которая была построена на одновременном
обращении золотых и серебряных монет, размениваемых по твердо установленному
курсу.
Финансовая реформа содействовала развитию торговли. Накопление большого за-
паса денежных средств сыграло значительную роль в последующих военных успехах
македонской армии. Недаром Филиппу приписывали изречение: навьюченный золотом
осел может взять любую крепость.
Создание мощной армии и накопление денежных средств позволили Филиппу вести
агрессивную политику. Главная цель, которую он преследовал, заключалась в
том, чтобы пробиться к морю. До этого времени Македония не имела ни одного
хорошего порта. Свободный доступ к морю был главным условием для развития ма-
кедонской торговли и активной внешней политики.
Большинство приморских греческих государств, которые граничили с Македони-
ей, прежде всего города Халкидики, входило в состав второго Афинского морско-
го союза. Следовательно, любое выступление против них неизбежно вылилось бы в
конфликт с Афинами и всем союзом. Независимым был только Амфиполь, располо-
женный в устье реки Стримона.
Путем искусной дипломатической подготовки Филипп обеспечил временный ней-
тралитет Афин и в 357 году до н. э. овладел Амфиполем. Затем, воспользовав-
шись войной между Афинами и их бывшими союзниками, в короткий срок завоевал
Пидну и Потидею. После этого Филипп заключил союз с Олинфом, самым крупным из
халкидикских городов.
Одновременно была завоевана обширная полоса фракийского побережья. Там ма-
кедоняне основали новый город, названный Филиппинами. Позже Македония подчи-
нила себе и остальную часть Фракии. Успехи реорганизованной македонской армии
и захват богатых пангейских россыпей дали Македонии возможность активно вме-
шаться во внутренние дела собственно Греции и принять участие в «священной
войне».
«Священными», как уже говорилось, у древних греков назывались войны, офици-
альной целью которых была защита интересов храма. В то время вспыхнула такая
война из-за фокейцев, которые захватили часть принадлежащей Дельфийскому хра-
му территории, а затем и всю казну храма.
Амфиктиония (религиозный союз нескольких греческих племен), находившаяся
под влиянием Фив, объявила «священную войну» фокейцам. Однако те наняли на
захваченные средства большую армию, при помощи которой нанесли ряд поражений
своим противникам.
По призыву амфиктионов Филипп двинул свою армию против фокейцев. После не-
скольких неудач македоняне разбили армию фокейцев на территории Фессалии в
352 году до н. э. Затем македоняне попытались пройти через Фермопилы, чтобы
закрепиться в Средней Греции. Однако в Фермопилах им преградили путь афиняне.
Филипп предпочел отступить, обеспечив себе политическое преобладание в Север-
ной Греции, прежде всего в Фессалии.
Вся Эллада была встревожена агрессивными действиями Филиппа, особенно горо-
да Халкидики. Дальнейшие успехи Македонии означали бы, что дни их независимо-
го существования сочтены. Перед лицом этой опасности Олинф и другие халкид-
ские города сблизились с афинянами. Началась подготовка к решительной войне.
В 349 году до н. э. македонские войска двинулись на Олинф. Вождь афинской
демократии и крупнейший оратор древности Демосфен понимал, что если сейчас не
дать отпора Филиппу, то он в скором времени подчинит себе всю Грецию. Поэтому
Демосфен призывал сограждан немедленно и активно вступить в олинфскую войну.
Такое же настроение среди демократических кругов было и в других греческих
городах. Однако Демосфен имел противников внутри самих Афин. Олигархические
группировки видели главное зло не в Филиппе и даже не в угрозе потери полити-
ческой независимости, а прежде всего в массах городской бедноты, все более
решительно выступавшей против «благонамеренных», состоятельных граждан.
Выражая взгляды олигархов, афинский оратор Исократ в это время выдвинул це-
лую политическую программу. Для того, мол, чтобы восстановить нормальную эко-
номическую и политическую жизнь Греции, греческим полисам необходимо объеди-
ниться любой ценой и вокруг1 кого угодно. Тогда греки общими силами смогли бы
выступить против своего извечного врага — Персидской монархии. Завоевание
восточных территорий откроет перед греческим ремеслом и торговлей широкие
перспективы, а «лишние» люди найдут применение своим силам и избавят от сво-
его присутствия Грецию.
С точки зрения Исократа и его сторонников — а к ним примыкал также заклятый
противник Демосфена оратор Эсхин, — Македония и Филипп вполне могли быть той
силой, которая способна повести греков в восточный поход.
Демосфен и его единомышленники также считали, что, только соединив свои си-
лы, греческие полисы сохранят независимость. Но, в отличие от Исократа, Де-
мосфен призывал сплотиться не вокруг Филиппа, а против него. Эту мысль он не-
устанно проводил в своих речах. Направленные против македонского царя и его
политики, эти речи получили название «Филиппики».
Таким образом, в Афинам возникли две группировки — демократическая, антима-
кедонская , возглавляемая Демосфеном, и олигархическая, промакедонская, во
главе с Исократом и Эсхином. Подобного рода группировки существовали и в дру-
гих греческих государствах.
Когда в 349 году македонские войска осадили Олинф, в афинской экклесии вос-
торжествовала идея Демосфена. Было принято постановление выступить на помощь
Олинфу. Организованные отряды впервые после долгого перерыва состояли не из
наемников, а из граждан. Но афиняне опоздали.
В 348 году до н. э. македоняне взяли Олинф и сравняли его с землей. В Афи-
нах это событие имело сильный резонанс. Дальнейшая борьба с Македонией стала
представляться обреченной на неудачу. Перевес перешел на сторону промакедон-
ской группировки.
Один из ее лидеров — Филократ был направлен к Филиппу с официальными полно-
мочиями вступить с ним в переговоры о мире. Поскольку Македония еще не была
сильна на море, а флот Афин был самым мощным в Греции, у Филиппа были все ос-
нования пойти навстречу Филократу.
В 346 году до н. э. был заключен так называемый Филократов мир. Условием
его заключения стало признание обеими сторонами сложившейся к тому времени
ситуации. Для афинян эти условия оказались очень невыгодными. Они должны были
примириться с потерей всех своих владений на фракийском побережье.
После заключения Филократова мира в афинском народном собрании закипела
ожесточенная борьба между сторонниками и противниками македонской гегемонии.
По сути, решался вопрос о направлении всей внешней и внутренней политики
Афин.
Демосфен и другие вожди афинской демократии считали этот мир губительным
для Афин. Они требовали предания суду Эсхина и Филократа, которые подписали
этот договор. По вопросу о Филократовом мире Демосфен произнес целый ряд ре-
чей — «О мире», «Об острове Галоннесе», «Филиппики».
В своей «Третьей Филиппике» Демосфен предостерегал сограждан против лживых
заверений Филиппа. Напрасно, мол, твердит македонский царь о своих мирных на-
мерениях. Всем известны факты насильственного захвата Филиппом греческих го-
родов. «Я не говорю об Олинфе, Метоне, Аполлонии и о 30 городах Фракийского
побережья, — говорил Демосфен, — которые все до единого беспощадно разорены
Филиппом... Умалчиваю я и о жестоком истреблении им фокидян. А каково положение
Фессалии?... И разве эвбейские государства уже не подчинены тирану? И это — на
острове, находящемся в ближайшем соседстве с Фивами и Афинами!»
Все помыслы и действия Филиппа, продолжал Демосфен, направлены к одной цели
— уничтожению греческой свободы и эллинской образованности. Правда, Филипп
называет себя филэллином, т. е. другом Эллады. Но это не более как обман. Фи-
лэллином македонский царь не может быть уже в силу своего варварского проис-
хождения .
«Он не эллин, и ни в каком родстве с эллинами не состоит, он даже не иноро-
дец добропорядочного происхождения, — обвинял Демосфен македонского царя. —
Он только жалкий македонец. А в Македонии, как известно, в прежнее время
нельзя было купить даже приличного раба».
Столь же резко обрушивался Демосфен и на афинских граждан, которые стояли
за мир с Филиппом. Эсхина и его брата Филокрита Демосфен обвинял в измене ин-
тересам родины.
Однако Филипп и Эсхин также не оставались и долгу. В дошедших до нас речах
Эсхина и письмах Филиппа содержатся целые обвинительные акты против Демосфена
и его сторонников. Их обвиняли к клевете, демагогии и продажности. В речи «О
недобросовестно выполненном посольстве» Эсхин называет Демосфена заносчивым
человеком, который только себя самого «считает единственным охранителем госу-
дарственных интересов», а всех остальных клеймит как предателей.
«Он все время оскорбляет нас. Он осыпает возмутительной бранью не только
меня, но и других». Клеветнические обвинения Демосфена, мол, столь многочис-
ленны, запутанны и противоречивы, что трудно их даже запомнить. Только афин-
ский народ, говорил Эсхин, может избавить его, Эсхина, от возводимой на него
гнусной клеветы.
К народу, как к единственному прибежищу и носителю справедливости, Эсхин и
обращается. «Вам я воздаю хвалу, — восклицает он, обращаясь к согражданам. —
Вас я люблю за то, что вы больше верите жизни обвиняемого, чем возводимым на
него небылицам». Речь идет о том, что наряду с обвинениями в забвении госу-
дарственных интересов противники Эсхина утверждали, будто бы он запятнан на-
силием над свободной женщиной. Это порочило звание посла Афин, от которого
требовалась безупречная нравственная чистота.
В развернувшейся в Афинах дипломатической борьбе принял участие и сам Фи-
липп. У него были искусные секретари, да и сам македонский царь в совершенст-
ве владел письменной и устной греческой речью. Об этом можно судить по не-
скольким сохранившимся открытым письмам царя, с которыми он обращался к афин-
скому народу.
Поводом для составления одного из таких писем послужил инцидент с островом
Галоннесом в Эгейском море. В 342 году до н. э. этот остров был захвачен пи-
ратами. Филипп изгнал их, но остров удержал за собой. На требование афинян
вернуть остров царь отвечал отказом. Филипп заявил, что остров принадлежит
ему. При желании он может подарить его афинянам, но отнюдь не возвратить им
как их собственность.
Афинские демократические вожди развернули в экклесии кампанию против Филип-
па. Они обвиняли его в самоуправстве и нарушении условий Филократова мира. К
этим грехам Филиппа прибавились и другие — захват им нейтрального города Кар-
дии, нападение на фракийского князя Керсоблепта и т. д.
Филипп был весьма обеспокоен этими нападками. Чтобы защититься от возводи-
мых на него обвинений, он обратился к Афинской экклесии с обширным письмом. В
нем содержались укоры по адресу афинских граждан, руководимых «продажными
ораторами». Затем следовало приветствие афинскому народу и объяснение цели
послания.
«Филипп желает всего хорошего Афинскому собранию и народу! После того, как
вы не обратили никакого внимания на мои частые посольства к вам, имевшие це-
лью обеспечить соблюдение клятвенных обязательств и предлагавшие добрососед-
ские отношения, я решил письменно обратиться к вам по поводу некоторых обви-
нений , которые, как мне кажется, возводятся на меня несправедливо».
Эти обвинения Филипп называл выдумкой «продажных ораторов», которые созна-
тельно разжигают войну. «Ведь сами наши граждане говорят, что мир для них —
война, а война — мир. Поддерживая вояк, они за это получают от них, что нуж-
но, а пороча лучших граждан и нападая на людей, пользующихся доброй славой и
за пределами Афинского государства, они делают вид, будто служат интересам
народа».
Благодаря этим дипломатическим посланиям к афинскому народу Филиппу удалось
достигнуть поразительных результатов. Он был избран членом Дельфийско-
Фермопильской амфиктионии и стал арбитром в спорах между греческими государ-
ствами. Это дало царю возможность отсрочить войну с Афинами и произвести не-
обходимые преобразования в своем государстве.
Однако даже дипломатическое искусство Филиппа не помогло предотвратить вой-
ну Македонии с Афинами. Слишком резкой и непримиримой была противоположность
между единодержавной Македонией и демократическими Афинами.
Предыстория войны такова. После заключения Филократова мира македонские
войска вступили на территорию Фокиды и вместе с фиванцами наголову разбили
фокейцев. Фокейцы были исключены из состава Дельфийской амфиктионии. Освобо-
дившееся место было предоставлено Филиппу за его участие в «священной войне».
В 340 году до н. э. Филипп предпринял поход к Геллеспонту и осадил находив-
шийся на его побережье город Перинф. Это предприятие македонского царя вызва-
ло крутой перелом в настроениях греков. Стремление Македонии взять контроль
над проливом в свои руки задевало интересы всех греческих городов, которые
ввозили черноморский хлеб.
Перед лицом этой реальной угрозы в Афинах прекратились все прежние разно-
гласия. Лидерство вновь захватила демократическая группировка, которую воз-
главлял Демосфен. Афинское народное собрание объявило войну Македонии. Афиня-
не послали свой флот к Геллеспонту. Морское сражение произошло близ Византия.
Македонский флот был полностью разбит.
В Афинах весть о победе вызвала ликование. Появилась надежда, что это круп-
ная военная неудача Македонии, продемонстрировавшая ее слабость на море, при-
остановит дальнейшее развитие македонской экспансии. Однако эти расчеты не
оправдались. Вскоре опять возник повод для вмешательства Македонии в грече-
ские дела, которым Филипп не преминул воспользоваться.
Началась новая «священная война», которую амфиктионы объявили локрийскому
городу Амфиссе. С необычайной быстротой Филипп провел свои войска через Фер-
мопильский проход якобы для того, чтобы оказать помощь в «благочестивом» деле
расправы с Амфиссой.
Когда македонская армия неожиданно оказалась в Средней Греции, всем здраво-
мыслящим людям стало ясно, что решается вопрос о судьбе греческих полисов.
Против Македонии была создана коалиция греческих государств. В нее вошли Ко-
ринф, Мегары и даже часто враждовавшие друг с другом Афины и Фивы.
В 338 году до н. э. у беотийскохю города Херонеи произошло кровопролитное
сражение, в котором греческие войска потерпели поражение. Херонейская битва
явилась поворотным моментом в развитии событий. Сопротивление греческих госу-
дарств было сломлено. Во всех городах к власти пришли олигархические группи-
ровки .
Только афиняне, уверенные, что их ожидает жестокая расправа, стали лихора-
дочно готовиться к защите. Однако им был предложен мир на относительно мягких
условиях. Это был ловкий политический маневр Филиппа. Вскоре после заключения
мирного соглашения политический перевес в Афинах оказался на стороне промаке-
донской группировки.
С каждым греческим государством Филипп заключил оборонительный и наступа-
тельный союз. Основой этого союза было сохранение внутренней автономии и сво-
боды полиса. Для разрешения вопросов, касавшихся всей Эллады, Филипп созвал в
Коринфе в 338 году до н. э. общегреческое совещание — Коринфский конгресс
(синедрион), на котором были представлены все греческие государства, за ис-
ключением Спарты.
Председательствовал на конгрессе сам Филипп. Было провозглашено прекращение
войны в Греции и установление всеобщего мира. Затем приступили к обсуждению
других вопросов. Греческая раздробленность была преодолена созданием общегре-
ческой федерации с включением в нее Македонии. Главой федерации стал македон-
ский царь.
Между объединенными греческими государствами и македонским царем заключался
вечный оборонительный и наступательный союз. Под страхом тяжелого наказания
ни одно государство, ни один грек не должны были выступать против царя или
помогать его врагам. Все возникавшие между греческими государствами спорные
вопросы передавались на рассмотрение суда амфиктионов.
Коллегию амфиктионов также возглавлял Филипп. Преступными актами объявля-
лись какие бы то ни было изменения в конституции городов, конфискация имуще-
ства, отмена долгов, призыв рабов к восстанию и пр. В заключение конгресс
принял решение начать войну с Персией. Филипп надеялся отвлечь внимание от
греческих дел «быстрой и счастливой войной в Азии».
Предводителем (гегемоном) союзного греческого ополчения был назначен тот же
Филипп. В актах Коринфского конгресса не встречается слово «царь». В сношени-
ях с греками Филипп никогда не именовал себя царем (басилевсом). Для свобод-
ных эллинов он был гегемоном.
Решения Коринфского конгресса были своеобразной реализацией программы Исо-
крата. Они показывали, что Македония, фактически подчинив себе Грецию и пода-
вив демократическое движение, вместе с тем умело использовала в своих интере-
сах лозунг, общегреческого единства и традиции борьбы с Персией, которые еще
были живы в различных слоях греческого населения.
Формально решения Коринфского конгресса были делом «доброй воли» самих гре-
ков . Македония даже не вошла в панэллинский союз, хотя Филипп и был избран
главнокомандующим объединенными военными силами союзников. На самом же деле
во многих греческих городах у власти находились промакедонские, послушные Фи-
липпу олигархические правительства. В таких городах, как Фивы, Коринф и Хал-
кида, располагались македонские гарнизоны.
Утверждение македонской гегемонии над Грецией стало возможным благодаря не-
скольким обстоятельствам. Греческие государства подтачивались глубоким кризи-
сом полисной системы, которая насчитывала многие десятилетия. Их обороноспо-
собность была ослаблена непрерывными войнами. Ни одно из греческих государств
не сумело добиться гегемонии, так как союз городов, возникавший в ответ на
стремление того или иного полиса захватить власть, срывал все эти попытки.
Преимущество Македонии заключалось в том, что здесь еще не были сильно обо-
стрены противоречия рабовладельческого общества. В результате этого при
столкновении с греческими городами-государствами Македония сравнительно легко
вышла победительницей.
Эллинская культура
в V-IV веках до н. э.
Подъем экономической и политической жизни Эллады в V веке до н. э. вызвал
настоящий расцвет греческой культуры. Античный полис, хотя и разделенный со-
циальными перегородками, охранял черты независимой гражданской общины, кото-
рая жила своей кипучей политической жизнью.
Народные традиции, окрепшие в героической борьбе с персидским нашествием,
особенно ярко проявились в художественном творчестве эллинов. Глубокие сдви-
ги, которые произошли во всем средиземноморском мире, расширили кругозор и
дали им пульс к развитию духовной жизни общества и его передовых людей. На
этой почве возникли гениальные идеи атомистического материализма Левкиппа и
Демокрита, великие образы античной трагедии, наиболее совершенные создания
греческой пластики и зодчества.
Кризис полиса, междоусобные войны и упадок демократии, обострение противо-
речий античного общества — все эти характерные черты социально-политической
жизни Эллады IV века до н. э. не могли не наложить свой отпечаток и на разви-
тие эллинской культуры, которая уже в это время обнаружила первые признаки
упадка.
Однако этот процесс совершался неравномерно. В эллинском обществе еще были
живы могучие силы, способные породить такие явления, как философия Аристотеля
или творчество Лисиппа. Большие успехи были достигнуты и в области естество-
знания .
В V и IV веках до н. э. был накоплен значительный фактический материал в
математике, астрономии, медицине и других отраслях науки.
Античную математику отличает тенденция к большей систематичности, строгости
и доказательности, а также применение новых методов исследования, имеющих не
только эмпирическое, но и широкое теоретическое значение. Так, идея бесконеч-
но малых величин, впервые выдвинутая Анаксагором (около 500 — около 428) , в
трудах Демокрита (около 460-370) и Эвдокса Книдского (около 408-355) нашла
свое практическое приложение в геометрий и, в частности, стереометрии (опре-
деление объема шара, конуса и т. д.). Тот же Эвдокс разработал учение о про-
порциональности и создал теорию соотношения несоизмеримых величин, которая во
многом предвосхитила теорию иррациональных чисел, возникшую лишь в конце XIX
века.
Гиппократ из Хиоса (около 470-400) предпринял первую, предшествовавшую за-
мечательному труду Эвклида, попытку систематизировать данные геометрии. Даже
в условиях античности с ограниченными возможностями технического прогресса
отдельные достижения математической мысли находили практическое приложение в
ремесленной технике, в строительном деле и других отраслях.
В астрономии возникли новые представления о шарообразности Земли и светил.
Это создало предпосылки для появления более правильной теории солнечных и
лунных затмений. У последователей философа Пифагора впервые встречается мысль
о том, что Земля не занимает центрального положения среди планет. В центре
Вселенной находится некий огонь, вокруг которого вращаются в прозрачных сфе-
рах Земля, Солнце, Луна, пять планет, а также сфера неподвижных звезд.
Для того чтобы количество мировых тел достигла числа 10, считавшегося пифа-
горейцами совершенным, они ввели еще гипотетическую «противоземлю». Расстоя-
ние от небесных сфер до центрального огня выражалось, согласно пифагорейцам,
в простейших («музыкальных») числовых отношениях, отсюда берет начало учение
о так называемой гармонии сфер.
Эвдокс предложил теорию гомоцентрических (т. е. объемлющих одна другую)
сфер, имеющих общий центр, в котором находится Земля. Все они равномерно вра-
щаются вокруг осей, расположенных под известным углом друг к другу. Внешние
сферы увлекают в своем движении заключенные в них внутренние сферы.
Для того времени теория Эвдокса, которую разделял и Аристотель, давала дос-
таточно удовлетворительное объяснение видимых планетных движений. Впоследст-
вии, во II веке нашей эры, ее сменила более сложная гипотеза Птоломея.
Другой астроном IV века до н. э., Гераклид Понтийский, выдвинул теорию, со-
гласно которой Меркурий и Венера движутся вокруг Солнца, которые в свою оче-
редь вращаются вместе с прочими планетами вокруг Земли. Все эти теории разви-
вали систему мироздания, которая ушла далеко вперед по сравнению с наивными
представлениями ионийских натурфилософов VI века до н. э.
Во второй половине V века до н. э. афинянин Метон согласовал лунный кален-
дарь греков с солнечным, определив величину года в 365 и 5/19 суток. Метонов
календарь просуществовал четыре столетия, пока его не сменил Юлианский.
Значительный прогресс был достигнут в области медицины. Центральное место
здесь занимает фигура Гиппократа, воспитанника и выдающегося представителя
Косской школы врачей. В так называемом «Гиппократовом сборнике», который
пользовался авторитетом на протяжении многих столетий и на Западе и на Восто-
ке, были объединены как подлинные произведения знаменитого греческого учено-
го, так и приписанные ему.
Согласно Гиппократу, медицина требует систематического и всестороннего на-
блюдения больных. Все части организма взаимно связаны друг с другом. Большое
внимание в книгах «Гиппократова сборника» уделено внешней среде — климату,
почве, воде и т. д. Об эпилепсии, которая ранее считалась «священной» болез-
нью, Гиппократ говорил: «Насколько мне кажется, она не божественнее, не свя-
щеннее, чем другие... Мне кажется, что первые, признавшие эту болезнь священ-
ною, были такие люди, какими и теперь оказываются маги, шарлатаны и обманщи-
ки».
Разнообразие человеческих организмов («темпераментов») Гиппократ сводил к
различному сочетанию или смешению четырех «соков», или «влаг» (крови, слизи,
светлой и черной желчи). Учение Гиппократа о четырех темпераментах ставшее
традиционным (сангвинический, флегматический, холерический и меланхоличе-
ский) , сохранило известное значение для всей последующей науки.
Обычным термином стало выражение «Гиппократова маска» — это классическое
описание внешнего облика умирающего, которое было дано в «Афоризмах» Гиппо-
крата. Широкое распространение получили и другие его афоризмы, например: «Че-
го не излечивает лекарство, излечивает железо. А чего железо не излечивает,
излечивает огонь. А чего огонь не излечивает, то должно считать неизлечимым».
Многое в представлениях Гиппократа о человеческом теле было чрезвычайно на-
ивным. Он не умел еще, например, отличать нервы от кровеносных сосудов и ду-
мал, что артерии наполнены воздухом. И, тем не менее, имя великого греческого
ученого неотделимо от развития медицины как науки. Он первым дошел до отрица-
ния «ниспосланных богами болезней», противопоставив этому систему эмпириче-
ских наблюдений за ходом самой болезни.
Успехи в области положительных знаний шли рука об руку с развитием материа-
листической философии. Мыслители V века до н. э. уже не довольствовались ут-
верждением единой материальной основы мира.
Они ставили вопрос о строении материи.
Эмпедокл (около 495 — около 435) из сицилийского города Акраганта выводил
все явления природы из четырех основных материальных элементов — земли, воды,
воздуха и огня. Весь мир представляет собой сочетание этих четырех элементов.
Их соединение и разъединение дает начало определенным циклам мироздания.
Анаксагор решил этот вопрос посредством учения о «семенах» всех вещей, под
которыми он подразумевал однородные материальные частицы, вступавшие в соеди-
нения друг с другом. В результате этих соединений и возникали подобные этим
частицам тела: из капелек крови — кровь, из частиц мяса — мясо и т. д.
Это учение Анаксагора при всей своей ограниченности открывало возможность
более последовательного материалистического объяснения окружающего мира, чем
натурфилософские учения мыслителей VI века до н. э. Анаксагор стал идейным
вождем афинских вольнодумцев времен Перикла. Дело дошло до привлечения его к
суду по обвинению в оскорблении богов. Только благодаря помощи Перикла ему
удалось избежать смерти, однако он вынужден был уйти в изгнание.
Слабой стороной учений Анаксагора и Эмпедокла было представление о силах,
которые приводят в движение частицы материального вещества. Анаксагор считал
такой силой нус — мировой разум, который он определял как тончайшее и легчай-
шее материальное вещество.
Эмпедокл объяснял движение материи действием двух противоположных сил —
«дружбы» и «вражды», которые соединяют и разъединяют материальные элементы.
Материалистические стороны учения Эмпедокла уживались с верой в переселение
душ и проповедью религиозного очищения.
Гораздо более последовательными были греческие атомисты, в учении которых
античная материалистическая философия достигла своей вершины. Учение об ато-
мах — неделимых частицах материи — было впервые выдвинуто Левкиппом и развито
Демокритом, но почва для этого учения была подготовлена всем предшествующим
развитием материалистической философии V века.
О жизни Левкиппа практически ничего не известно. Демокрит (около 460-370)
был уроженцем большого торгового города Абдер во Фракии. Он много путешество-
вал, побывал в Египте и в странах Востока. Эти путешествия расширили его кру-
гозор .
Многочисленные естественнонаучные сочинения Демокрита, которые дошли до нас
лишь в сравнительно небольших отрывках, затрагивали разнообразные вопросы ас-
трономии, космографии, геологии, физики, метеорологии и биологии. Имеются ос-
нования утверждать, что Демокрит определил объем конуса, пирамиды и шара.
В основе учения греческих атомистов лежали два основных положения:
1) мир состоит из качественно однородных, неделимых, различаемых только по
величине и форме (т. е. лишь количественно) атомов и пустоты, в которой
совершается их механическое движение;
2) все явления происходят не случайно, но в силу необходимости.
Возникновение и исчезновение бесчисленных миров, на которые, по Демокриту,
распадается Вселенная, обусловлено непрерывным движением атомов в пустоте.
Сталкиваясь и отталкиваясь, соединяясь и разъединяясь, атомы образуют вещи.
Последовательно развивая эти положения, Демокрит распространил их и на чело-
веческую психику.
Душа человека, согласно его взглядам, также представляет собой сочетание
наиболее подвижных и круглых атомов, которые находятся в постоянном соприкос-
новении с атомами других тел, образующих мир. «Из ничего ничего не может воз-
никнуть , и ни одна вещь не может превратиться в ничто», — в этом изречении
Демокрита впервые была выражена идея вечности (несоздаваемости и неуничтожи-
мости) материи, которая и ныне лежит в основе материалистического понимания
природы.
Свойственные античным атомистам представления о неделимости атомов и каче-
ственном их однообразии, признание механического движения единственной формой
движения просуществовали в течение многих столетий и были пересмотрены наукой
лишь в результате великих открытий XIX-XX веков.
В области теории познания Демокрит является безусловным материалистом. Но
вопрос о диалектической связи чувственного восприятия и рационального мышле-
ния остается у него нерешенным. Демокрит проводил резкую границу между много-
образием непосредственно воспринимаемого чувствами мира и простыми сочетания-
ми атомов, которые постигаются посредством разума.
Попыткой соединить эти два начала является учение Демокрита об образах ве-
щей, отделяющих от них в виде тонкой пленки, которая действует на наши органы
чувств. В области общественных явлений философия Демокрита сводилась к при-
знанию полной зависимости человека от природы. Нравственные идеи вытекают, по
Демокриту, из природы человека, его стремления к пользе и удовольствию.
Это положение Демокрита легло в основу тех социологических идей, которые
были присущи материалистам в течение многих веков. Политические взгляды Де-
мокрита обнаруживают в нем сторонника умеренной демократии.
Прогресс античной науки неизбежно расшатывал основы традиционных религиоз-
ных верований. В первой половине V века до н. э. медик Эпихарм сделал попытку
объяснить происхождение веры в богов из обожествления предметов физического
мира. По его словам, «боги суть ветры, вода, земля, солнце, огонь, звезды».
Анаксагор утверждал, что солнце и другие светила — не что иное, как раска-
ленные камни. Эти представления не оставляли места для веры в солнечное боже-
ство, источник жизни.
Атомисты считали, что природа не нуждается в существовании движущего нача-
ла, «первотолчка» мирового разума (нус). Мир возникает в результате вихря,
который является причиной того, что более тяжелые тела скапливаются в центре,
а более легкие выталкиваются к периферии. Луна, по Демокриту, — каменная мас-
са, которая покрыта горами и ущельями, точно так же солнце — огромный камень,
который раскалился от вращения.
В V и IV веках до н. э. Афины были мозговым центром жизни Эллады. Именно
здесь разворачивалась борьба античного материализма и идеализма.
Утверждение в Афинах демократического строя, развитие частной собственно-
сти, оживленные сношения со многими греческими государствами, постоянные кон-
такты с другими народами — все это создало благоприятную обстановку для дея-
тельности так называемых софистов (буквально — «учителей мудрости»).
Напряженная политическая борьба, которая проявлялась в форме постоянных де-
батов в народном собрании и суде, порождала интерес к вопросам права, госу-
дарства, морали. Она создавала потребность в овладении искусством красноречия
(риторикой) и спора (эристикой).
Эти новые потребности удовлетворялись софистами, которые разъезжали по го-
родам и за деньги — иногда очень большие — обучали всех желающих овладеть их
искусством. Взгляды софистов и круг интересовавших их теоретических вопросов
были очень разнообразны. Общим для всех софистов было то, что они в большей
или меньшей степени отошли от вопросов естествознания, которые стояли в цен-
тре внимания философов предшествующего периода, и обратились к проблеме чело-
веческого познания.
В учениях древнейших греческих материалистов эта проблема была не разрабо-
тана достаточно полно. Сторонники элейской школы своим учением о коренном
различии между рациональным знанием и чувственной иллюзией завели ее в тупик.
В полемике с ними представитель так называемых старших софистов Георгий
(около 483-376) из Леонтин на Сицилии выдвинул утверждение, что с одинаковым
успехом можно доказать как то, что мир непознаваем, так и то, что его вообще
нет. Развивая эти положения, Георгий пришел к отрицанию возможности познания
мира и, в конце концов, к отрицанию самой объективной реальности. Современник
Георгия Протагор, уроженец города Абдер на фракийском побережье, который жил
в Афинах, отвергал существование истины, независимой от человеческого позна-
ния. «Человек есть мера всех вещей, существующих, как они существуют, не су-
ществующих , как они не существуют».
Материалистический взгляд на чувственное восприятие как основу познания у
Протагора приобретает односторонний характер. Чувства не могут ошибаться, по-
этому все люди равны, а истин столько же, сколько людей. Если существует ка-
кая-нибудь разница между различными точками зрения, то она имеет только прак-
тическое значение. Так, в сфере общественных отношений Протагор в соответст-
вии со своими политическими взглядами считал истиной то, что представляется
истинным большинству граждан. В этом утверждении противоречиво переплетается
попытка теоретически обосновать принципы античной демократии с общей реляти-
вистской тенденцией философии софистов.
Столь же противоречиво и учение Протагора о нравственности, которое он от-
делял от официальной религии. Как скептик, отрицающий существование объектив-
ной истины, Протагор сомневался и в существование богов: «Относительно богов
я не могу знать, существуют ли они или не существуют и каковы они». На этом
основании во время правления «четырехсот» в 411 году до н. э. Протагору было
предъявлено обвинение в атеизме. Он был вынужден бежать из Афин.
Скептицизм Протагора во многих отношениях был отражением назревших потреб-
ностей в ломке отживших традиционных представлений, что привлекало к нему та-
ких людей, как Перикл и Эврипид. Дальнейшее развитие выдвинутого Протагором
Положения «человек есть мера всех вещей» привело многих софистов к крайнему
релятивизму и солипсизму. Оперируя этим положением, они фактически лишили фи-
лософию всякого содержания, превратив ее в сомнительное искусство умственной
эквилибристики.
Об учениях младшего поколения софистов сохранились крайне скудные сведения.
Одни из них (Калликл, Гипподам, Критий) были связаны с реакционными олигархи-
ческими кругами и стремились теоретически оправдать их взгляды. Например,
Калликл противопоставлял исторически сложившемуся праву так называемое «есте-
ственное право», согласно которому, с его точки зрения, власть должна принад-
лежать только сильным. Эти сильные вправе пренебрегать законами. Другие из
младших софистов, напротив, стояли ближе к интересам и настроениям демократи-
ческих слоев. У них также было в ходу понятие «естественного права», но выво-
ды из него они делали диаметрально противоположные. Так, Ликофрон считал
знатность вымыслом. Дальше всех в этом отношении пошел Антифонт. В начале XX
века был найден фрагмент из его сочинения под названием «Об истине», где он
выступал против привычного для эллинов того времени пренебрежительного отно-
шения к «варварам».
«Детей знатных родителей мы чтим и уважаем, — писал Антифонт, — детей же
незнатного происхождения не чтим и не уважаем. Этому разделению мы научились
от варваров и ведем себя при этом, как варвары: но от природы мы все и во
всем устроены одинаково — и варвары и эллины. Все мы дышим через рот и нос, и
все мы едим руками».
Распространенные в среде софистов скептицизм и крайний релятивизм открыли
дорогу новому философскому направлению, которое пыталось разрешить проблему
познания с позиций последовательного идеализма. Начало этому направлению было
положено Сократом (469-399).
Сократ был афинским гражданином, сыном скульптора Софрониска, и прошел шко-
лу софистов. Не питая, подобно им, интереса к естественным наукам, Сократ со-
средоточил все свое внимание на проблемах этического характера. Источником
истинного знания Сократ провозгласил внутреннее самопознание (его знаменитое
«познай самого себя»). Только таким путем человек, по учению Сократа, может
прийти к истинному знанию; которое он отождествлял с добродетелью.
В то же время Сократ выступал против детерминизма материалистов, противо-
поставив ему телеологическое мировоззрение, учение о цели, которая определяет
существование любой вещи. И сам Сократ, и образовавшийся вокруг него кружок
учеников отрицательно относились к демократическому строю. Участниками этого
кружка были Ксенофонт, Критий, Платон и др.
Когда политическая чаша весов в Афинах после ликвидации олигархического
правительства «тридцати тиранов» склонилась на сторону демократии, Сократ был
обвинен в совращении юношества, «введении новых богов» и приговорен к смерт-
ной казни.
Отказавшись воспользоваться подготовленным его сторонниками побегом из
тюрьмы, Сократ выпил принесенную ему палачом чашу с ядом.
Ученик и последователь Сократа Платон (около 429-347) выступил со своим
учением в первые десятилетия IV века до н. э. После казни Сократа он был вы-
нужден бежать из Афин, но потом вернулся и основал здесь около 385 года фило-
софскую школу, известную под названием Академии.
По происхождению, политическим и философским взглядам Платон был представи-
телем афинской аристократии. Философские взгляды Платона и его последователей
представляют собой наиболее яркий образец объективного идеализма.
Чувственное бытие, материальный мир, по учению Платона, — лишь тень дейст-
вительного мира. Истинное же бытие заключено в вечных и неизменных общих иде-
ях. Познание этих объективно существующих идей, согласно Платону, возможно
для человека лишь потому, что его собственная бессмертная душа до воплощения
находилась в мире идей и может путем воспоминания постигать идеи.
В формировании системы объективного идеализма видную роль сыграло учение
пифагорейцев, с которым Платон познакомился во время своего пребывания в Си-
цилии .
Некоторые сочинения Платона проникнуты крайним мистицизмом. Свои философ-
ские взгляды он излагал преимущественно в форме многочисленных диалогов, на-
писанных им с большим художественным мастерством. Произведения Платона почти
полностью дошли до нашего времени.
В сочинении о государстве Платон развивал утопическую теорию идеального го-
сударства. В этом идеальном государстве управление общиной граждан находится
в руках философов, не имеющих ни семьи, ни частной собственности. Граждане
идеального полиса подразделяются на воинов, живущих совместно, и простой на-
род (ремесленники, земледельцы), который обязан своим трудом содержать высшие
слои общества. Утопическая республика Платона во многом напоминала государст-
венный строй древней Спарты и вместе с тем представляла собой афинскую идеа-
лизацию египетского кастового строя.
В более позднем сочинении — «Законы» — Платон ближе подошел к реально суще-
ствующим формам политического устройства современных ему греческих госу-
дарств . Здесь уже не говорится об общности имущества правящего слоя, хотя вы-
двигаются различные меры ограничения частной собственности, ремесла и торгов-
ли.
Позднее система Платона была подвергнута критическому пересмотру величайшим
мыслителем древности Аристотелем (384-322). Многочисленными произведениями
Аристотеля завершился классический период истории греческой философии.
Аристотель родился в Стагире, в семье придворного врача македонского царя
Аминты II. Он был современником Филиппа II и воспитателем его сына Александра
Македонского, т. е. жил в период кризиса полисного строя, а следовательно, и
полисной идеологии.
Аристотель выступил против основного положения всей философии Платона —
учения о сверхчувственном мире идей. По его мнению, платоновские «идеи» не
могут объяснить ни причин возникновения, ни причин изменения чувственно вос-
принимаемых вещей. Следовательно, нет никаких оснований видеть и «идеях» Пла-
тона неизменные сущности всех вещей и тем более утверждать, что вещи заимст-
вуют от них свое бытие. Поэтому «говорить, что идеи — это образцы и что все
остальное им причастно, — значит произносить пустые слова и выражаться поэти-
ческими метафорами». Значение этого высказывания Аристотеля не только в том,
что в нем подверглось критике главное положение Платона, но и в том, что оно
направлено против идеализма как философского течения.
В теории познания Аристотель в противоположность Платону признавал чувст-
венное восприятие вне нас находящегося объективного мира источником правиль-
ных представлений о нем. Однако, колеблясь между линиями Демокрита и Платона,
Аристотель, в конце концов, остался идеалистом.
Его философия оказалась не в состоянии диалектически решить вопрос об отно-
шении непосредственных ощущений к мышлению. Аристотель считал активным нача-
лом в процессе познания независимую от тела разумную душу. Та же самая идея
проходит и через учение Аристотеля о материи и движении. Материю он считал
пассивной и бесформенной, активное же начало целиком приписывал нематериаль-
ной форме, которая воздействует на материю, как на интересную массу, и преоб-
разует ее.
В итоге Аристотель пришел к понятию перводвигателя природы — «форме всех
форм» как основной первопричиной и в то же время конечной цели всеобщего раз-
вития , т. е. к богу. Эта сторона его учения была развита философами последую-
щих веков.
Аристотель был не только творцом философской системы, в которой ему так и
не удалось преодолеть влияние идеалистических настроений Платона, но и гени-
альным ученым. Под его руководством в Ликее, близ Афин возникла школа так на-
зываемых перипатетиков, многие из которых были первоклассными учеными.
Помимо работ по философии и логике Аристотель написал ряд сочинений по ес-
тествознанию , истории, политике, теории литературы и т. д. , которые подвели
своеобразный итог достижениям научной мысли эллинской культуры. Например, в
труде «Описание животных» Аристотель сделал одну из первых попыток дать зоо-
логическую классификацию, основанную на научных принципах. Во всех работах,
особенно в области естествознания, Аристотель часто оказывался значительно
ближе к материалистическому мировоззрению, нежели в своих философских по-
строениях .
В своих социальных воззрениях Аристотель целиком стоял на почве рабовла-
дельческого строя. Рабство он считал естественным состоянием для «варваров»,
а частную собственность — основой господства полноправных граждан. Аристотель
был сторонником смешанного государственного устройства, которое сочетало эле-
менты монархии, аристократии и демократии.
Работы Аристотеля и его учеников имеют большое значение для изучения соци-
ально-политической истории греческих полисов. Ими были составлены обзоры по-
литического строя 158 государств. Важнейшим из этих обзоров является «Афин-
ская полития», найденная в конце XIX века.
Величайшим вкладом в развитие исторической науки в V веке до н. э. стал
труд Геродота Галикарнасского, которого в античной традиции называли «отцом
истории». Геродот родился около 484 года в городе Галикарнасе на побережье
Малой Азии. Покинув родину, он долгое время жил в Афинах, где близко общался
с учеными и писателями, которые группировались вокруг Перикла.
Геродот много путешествовал. Он посетил страны Ближнего Востока, берега
Черного моря, жил в Великой Греции. Его труд, позднее разделенный по числу
муз на 9 книг, имел своей основной целью дать изложение истории греко-
персидских войн. Первые четыре книги в основном посвящены истории Востока: 1-
я и 3-я — Ассирии, Вавилону и Персии, 2-я — Египту, 4-я — Скифии. Эти книги
представляли собой своего рода введение в основную часть труда и должны были
осветить историю взаимоотношений между эллинами и «варварами» в период, пред-
шествовавший греко-персидским войнам.
Геродот добросовестно передал то, что видел и слышал во время своих стран-
ствий. Его сочинение содержит большое количество географических, этнографиче-
ских и естественнонаучных сведений. В частности, 4-я книга является ценным
источников наших знаний о скифах.
В его труде уже наметилось ставшее позднее традиционным деление на три час-
ти света — Европу, Ливию (Африку) и Азию. Геродот не владел восточными языка-
ми, поэтому для получения сведений ему приходилось прибегать к переводчикам,
а документальные источники (например, хроники) остались для него недоступны-
ми.
Несмотря на то, что Геродот стремился доказать справедливость войны, кото-
рую греки, прежде всего афиняне, вели против персов, великий историк был чужд
односторонности. По его собственным словам, главную цель своего труда он ви-
дел в том, чтобы «от времени не изгладилось в нашей памяти деяния людей, а
также, чтобы не были бесславно огромные и удивления достойные сооружения,
возведенные частью эллинами, частью варварами».
Геродот сумел отдать должное культуре Персии и Египта. Он с восхищением
рассказывал, например, о таких технических достижениях персов, как государст-
венные дороги. В своем труде Геродот руководствовался принципом: передавать
то, что говорят, но не всему верить. В некоторых отношениях Геродот сохранил
связь с приемами работы логографов.
В первых книгах его труда много отдельных эпизодов, которые носят характер
законченных новелл. Но в отличие от более ранних авторов, вплетавших подобные
рассказы в основную ткань своего изложения как ее органическую часть, он с
большим чувством такта подчеркивал их самостоятельность. Это нашло свое выра-
жение и в особенности стиля, и в легендарно-сказочной форме изложения.
Не особенно веря в эти легенды, Геродот воспользовался ими как художествен-
ным средством, чтобы оживить повествование, придать ему яркость и заниматель-
ность. Впрочем, Геродот еще не мог вполне отрешиться от веры в чудеса, приме-
ты и предсказания оракулов. Его философия истории построена на убеждении, что
боги завидуют людям и судьба преследует тех, кому выпало слишком большое сча-
стье .
Вершиной древнегреческой историографии стал труд Фукидида (около 460 — око-
ло 395) «История» в восьми книгах, посвященный Пелопоннесской войне, в кото-
рой Фукидид принимал непосредственное участие в качестве одного из афинских
стратегов. Изложение событий в ней доведено до осени 411 года до н. э. Смерть
помешала Фукидиду завершить свой труд.
Намекая на Геродота, Фукидид говорил: «Я не считал согласным со своей зада-
чей записывать то, что узнал от первого встречного, или то, что я мог предпо-
лагать, но записывал события, очевидцем которых был сам, и то, что слышал от
других, после точных, насколько возможно, исследований относительно каждого
факта, в отдельности взятого».
Трудность таких исследований Фукидид видел в том, что «очевидцы отдельных
фактов передавали об одном и том же неодинаково, но руководствуясь симпатией
к той или другой из воюющих сторон или основываясь на своей памяти».
Во вводной части к своей «Истории» Фукидид подвергал исторической критике
древнейшие сказания. Он скептически относился и к словам поэтов, которые вос-
певали события прошлого «с преувеличениями и прикрасами», и к тем прозаикам,
которые заботились «не столько об истине, сколько о приятном впечатлении для
слуха: ими рассказываются события ничем не подтвержденные и за давностью вре-
мени превратившиеся большей частью в невероятное и сказочное».
Стремление к научному изучению фактов, недоверие ко всяким чудесам и пред-
знаменованиям были настолько сильны у Фукидида, что некоторые античные авторы
даже обвиняли его в атеизме. Великий греческий историк уже понимал разницу
между внешними поводами исторических событий, например войн, и более глубоки-
ми их причинами.
Фукидид придавал большое значение естественно-географическим условиям и ма-
териальным ресурсам — денежным средствам государства, а также, к известной
степени, общественным интересам его граждан. Задачу историка — дать потомкам
«ясное представление о минувшем» — он отделял от чисто нравоучительных целей,
которые преследовал Геродот.
Ксенофонт (около 430-353) — младший современник Фукидида — пытался продол-
жить в «Греческой истории» труд своего предшественника, однако во многих от-
ношениях Ксенофонт явно уступает Фукидиду.
Ксенофонт был афинским аристократом-спартанофилом и как наемник сражался в
персидском войске. В своих исторических, политических и экономических сочине-
ниях Ксенофонт идеализировал олигархический и монархический строй, выступал в
качестве защитника «традиционного» земледельческого хозяйства.
Как историк, Ксенофонт отличался наблюдательностью. В его трудах много важ-
ных подробностей, в частности, о знаменитом описании похода 10 тысяч греков —
участников борьбы Кира младшего за персидский престол. Точность характеристик
и ясность языка принесли Ксенофонту славу «аттической пчелы». От Фукидида его
отличает склонность к морализированию при изложении и оценке исторических со-
бытий .
Как уже говорилось, необходимость выступать с изложением своих взглядов и
политических программ перед согражданами, острые споры в народном собрании,
частые судебные дела породили потребность в специальных занятиях риторикой.
Красноречие весьма высоко ценилось в Греции. Речи не только произносились
ораторами, но и облекались в письменную форму, приобретая тем самым характер
особого литературного жанра, который оказал значительное влияние на развитие
прозаической литературы в целом.
К концу V и особенно в IV до н. э. риторический жанр достиг наибольшего
развития. Образцом судебного красноречия считались речи Лисия (около 459-
378) . Они просты, так как предназначены для произнесения лицом, неопытным в
красноречии. Они кратки, так как время выступления регламентировалось
водяными часами (клепсидрой) . Язык этих речей чист — в нем отсутствуют
устаревшие слова или неологизмы.
В речах Лисия не было аффектации, ложного пафоса, излишней поэтической об-
разности . Речи Лисия ярко отражали быт и нравы Афин. Перед читателями как бы
проходят инвалид, лишенный пособия, истец, вставший на защиту малолетних де-
тей, обобранных опекуном, муж, убивший из ревности своего соперника, и т. д.
Иной характер носили торжественные речи Исократа, предназначенные для пуб-
личных собраний. Обладая слабым голосом, Исократ не мог произносить собствен-
ные речи. Речи Исократа тщательно отделаны. Исократ был мастером большого
ораторского периода, логически и ритмически расчлененного.
В произведениях Исократа заметно стремление к виртуозности. Он обращал
большое внимание на звуковую сторону, например, старательно избегал встречи
двух главных, так называемого «зияния». В своих речах Исократ, который примы-
кал к олигархической группировке, проводил мысль о необходимости сплочения
эллинов любой ценой, даже под властью Македонии, для похода против «варвар-
ской» Персии и освобождения порабощенной Ионии. По его мнению, это явилось бы
выходом из тяжелого кризиса, в котором находились греческие города-
государства. Исократ оказал большое влияние на современную ему историографию.
Мужественным защитником принципов демократии оставался Демосфен. Громадная
настойчивость и убежденность в правоте своего дела в соединении с исключи-
тельным ораторским мастерством сделали Демосфена величайшим оратором древно-
сти. На протяжении 30 лет Демосфен оставался одним из самых опасных и упорных
противников Филиппа II.
Язык Демосфена был чисто аттический, без архаизмов и напыщенности. Вместе с
тем он богат и разнообразен, свободен и подвижен. В нем нет холодной правиль-
ности речей Исократа. Большой интерес представляют также судебные речи Демос-
фена.
В области литературного творчества V и IV века до н. э. были временем высо-
кого подъема и появления новых литературных жанров. Ведущая роль в развитии
литературы целиком переходит к Афинам — главному центру культурной жизни всей
Греции.
Утверждение в Афинах демократического строя наложило свой яркий отпечаток и
на литературное творчество. Писатели этого времени, даже те, кто не были сто-
ронниками демократии, не могли не считаться с запросами своих сограждан.
Классическая греческая литература до сих пор поражает глубиной, тонкостью и
разнообразием высказанных в ней мыслей и силой их художественного выражения.
Отсюда вытекает ее огромное влияние на все последующее развитие мировой лите-
ратуры .
Если для архаического периода характерно развитие лирической поэзии, то на
V-IV века пришелся расцвет трагедии и комедии, т. е. литературных жанров,
связанных с театром. Театральные зрелища родились в Греции из культовых обря-
дов, связанных с празднествами Диониса — бога умирающей и воскресающей приро-
ды, покровителя виноделия. Исполняемые на этих празднествах хором ряженых
песни уже содержали в себе элементы примитивного театрального действия.
Но для V века это уже было далеким прошлым, связь с которым ощущалась лишь
постольку, поскольку театральные зрелища, например в Афинах, приурочивались к
праздникам в честь Диониса — «Великим дионисиям» и «Малым дионисиям». В это
время театр в Афинах и в других греческих полисах становится одним из важней-
ших центров общественной жизни и пользуется огромной популярностью.
Слово «театр» происходит от греческого глагола «созерцаю» и может быть пе-
реведено как «место для зрелищ». Первоначально не существовало постоянных со-
оружений для театральных представлений. Театры начали строить позднее и не-
редко огромных размеров. Так, построенный в Афинах в IV веке до н. э. на юго-
восточном склоне Акрополя театр вмещал до 17 тысяч человек, т. е. около поло-
вины всех афинских граждан, а театр в аркадском городе Мегалополе — 44 тысяч
зрителей.
Остатки театра в Мегалополе.
При таких гигантских размерах греческие театры были лишены кровельных пере-
крытий. Актеры и зрители находились под открытым небом. Театральное действие
происходило при естественном освещении. Места для зрителей располагались по-
лукругом, уступами и были разделены проходами. Для переодевания актеров слу-
жила палатка (по-гречески «скенэ»), позднее ее заметило особое сооружение,
сохранившее то же название.
На передней стене этого сооружения, которое было обращено к зрителям, рисо-
вали декорацию, и перед ней выступал актер. В дальнейшем словом «скенэ» стали
называть помост перед сценой. От греческого «скенэ» и произошло слово «сце-
на» . Перед скенэ находилась утрамбованная площадка, так называемая орхестра,
предназначенная для танцев и хора.
Усовершенствование декораций шло параллельно с развитием живописи и овладе-
нием теории перспективы. Первую перспективную декорацию приписывают Агафарху,
который устроил ее при постановке трагедии Эсхила в Афинах. Особые приспособ-
ления (энкиклемы) давали возможность показывать богов и героев, парящих в
воздухе и своим появлением вносящих в действие неожиданную развязку.
Руководство спектаклем обычно брал на себя сам автор трагедии или комедии.
Часто он выступал и в качестве актера. Хор, обязательный для всех видов гре-
ческих театральных постановок, подготавливался так называемыми хорегами за их
собственный счет и порядке почетной общественной повинности — литургии.
В дни «Великих дионисии» в Афинах устраивались театральные состязания.
Обычно они проходили между тремя авторами трагедий. Каждый из участников это-
го состязания ставил три трагедии, т. е. три произведения, написанных на
скорбный, чаще всего заимствованный из мифов, сюжет, и одну так называемую
сатировскую драму, сюжет которой также брался из мифов, но трактовался шутли-
во , иной раз даже карикатурно.
Состязания устраивались и среди авторов комедий, ставивших по одной пьесе.
Результаты состязаний фиксировались в особых надписях — так называемых дида-
скалиях, которые хранились в афинском государственном архиве. Общее наблюде-
ние за проведением театральных зрелищ лежало на архонтах.
Как уже говорилось, из государственной казны афинские граждане получали
теорикон — особое пособие на посещение театра. За счет этих средств и литур-
гий покрывались все связанные с театральными постановками расходы, которые
были весьма значительны.
Аристотель в своей «Поэтике» отмечал, что предметом трагедии должно быть
значительное событие. Трагедия не есть простое повествование о случайном,
единичном факте. В ней единичное событие возвышается до обобщения.
Волнующая значительность образов классической греческой трагедии, чеканная
строгость и совершенство формы были причиной того, что на протяжении столетий
образы трагических героев древней Греции продолжали жить в литературе евро-
пейских народов. К ним принадлежат Прометей, Эдип, Федра, Антигона, Ифигения.
Как правило, трагические поэты черпали сюжеты для своих произведений из ми-
фологии . Но иногда сюжетами трагедий были события исторические. Так, один из
первых афинских трагиков Фриних вскоре после разрушения Милета персами поста-
вил трагедию «Взятие Милета», а после победы над персами при Саламине — тра-
гедию «Финикиянки», в которой прославлялся Фемистокл.
Первым же афинским трагиком традиционно считается Феспид, который поставил
свою трагедию в 534 году до н. э.
Дальнейшее развитие трагического жанра связано с именами трех великих афин-
ских поэтов — Эсхила, Софокла и Эврипида. О времени их жизни можно судить
лишь по нескольким фактам. Эсхил в 480 году до нашей эры участвовал в Сала-
минской битве, Софокл пел в хоре юношей на праздновании этой победы, а Эври-
пид, согласно преданию, как раз родился в это время.
Эсхила называли «отцом трагедии». Он происходил из знатного рода. Его поли-
тические взгляды отличались консерватизмом. По сообщению древних источников,
Эсхил написал 90 трагедий. До нашего времени дошли только 7. Несмотря на ис-
пользованные в этих трагедиях мифологические сюжеты, Эсхил откликался на ак-
туальнейшие вопросы своего времени.
Так, основная тема трилогии Эсхила «Орестея», которая состоит из трагедий
«Агамемнон», «Хоэфоры», «Эвмениды», — борьба между гибнущим материнским и по-
беждающим отцовским правом. Содержание этой трилогии сводится к следующему.
Клитемнестра вместе со своим возлюбленным Эрнстом умерщвляет своего мужа Ага-
мемнона, который вернулся после взятия Трои. Мстя за смерть отца, Орест уби-
вает свою мать и ее любовника. За это его преследуют богини мести, змеиново-
лосые Эриннии. Блюстительницы старинных начал матриархата, они не считают ви-
новной Клитемнестру, ибо «чужим по крови был убитый ею муж». Но сторону Оре-
ста принимают новые боги — Аполлон и Афина, которые попирают «скрижаль ста-
ринных правд». Афине удается «преклонить одичалых богинь неподатливый гнев».
Ареопаг, который учреждается ею, оправдывает Ореста. Превратившись в благих
Эвменид, Эриннии остаются в Афинах и становятся их богинями-покровительница-
ми.
В трагедии «Прикованный Прометей» Эсхил создал образ мужественного борца
против богов, за счастье человечества. Образ Прометея потом на протяжении
многих веков воодушевлял деятелей мировой литературы.
Трагедия «Персы» была написана не на мифологической, а на актуальный исто-
рический сюжет. Трагедия отражала торжество афинян, которые одержали истори-
ческую победу в борьбе против Персии, и содержала подробное описание Саламин-
ского сражения.
Трагедии Эсхила были написаны еще в традициях полуэпической хоровой лирики.
Но в этой области Эсхил проявил себя новатором. В старой трагедии главным
действующим лицом был хор, который вступал в диалог с единственным актером.
Эсхил впервые вывел на сцену одновременно двух актеров и тем самым создал не-
зависимый от хора актерский диалог. Позднее этот актерский диалог стал быстро
развиваться за счет хоровой части.
Последующее развитие театрального искусства шло настолько быстро, что афи-
нянам конца V века до н. э. Эсхил по сравнению с Софоклом и особенно Эврипи-
дом представлялся уже поэтом далекого прошлого. Так, в комедии Аристофана
«Лягушки» Эсхил олицетворяет героическое, но уже безвозвратно ушедшее время.
Другой великий афинский поэт — Софокл — был современником Перикла. По сво-
ему происхождению Софокл принадлежал к зажиточным торгово-ремесленным слоям
афинского демоса. Он был не только поэтом, но и государственным деятелем. В
440 году до н. э. вместе с Периклом он занимал должность стратега.
По преданиям, Софокл написал 120 произведений. Из них до нас полностью дош-
ли (не считая отрывков) 7 трагедий и 1 сатировская драма. Наибольшей извест-
ностью из них пользуются трагедии на сюжеты фиванского цикла «Эдип-царь» и
«Антигона».
В трагедии Софокла «Эдип-царь» дельфийский оракул предсказывает, что сын
фиванского царя Лайя и царицы Иокасты Эдип убьет своего отца и женится на
своей матери. Поэтому в младенческом возрасте он был брошен родителями. Эдипа
усыновил царь Коринфа Полиб. Слухи, что Эдип не настоящий сын Полиба, заста-
вили юношу отправиться в Дельфы. Дельфийский оракул не дал ему прямого ответа
на вопрос о его происхождении, но известил, что он убьет отца и женится на
матери. «У распутья, где две дороги с третьей сошлись», Эдип, сам того не
зная, убил своего отца во время случайной встречи и вспыхнувшего спора. Про-
ходя через Фивы, Эдип освободил город от хищного чудовища Сфинкса. Он стано-
вится царем Фив и мужем царской вдовы Иокасты.
Действие трагедии Софокла начинается с того момента, когда оба преступления
уже давно совершены. Прошло 15 лет. Эдип — отец четверых детей. Все последую-
щее содержание трагедии посвящено постепенному раскрытию ужасной правды, ко-
торую гонит от себя сознание героя и которая приводит в конце драмы к само-
убийству Иокасты и самоослеплению Эдипа. Сорвав золотую застежку с плеча
умершей матери, Эдип выкалывает себе глаза острой иглой, после чего отправля-
ется бродить по дорогам Греции, прося милостыню, в сопровождении своей дочери
Антигоны.
В основе этой трагедии лежит представление Софокла и его современников о
роли судьбы в жизни людей. Уже Гомер упоминает о богинях судьбы, — мойрах,
которые стоят выше самих богов. В греческой трагедии вопрос о судьбе стано-
вится одним из центральных. Но в мировоззрении греческих трагиков не было фа-
тализма, покорности судьбе. Именно то, что греческая трагедия показывала че-
ловека в борьбе с судьбой, утверждало силу человека, его героизм и его свобо-
ду.
В уже упоминавшейся трагедии Эсхила в образе Прометея изображен мятежный
титан, который похитил с неба божественный огонь и научил людей искусствам. В
«Антигоне» Софокла хор воспевает силу человека, который покоряет природу. Че-
ловек смело держит путь за море под мятежный вой вьюги, он бороздит плугом
землю, он подчинил своей власти стаи беззаботных птиц, лесных зверей, рыб —
«на всех искусные сети плетет разумный муж».
На протяжении сравнительного короткого времени греческая трагедия претерпе-
ла значительную эволюцию. Ее развитие шло по пути усложнения действия и рас-
ширения тематики. Так, Эсхил ввел второго актера и тем самым сделал диалог
независимым от хора. Следующий шаг в этом направлении сделал Софокл — в его
трагедиях выступают уже три актера, хотя по-прежнему преобладал диалог двух
действующих лиц.
Введение трех актеров позволило усилить контрасты. Наряду со столкновением
двух антагонистических сил появился третий контрастирующий элемент — характер
мягкий и кроткий. Три актера начали исполнять несколько ролей, так что дейст-
вующих лиц в трагедии стало больше, чем исполнителей. Второстепенные дейст-
вующие лица (пастухи, слуги, рабы) также приобрели большое значение.
В зависимости от исполняемой роли менялась и одежда актера. Вместо грима
использовались маски, которые закрывали не только лицо, но и часть головы.
Один и тот же персонаж мог по ходу действия появляться в разных масках. Обувь
актеров, так называемые котурны, с очень высокими толстыми подошвами увеличи-
вала их рост.
Параллельно с усложнением действия шло и психологическое усложнение харак-
теров действующих лиц. Характеры Эсхила были «трагической маской», которая
оставалась неизменной на протяжении всей драмы. Эсхил использовал крутые по-
вороты действия, резкие сопоставления на протяжении одной и той же сцены, на-
пример , превращение мстительных Эринний в благих Эвменид. Но у него еще не
было постепенных психологических переходов, как, например, у Софокла в «Анти-
гоне», где диалог Гемона с его отцом Креонтом, начинаясь в тоне сыновней поч-
тительности, разгорается до мятежного протеста и отчаяния.
Свое дальнейшее развитие античная трагедия получила в творчестве третьего
выдающегося представителя этого жанра — Эврипида. Из биографии Эврипида из-
вестно сравнительно немного. Он родился в 485 году до н. э. на острове Сала-
мин. Его родители занимались мелкой торговлей. Вступив в общественную жизнь,
Эврипид познакомился с учением философа Анаксагора, сблизился с Протагором и
другими софистами, которые оказали на него большое влияние. Впрочем, философ-
ские воззрения Эврипида никогда не отличались четкостью и последовательно-
стью.
Из 92 произведений Эврипида до нашего времени сохранились 18 трагедий, 1
сатировская драма и значительное количество фрагментов из других, в том числе
лирических, его произведений. Незадолго до смерти Эврипид уехал из Афин в Ма-
кедонию, где написал свою последнюю трагедию — «Вакханки». Умер Эврипид в 408
или 407 году.
В творчестве Эврипида уже заметны симптомы надвигающегося кризиса полисного
миросозерцания. Это проявилось в пересмотре Эврипидом, как и многими его со-
временниками, целого ряда прежде незыблемых традиционных представлений.
Так, если в основе трагедий Эсхила и Софокла еще лежит идея о разумных
управляющих, миром божественных силах, то в трагедиях Эврипида можно встре-
тить уже довольно скептические высказывания относительно всемогущества богов.
Так, например, в трагедии «Электра» хор выражает сомнение в том, что Зевс мо-
жет по своей воле изменить движение солнца и звезд.
В других трагедиях Эврипида проявляется скептическое отношение к прорицани-
ям оракула или богам придаются непривлекательные черты — подчеркивается их
алчность, жестокость, низменные страсти. В сохранившихся отрывках из трагедий
«Александр» и «Меланиппа-узница» излагаются воззрения и мысли софистов в ес-
тественном праве и природном равенстве всех людей — и рабов, и свободных.
Для своих трагедий Эврипид обычно заимствовал второстепенные мифологические
сюжеты. Это открывало перед ним возможность трактовать их с большей свободой.
При этом Эврипид стремился выбирать эпизоды, богатые страстями и страданиями,
в сценическом изображении которых он был непревзойденным мастером.
Тонкая психологическая наблюдательность и художественное дарование сочета-
лись у Эврипида с редкой смелостью в трактовке моральных проблем. Ярким тому
примером могут служить его трагедии «Медея» и «Ипполит». В них Эврипид с
большой художественной силой рисует моральную драму женщины, которая порожде-
на ее положением и уже наметившимся кризисом старых семейных устоев.
Вопрос о положении женщины в семье и обществе многосторонне освещался и в
других трагедиях Эврипида. Даже сама постановка этого вопроса казалась многим
современникам Эврипида, особенно принадлежавшим к консервативному лагерю,
чрезмерно радикальной. Весьма показателен тот факт, что, выступав на поэтиче-
ских соревнованиях свыше 20 раз, Эврипид только 4 раза смог победить на них.
Огромное художественное дарование Эврипида по-настоящему было оценено уже
после его смерти последующими поколениями. В эллинистическую эпоху он стал
любимым поэтом афинян.
Политические взгляды Эврипида отразились в ряде его трагедий, особенно в
«Гераклидах», «Просительницах», «Андромахе» и «Троянках». В них он выступает
горячим афинским патриотом, который прославляет морское могущество Афинской
державы, и сторонником демократического строя, хотя радикальную демократию в
«Просительницах» и в «Оресте» Эврипид осуждал.
Для Эврипида было характерно также резко отрицательное отношение к консер-
вативной Спарте (трагедия «Гераклиды») и дельфийскому оракулу, вызванные Пе-
лопоннесской войной бедствия нашли отражение в его трагедии «Троянки», где
ярко изображаются горе побежденных и несчастья пленников.
В целом Эврипид и по приемам художественного изображения, и по содержанию
произведений значительно отходит от своих предшественников. В его трагедиях
нельзя найти ни строгой торжественности Эсхила, ни монументальных фигур Со-
фокла. Отнюдь не отказываясь от приемов поэтического обобщения образов своих
героев, Эврипид, однако, трактует их ближе к условиям реальной жизни.
По сравнению с трагедией и сатировской драмой афинская комедия V века до н.
э. носила гораздо более острый политический характер. Афинская комедия живо
откликалась на текущие политические события. Истоки этого жанра исследователи
связывают с сельскими праздничными шествиями в честь Диониса, которые были
распространены во всех частях Греции, особенно в Аттике. Эти шествия сопрово-
ждались шутками, остротами, взаимными передразниваниями и шутливыми перебран-
ками.
Другим источником комедии считаются популярные тогда в Сицилии мимы — жан-
ровые сценки, которые получили литературную обработку во второй половине V
века. Первоначально комедия сводилась к чередованию выступлений запевалы и
хора. Первым, кто в начале V века ввел в комедию фабулу и завязку, придав ей
целостность и законченность действия, был сицилийский поэт Эпихарм.
В том же столетии комедия достигла высокого развития в Аттике. Сюжет коме-
дии являлся плодом авторской фантазии, художественного вымысла. Этим она от-
личалась от античной трагедии, которая, как правило, черпала свои сюжеты из
традиционных мифологических сказаний.
Один из авторов комедий иронически замечал по этому поводу, что трагедия —
«настоящая счастливица»: «Все, о чем она повествует, известно зрителю задолго
до того, как она надумает сказать свое первое слово... У нас же, комиков, ниче-
го подобного нет. Мы должны сами все придумывать: мы должны изобретать имена,
должны создавать для своих героев и минувшее и настоящее, должны снабжать
пьесу и заключением и началом».
В комедии не соблюдалось единство места, строго соблюдавшееся в античной
трагедии. Действие греческой комедии быстро, переносилось из города в деревню
или даже с земли на небо.
Из политических комедий V века до нашего времени сохранились полностью, а
не в отрывках, только комедии Аристофана (около 446-385), — крупнейшего пред-
ставителя этого античного жанра. Согласно преданиям, Аристофан написал 44 ко-
медии, но из них только 11 сохранилось.
В этих комедиях ярко запечатлелись политические воззрения автора, который
отстаивал точку зрения аттического крестьянства, разоряемого междоусобицами.
Аристофан был крайне недоволен авантюристической политикой современных ему
вождей «радикальной демократии». Острие сатиры Аристофана направлено, прежде
всего, против Клеона, образ которого был выведен в комедиях «Всадники» и «Ва-
вилонянки», дошедшей до нас не полностью.
«Радикальная демократия» высмеивается также в «Осах». В комедиях «Ахарня-
не», «Мир» и «Лисистрата» Аристофан с большой эмоциональной силой выступает
против бесконечных войн, которые приносит афинскому народу неисчислимые бед-
ствия .
Аристофан был великим реалистом. Однако его искусство очень своеобразно. В
нем много живой и яркой фантастики. Острую политическую тенденциозность и
беспощадную наблюдательность сатирика Аристофан сочетает с условными приемами
народного театра.
Так, в комедии «Птицы» фигурирует государство, которое создано птицами в
воздухе. В «Лисистрате» женщины всей Эллады объявляют бунт против своих мужей
и уходят на афинский Акрополь, требуя прекращения войны. В другой комедии они
захватывают всю государственную власть в свои руки.
Такие фантастические положения были одним из средств, которые позволяли в
завуалированной и имеете с тем достаточно прозрачной форме говорить о злобо-
дневных вопросах политики, искусства, морали. Но в своих произведениях Ари-
стофан откликался не только на политические события.
Комедия «Лягушки» посвящена высмеиванию современных ему литературных тече-
ний. В «Облаках» Аристофан иронизирует над софистами, к числу которых относит
и Сократа. В этой комедии подвешенный в корзинке Сократ размышляет о Солнце.
Прошедший у Сократа курс философского обучения юноша начинает доказывать отцу
свое право бить его, после чего озлобившийся отец поджигает «мудрилище» его
учителя.
Литературные приемы и язык Аристофана замечательны своим разнообразием. На-
ряду с пародированием торжественного языка дифирамбов, эпической поэзии и
ораторской речи, языка оракулов и драматических поэтов Аристофан пользовался
простонародными словами, многосложными, производящими комическое впечатление
словообразованиями, различными звукоподражаниями, напоминающими щебетанье
птиц или кваканье лягушек.
Стих Аристофана отличается ритмическим своеобразием и свободой метрики.
Диалог Аристофана поражает быстротой и стремительностью. Комизм усиливается
приемами неожиданного разрушения сценической иллюзии. Например, актер во вре-
мя полета обращается к служителю сцены, который управляет машиной, с просьбой
не уронить его.
Всему этому соответствовали одежды актеров и хора. Участники хора изобража-
ли птиц, ос, лягушек, облаков. «Птицы» в комедиях Аристофана появлялись с
фантастическими клювами, «осы» тащили за собой свои жала, персидский посол
Лжеартаб в комедии «Царское око» был представлен с единственным громадным
глазом, который закрывал все лицо.
В IV веке до н. э. греческая комедия уже теряет свой прежний ярко выражен-
ный политический характер и превращается в комедию бытовую.
Особого разговора заслуживает развитие в этот период музыкального искусства
Греции. Многие поэтические легенды и мифы подчеркивают то исключительное зна-
чение , которое древние греки придавали музыке. Орфей своим пением зачаровывал
диких зверей, деревья и скалы. Под звуки лиры Амфиона послушно ложились камни
при постройке Фив.
Все эти мифы и предания свидетельствуют о глубокой вере эллинов в силу му-
зыки. Эстетические учения складывались в Элладе в значительной мере под влия-
нием музыкальных впечатлений и теорий. Выражение «гармония» имело у греков
необычайно широкое значение. Например, писатели пользовались им, говоря о
произведениях архитектуры.
В среде пифагорейцев возникло учение о гармонии небесных сфер. Светила,
мол, в своем движении рождают звуки, которые соответствуют тем, которые упот-
ребляются в музыке. В Спарте музыка была тесно связана с гимнастическими уп-
ражнениями и военной тренировкой юношей.
Инструменты у греков подразделялись на струнные, духовые и ударные. Смычко-
вых инструментов эллины не знали. Струнные инструменты нередко обозначались
общим названием — лира. Наряду с лирой в собственном смысле слова были широко
распространены также кифара, барбитон и другие инструменты.
К духовым инструментам принадлежали флейта и различные виды труб. Важнейши-
ми ударными инструментами были кимвалы и тимпаны. Противопоставление лиры или
кифары и флейты стало классическим в эллинистической литературе. Кифара счи-
талась инструментом светлого бога Аполлона — бога гармонии, предводителя муз.
Ее звуки ассоциировались с ощущением и, казалось, снимали боль. В противопо-
ложность ей музыка флейты говорит на языке страсти. Это музыка бога Диониса.
Игра на музыкальных инструментах у греков первоначально сводилась главным
образом к аккомпанементу. На инструменте брались те же ноты, которые пел пе-
вец . Постепенно развилось «разноголосие», так называемая гетерофония, т. е.
звуки голоса и звуки сопровождения перестали совпадать.
Вынужденная приспосабливаться к богатству стихотворных размеров, к приемам
декламационного пения, греческая музыка достигла высокого ритмического разно-
образия. Напротив, в гармоническом отношении (одновременное звучание несколь-
ких звуков) она не развивалась. Эллада знала лишь созвучия и не знала аккор-
дов , которые состоят из трех и более звуков.
В Элладе отсутствовали многоголосие и оркестры. Хоры исполнялись в унисон.
Инструментальная музыка начала развиваться еще в архаическую эпоху и получила
дальнейшее развитие в V веке до н. э. К сожалению, до нашего времени дошло
весьма незначительное количество памятников греческой музыки.
Основа теории музыки и музыкальной акустики была заложена в Греции Пифаго-
ром и развита его последователями. Согласно преданию, Пифагор установил соот-
ношение между высотой звука и длиной струны — чем длиннее струна, тем ниже
звук. Простейшим отношениям длин (1:2; 3:2; 4:3) соответствуют благозвучные
интервалы (октава, квинта, кварта).
В отличие от пифагорейцев ученик Аристотеля Аристоксен в конце IV века до
н. э. стал придавать основное значение не математическим изысканиям, а реаль-
но слышимым соотношениям между звуками. Противоположность этих двух направле-
ний долго сохранялась и определила два различных пути музыкально-теоретичес-
ких исследований.
Ко времени Аристоксена сформировалась и нотация — обозначение звуков услов-
ными знаками. Для этой цели пользовались буквами. Нотация вокальной и инстру-
ментальной музыки различалась.
V и IV века до н. э. были временем подлинного расцвета греческого изобрази-
тельного искусства. Это один из наиболее значительных периодов в истории ми-
рового искусства в целом. В V веке впервые в истории человечества в Элладе
развивается художественное творчество, стоящее на почве высокого и сознатель-
ного реализма.
Постепенно преодолевались условность и схематизм архаического периода. Чер-
пая свои образы из действительной жизни, греческие художники создавали выдаю-
щиеся произведения, которыми впоследствии вдохновлялись и которым подражали
лучшие мастера мирового искусства.
К сожалению, подавляющее число памятников художественного творчества первой
половины V века не сохранилось до нашего времени. Монументальная живопись из-
вестна лишь по описаниям или воспроизведениям на монетах. От многих архитек-
турных сооружений сохранились лишь фундаменты.
Такова была судьба произведений и великого греческого живописца Полигнота,
который жил в середине V века до н. э. Его влияние не только на живопись, но
и на скульптуру ощущается на протяжении всего века. Из фресок Полигнота, ко-
торые украшали так называемый «Пестрый портик» в Афинах, не сохранилось ни
одной. Они известны нам лишь по позднейшим описаниям.
Полигнот впервые создал сложные многофигурные композиции, используя наибо-
лее драматические сюжеты эллинской мифологии и истории. Некоторое представле-
ние о композиционных и изобразительных приемах Полигнота дает современная ему
краснофигурная вазовая живопись. Для расписывавших эти вазы художников, несо-
мненно, образцом служила живопись Полигнота.
В пластическом искусстве также произошел существенный сдвиг. Скульпторы V
века отошли от господствовавшего в архаическом искусстве принципа схематиче-
ской и неподвижной трактовки человеческой фигуры. Уже в середине этого века в
творчестве трех наиболее прославленных скульпторов — Мирона, Фидия и Поликле-
та — греческая пластика достигает классического совершенства.
На вторую четверть V века приходится расцвет творческой деятельности Миро-
на , уроженца Элевфер. Он прославился изображениями атлетов — победителей на
соревнованиях. Сохранились копии его «Дискобола» и отдельных фигур скульптур-
ной группы. И первом из этих произведений Мирон запечатлел наиболее вырази-
тельный момент в движении атлета, мечущего диск. Группа «Афина и Марсий» от-
личается тонкостью психологической характеристики каждого из этих образов.
«Афина и Марсий» Мирона.
Творческая деятельность другого великого скульптора — аргосца Поликлета —
развернулась в несколько ином направлении. Он также жил во второй половине V
века, но являлся выразителем строгих дорических идеалов. Поликлет пытался ус-
тановить систему математически точных пропорций человеческого тела, изложив
ее в особом теоретическом трактате «Канон». И хотя популярность Поликлета бы-
ла огромной, это не мешало некоторым современникам упрекать его в однообра-
зии.
Дорифор. Римская мраморная реплика из Помпеи древнегреческого
бронзового оригинала 450—440 гг. до н. э. скульптора Поликлета
Аргосского.
Еще одним важным достижением в изобразительном искусстве ознаменовалась
вторая половина V века до н. э. Художники Аполлодор из Афин, Зевксис из южно-
италийской Гераклеи и Паррасии из Эфеса, которые стремились к созданию живых
человеческих образов, разработали воздушную и линейную перспективу, светоте-
невую моделировку, более тонкий и богатый колорит. Это имело такое же значе-
ние для дальнейшего развития живописи, как отказ от архаического принципа не-
подвижности в скульптуре.
Шедевром мировой архитектуры, без сомнения, является ансамбль афинского Ак-
рополя, который возник во второй половине V века. После возведения новых обо-
ронительных сооружений, так называемых «Длинных стен», Акрополь утратил свое
значение главного городского укрепления. В результате новой застройки он при-
обрел характер религиозного и художественного центра города. В Акрополе хра-
нилась казна афинян и их союзников. Сюда в праздничные дни направлялись из
города торжественные процессии. Ансамбль Акрополя был создан трудами лучших
мастеров эпохи.
Афинский Акрополь.
Во время правления Перикла зодчим Иктином и Калликратом был построен храм
Афины-Девы — Парфенон. Вслед за тем у входа в Акрополь возникли мраморные
Пропилеи и небольшой храм Никэ Аптерос — бескрылой Победы. Афиняне изображали
ее именно бескрылой, ибо считали, что, не имея крыльев, Победа никогда не по-
кинет их.
Парфенон в Нашвилле, штат Теннесси, США — точная полноразмерная
копия афинского Парфенона.
Позднее был построен Эрехтейон — храм, который объединил древнейшие культы
города, в том числе культ легендарного царя Афин Эрехтея.
Характерными особенностями ансамбля Акрополя являются его свободная асим-
метричность и гармония с окружающей местностью. Естественные особенности
рельефа остались практически нетронутыми. Ансамбль Акрополя раскрывается в
определенной последовательности, здания обращены к зрителю под некоторым уг-
лом. Отсутствует мертвая симметрия и однообразное повторение в деталях.
Архитектурные формы Акрополя органически сочетались с другими видами искус-
ства. В левом крыле Пропилеи находилось собрание картин, так называемая пина-
котека. На площади Акрополя возвышалась гигантская статуя Афины-Воительницы с
золотым копьем. Парфенон был построен в дорическом ордере, но получил некото-
рые черты, свойственные ионическому ордеру. Таков, например, проходящий по
стене храма фриз.
В этом сочетании как бы отражался всеэллинский характер главного здания
афинского Акрополя. Подойдя к Парфенону, можно было увидеть на фронтонах
скульптурные изображения, которые непосредственно связаны с Афиной, — ее чу-
десное появление из головы Зевса, ее спор с Посейдоном за обладание Аттикой.
В метопах были изображены эпизоды борьбы мифического племени лапифов с ди-
кими кентаврами, битвы с титанами, амазонками, фрагменты Троянской войны, на
фризе стены — шествие афинян (работа Фидия). Внутри высилась статуя Афины из
слоновой кости и золота, также вышедшая из-под резца Фидия.
Общий уровень художественной культуры в греческом искусстве в IV веке до н.
э. еще остается очень высоким. Развиваются новые черты, которые не были ха-
рактерны для V века: тонкая наблюдательность, более свободное выражение инди-
видуальных особенностей.
Но классическая гармония века Фидия уходит в прошлое. Общественный идеал
греческого искусства становится менее значительным. Его вытесняет психологи-
ческий интерес к внутренней жизни личности.
Знаменитый скульптор середины IV века до н. э. афинянин Пракситель был яр-
ким представителем этого нового направления. Единственная дошедшая до нас его
работа — Гермес с младенцем Дионисом. Гермес изображен в легкой, непринужден-
ной позе. Он облокотился на древесный ствол и дразнит мальчика Диониса кистью
винограда.
Гермес с младенцем Дионисом.
Совсем иное впечатление производит творчество современника Праксителя —
скульптора Скопаса из Пароса. Произведения Скопаса столь же совершенны в ху-
дожественном отношении, как и статуи Праксителя. Но в то же время они проник-
нуты драматизмом, стремительным движением. Таковы, к примеру, фигуры из фрон-
тонной композиции храма Афины Алей в Тегее. Здесь Скопас решительно нарушает
традиционную для греческой пластики трактовку лица, придав ему насыщенное
эмоциями выражение.
Третьим крупнейшим скульптором IV века до н. э. являлся младший современник
Праксителя и Скопаса сикионянин Лисипп. Он был продолжателем традиций Скопа-
са. Лисиппу довелось жить уже во время возвышения Македонии на Балканском по-
луострове и победоносных походов Александра против персов.
Из произведений Лисиппа наибольшей известностью пользуется статуя «Апоксио-
мен» — атлет, который очищает скребком свое тело. Реализм греческой скульпту-
ры приобрел в творчестве Лисиппа более жизненный, жанровый характер. Голова
Александра, который изваял Лисипп, — предвестник новой эпохи в мировой куль-
тУРел эпохи эллинизма с ее культом властителя-героя.
IV век внес ряд существенных перемен и в область архитектуры. Архитекторы
этого времени продолжали дело Гипподама Милетского, друга Перикла, который
впервые начал составлять планы строительства городов. В «гипподамовой систе-
ме» улицы пересекались под прямым углом — принцип, который необходим для го-
родов с развитым движением и торговой деятельностью. По этой системе была пе-
рестроена в IV веке Приена в Малой Азии. «Гипподамова система» получила боль-
шое распространение в градостроительстве эпохи эллинизма.
Такова была в общих чертах эллинская культура V-IV веков. В этот период был
сделан большой шаг вперед в познании человеком окружающего его мира и в худо-
жественном развитии человечества в целом.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Ликбез
ПРОБИОТИКИ, ПРЕБИОТИКИ, МЕТАБИОТИКИ
С. И. Артюхова, О. В. Козлова
(продолжение)
ПРЕБИОТИКИ
Пребиотические соединения или так называемые пребиотики - это вещества, се-
лективно стимулирующие рост полезных, пробиотических микроорганизмов (прежде
всего бифидобактерий и лактобацилл), и как результат, улучшающие разнообраз-
ные физиологические функции и метаболические реакции, связанные с функциони-
рованием симбиотической микрофлоры желудочно-кишечного тракта человека (коло-
низация кишечника человека полезными микроорганизмами, устойчивость к инфек-
циям, снижение риска возникновения злокачественных новообразований в толстом
кишечнике, снижение уровня сывороточного холестерина, улучшение биоусвояемо-
сти кальция и магния и т. д.).
Пребиотиками также называют частично или полностью не перевариваемые ингре-
диенты пищи, которые способствуют улучшению здоровья за счет избирательной
стимуляции роста или метаболической активности одной или нескольких групп
бактерий, обитающих в толстом кишечнике.
Пребиотики не расщепляются в тонком и в неизменном виде поступают в толстый
кишечник.
В настоящее время пребиотики активно используют для профилактики и коррек-
ции микроэкологических нарушений в пищеварительном тракте.
Согласно определению, данному G. Gibson и М. Roberfroid, и ставшему уже
классическим, «к пребиотикам относятся углеводы, которые обладают одновремен-
но двумя важными свойствами:
■ не перевариваются и не всасываются в верхних отделах пищеварительного
тракта;
■ селективно ферментируются микрофлорой толстой кишки, вызывая активный рост
полезных микроорганизмов.
Ключевым моментом в характеристике пребиотиков является их избирательное
стимулирование полезных для человеческого организма представителей кишечной
микрофлоры, к которым в первую очередь относятся бифидобактерии и лактобацил-
лы».
Несмотря на то, что термин «пребиотики» вошел в медицинскую терминологию в
середине 90-х годов XX века, по существу это важное и плодотворное направле-
ние научных исследований насчитывает без малого 50 лет и у истоков его стоит
австрийский педиатр F. Petuely.
Именно F. Petuely впервые в 1957 году описал свойства лактулозы как пребио-
тика - дисахарида с ярко выраженным бифидогенным эффектом.
В проведенном F. Petuely исследовании было показано, что если находящиеся
на искусственном вскармливании дети получали молочную смесь с содержанием 1,2
г/100 ккал лактулозы, то в кишечнике формируется практически чистая культура
бифидобактерии и микробиоценоз детей-искусственников практически не отличался
от кишечного биоценоза детей, находящихся на грудном вскармливании.
Основными видами пребиотиков или пребиотических соединений являются: олиго-
и полисахариды, многоатомные спирты, аминокислоты и пептиды, ферменты, орга-
нические низкомолекулярные и ненасыщенные ВЖК, антиоксиданты, полезные для
человека растительные и микробные экстракты и другие.
Основные виды пребиотических соединений представлены в таблице 9.
Табл. 9. Основные виды пребиотических соединений
Группа
Моносахариды,
спирты
Олигосахариды
Полисахариды
Ферменты
Аминокислоты,
пептиды
Пептиды
Антиоксиданты
Ненасыщенные
жирные кислоты
Органические
кислоты
Растительные и мик-
робные экстракты
Другие
Вещество, влияющее на развитие
Ксилит, мелибиоза, ксилобиоза, сорбит, раффиноза и др.
Лактулоза, лактитол, фруктоолигосахарид, соевый олигоса-
харид, галактоолигосахарид, изомальтоолигосахарид, дик-
силоолигосахарид, лацитол и др.
Пектины, инулин, декстрин, хитозан пуллулан и др.
Протеазы сахаромицетов, микробные р-галактозидазы и др.
Валин, аргинин, глутаминовая кислота и др.
Соевые, молочные и др.
Витамины А, Е, С, а-, р-каротины, другие каротиноиды,
соли селена, глутатион, убихинол и др.
Эйкозапентаеновая кислота и др.
Пропионовая, уксусная, лимонная и др.
Морковный, тыквенный, картофельный, рисовый, дрожжевой,
кукурузный, чесночный и др.
Лецитин, лизоцим, крахмальная патока, лактоферрин, пище-
вые волокна, глюконовая кислота, экстракты различных во-
дорослей , парааминометилбензойная кислота и др. |
Среди пребиотиков наиболее популярными являются поли- и олигофруктаны, со-
евые олигосахариды, галактоолигосахариды, изолированные из природных источни-
ков или получаемые биотехнологическим или синтетическим методами. Пребиотиче-
ским соединениям свойственно мягкое воздействие на организм, в зависимости от
их дозировок, отсутствие побочных реакций и аллергии, способность комплекс-
ного воздействия. Такие компоненты в рационе питания реализуют механизм неме-
дикаментозного, безопасного пути регулирования и поддержки функций отдельных
органов и систем организма человека, что обеспечивает повышение уровня здоро-
вья и снижение заболеваемости.
Современные технологии производства пищевых добавок предлагают потребителю
огромное разнообразие, но исходя от человеческого стремления к чистым эколо-
гическим продуктам, набирают большой интерес пребиотики растительного проис-
хождения. Общеизвестно, что растения аккумулируют макро- и микроэлементы, по
причине этого их легче использовать в качестве пребиотиков. Ниже представлена
характеристика некоторых пребиотических соединений.
Моносахариды
Это сладкие на вкус, легко растворяются в воде углеводы, которые при гидро-
лизе (расщеплении под действием воды) не распадаются на более простые моле-
кулы. Наиболее известными представители моносахаридов являются глюкоза и
фруктоза.
Глюкоза или виноградный сахар или декстроза (D-глюкоза), СбН^Об - это наи-
более распространенный моносахарид, в значительном количестве содержится в
различных плодах и ягодах, в том числе винограде, а также входит в состав мо-
лекулы сахарозы и других дисахаридов.
Из остатков глюкозы построены сложные углеводы - полисахариды, как целлюло-
за, гликоген и крахмал, а также ряд дисахаридов - мальтоза, лактоза и сахаро-
за. Глюкоза используется организмом человека в качестве важнейшего поставщика
энергии для питания мозга, сердца, скелетных мышц и других тканей.
Фруктоза
Левулоза, фруктовый сахар, C6Hi206 - моносахарид, из класса кетогексоз, изо-
мер глюкозы, присутствует в мёде и фруктах. Это один из наиболее распростра-
нённых в природе Сахаров: встречается как в индивидуальном состоянии, так и в
составе дисахаридов (сахарозы) и полисахаридов (инулина). Фруктоза выполняет
важные биохимические функции в организме человека, она медленнее всасывается
в кишечнике, а исчезает из крови быстрее глюкозы. Фруктоза также имеет широ-
кое применение в пищевой промышленности как подсластитель.
Ксилит
Многоатомный спирт СН2ОН (СНОН) 3СН2ОН (пентанпентаол) , сахарозаменитель нату-
рального происхождения, который используется в продуктах для диабетиков и
стоматологических товарах. Ксилит содержится в ягодах и фруктах, древесине
лиственных пород и кукурузных початках. Это вещество вырабатывается организ-
мом человека в процессе метаболизма в количестве 5-15 г в день. В качестве
подсластителя ксилит используется уже более 50 лет, в течение которых были
открыты его целебные свойства и тщательно изучены побочные эффекты. Ксилит
зарегистрирован в Европе как пищевая добавка Е967. Благодаря своим свойствам
ксилит подходит для включения в рацион людям с эндокринными заболеваниями,
нарушениями обмена веществ, благотворно воздействует на зубную эмаль. Это
связано с тем, что ксилит не усваивается бактериями, вызывающими кариес,
уменьшает их число, восстанавливает кислотно-щелочной баланс и нормальную
микрофлору в ротовой полости, ксилит безопасен даже для использования в про-
дуктах и товарах, предназначенных для детей.
Мелибиоза
Это многоатомный спирт, дисахарид, образованный с помощью ос(1->6) гликозид-
ных связей, между остатками D-галактозы и D-глюкозы (D-Гал-а(1->6)-D-Глю),
получается при гидролизе трисахарида рафинозы, от которой также отщепляется
фруктоза, гидролизуется с помощью фермента ос-галактозидазы. Мелибиоза содер-
жится в кофейных бобах, картофеле и других растениях, в небольших количествах
обнаружена в составе маточного молочка и меда.
Рафиноза (раффиноза)
Это многоатомный спирт, состоящий из остатков D-галактозы, D-глюкозы и D-
фруктозы, один из распространённых растительных резервных углеводов из сахар-
ной свёклы, семян хлопчатника и др.
Сорбит (сорбитол)
Также известный как глюцит - шестиатомный спирт, обладающий сладким вкусом.
Его получают путём гидрирования глюкозы с восстановлением альдегидной группы
до первичной спиртовой, зарегистрирован в качестве пищевой добавки как Е420.
В естественном виде встречается в косточковых плодах, водорослях, высших
растениях, считается пищевым подсластителем, обладает желчегонным эффектом. К
главным преимуществам сорбита относится то, что он улучшает перистальтику ки-
шечника, нормализует деятельность желудка, усиливает усвоение еды в пищеводе,
обладает способностью выводить излишки воды, устранять отёчность, имеет сла-
бительный эффект, благодаря чему человек избавляется от зашлакованности, осо-
бенно показан к приёму людям, у которых выявлены заболевания желчного пузыря.
Лактулоза
Это дисахарид (4-0-бета-0-галактопиранозил-0-фруктоза), состоящий из остат-
ков молекул галактозы и фруктозы, синтетический структурный изомер молочного
сахара - лактозы, в природе не встречается, получают из молочного сахара -
лактозы, которая, в свою очередь, выделяется из молочной сыворотки, побочного
продукта переработки молока на сыр и творог.
Лактулоза используется в качестве осмотического слабительного лекарственно-
го средства, стимулирующего перистальтику кишечника, и применяется при запо-
рах, печёночной энцефалопатии, а также при диагностике нарушений желудочно-
кишечного тракта. Исследования по установлению влияния лактулозы на здоровье
человека начались с 60-х годов. Данные о позитивном влиянии лактулозы были
настолько убедительны, что этот продукт открыл широкую дорогу функциональному
питанию и развитию пребиотиков во всем мире. В связи с этим лактулоза в спи-
ске основных пребиотиков стоит на первом месте по объему использования в пи-
щевой промышленности.
Оздоровительные и лечебные свойства лактулозы хорошо изучены. Основные на-
правления ее использования - это лечение хронических запоров, печеночной эн-
цефалопатии, печеночной комы, непереносимости к белку, цирроза печени, гипе-
раммонизации. Как пищевая добавка биологически активного действия лактулоза
используется для детского, диетического, профилактического, лечебного герон-
тологического и функционального питания. Рекомендованные дозы составляют не-
сколько граммов в день. Благодаря бифидогенной активности лактулозы и ее
безопасности для людей, ее широко применяют при изготовлении молочных продук-
тов - творога, сыра, масла сливочного. Использование лактулозы в кисломо-
лочных напитках связано с тем, что как функциональный ингредиент лактулоза
обеспечивает количественный рост бифидобактерий в кишечнике и повышает сопро-
тивляемость организма.
Производство отечественной лактулозы было освоено в 1998 году, и с каждым
годом этот уникальный продукт находит все новые и новые рынки. Эксперимен-
тально исследованы препараты, содержащие лактулозу, выпускаемые под торговыми
марками «Лактофан», «Лактусан» и «Лактовит».
Установлено, что «Лактофан» снижает интенсивность развития популяции услов-
но-патогенных микроорганизмов Staphylococcus aureus, микроорганизмов рода
Proteus, грибов рода Candida. «Лактусан» не изменяет интенсивность развития
E.coli и существенно уменьшает интенсивность роста грибов рода Candida, ста-
филококков и протея. «Лактовит» увеличивает развитие кишечной палочки, снижа-
ет рост стафилококков, микроорганизмов рода Proteus. Таким образом, препа-
раты, содержащие лактулозу, оказывают стимулирующее действие на развитие ки-
шечной палочки. Интенсивность развития условно-патогенных микроорганизмов в
присутствии изученных препаратов лактулозы существенно уменьшается, что может
иметь практическое значение в направленной нормализации микрофлоры кишечника
при дисбактериозах с помощью данных препаратов лактулозы. Использование дан-
ных препаратов может позволить увеличить в кишечнике число кишечных палочек и
уменьшить интенсивность размножения патогенных микроорганизмов. Учитывая век-
тор развития функционального питания в России, можно с уверенностью сказать,
что востребованность лактулозы будет расти.
Лактулоза необходима в первую очередь для грудных младенцев и пожилых лю-
дей, а также больных печеночной недостаточностью, жителей районов с неблаго-
приятной экологической обстановкой. Кроме того, по рекомендациям медиков и
подсчетам биохимиков, для поддержания в норме кишечной микрофлоры каждый из
нас должен потреблять для нее от 3 до 5 г лактулозы в день. Международный ко-
митет по применению лактулозы, расположенный в Цюрихе, Швейцария, основывая
свои выводы на данных обширных исследований по лактулозе, рекомендует ее при-
менение в продуктах массового питания как ингредиент, способствующий не толь-
ко улучшению микроэкологии кишечника, но и состояния здоровья населения в це-
лом.
Лактитол
(4-0-р-Б-галактоперанозил-Б-сорбит) - пребиотик и структурообразующий саха-
розаменитель (полиол) с низким гликемическим индексом, полученный из лактозы
путем уменьшения части глюкозы данного дисахарида (рис. 36). Рыночное назва-
ние препарата - «Лакти», «Лакта - М». На сегодняшний день лактитол произво-
дится как моногидрат лактита, аналогами по действующему веществу являются
«Импортал Н» и «Экспортал».
Рис. 36. Лактитол (А) и его химическая структура (Б).
Лактитол не встречается в природе, и был впервые описан Сандерсом в 1920
году. В 1937 году ученые Каррер и Бучи изготовили первый препарат на основе
лактитола. В странах ЕС, США, Японии лактитол используется в качестве подсла-
стителя пищевой промышленностью для выработки мороженого, шоколада, жеватель-
ной резинки и других продуктов без ограничений. Другое назначение лактитола -
пищевая добавка для предотвращения денатурации белка и изменения цвета при
реакции Майяра.
Лактитол - белая кристаллическая пудра, без запаха, на вкус - сладкая (сла-
ще сахарозы в 0,4 раза), гигроскопична, хорошо растворима, имеет вязкость
раствора меньше по сравнению с сахарозой. Лактитол не разрушается даже при
высоких температурах во время выпечки или варки. Данный полиол устойчив к ки-
слой и щелочной среде. При нагревании до температуры от 179 С до 240 С лакти-
тол переходит в безводную субстанцию (лактитан), температура плавления моно-
гидрата лактитола от 100 С до 108 С, энергетическая ценность - 2 ккал/г (8,5
кДж/г).
В Евросоюзе, Соединенных Штатах Америки, Японии, Канаде, Израиле лактитол
(структурный сахарозаменитель) называют полиолом и применяют в качестве пище-
вой добавки, как подсластитель при производстве мороженого, кондитерских из-
делий, а также для предотвращения реакции Майяра, в которой происходит дена-
турация белка и карамелизация продукта.
В настоящее время лактитол используется в качестве пребиотика, это связано
с тем, что лактитол попадает в толстую кишку без изменений и используется
микрофлорой кишечника как источник энергии. По типу метаболизма лактитол по-
хож на пищевые волокна, он не гидролизуется и не всасывается в желудке и тон-
ком кишечнике, а в толстом кишечнике ферментируется сахаролитической микро-
флорой, преобразовываясь в низшие жирные кислоты, углекислый газ, водород и
биомассу. Ферментация лактитола благоприятствует развитию сахаролитичеких
бактерий, в том числе лактобацилл и бифидобактерий, и снижает рост гнилостных
бактерий, отвечающих за синтез проканцерогенных ферментов. На основании ре-
зультатов проведенных исследований было доказано, что лактитол избирательно
действует на бифидобактерий и лактобациллы, в целом вызывает понижение уровня
рН толстой кишки за счет снижения роста гнилостных бактерий.
Образующиеся при ферментации лактитола жирные кислоты активно всасываются и
метаболизируются в организме человека, не влияя на уровень глюкозы и инсулина
в крови. Поэтому лактитол служит неинтенсивным сахарозаменителем в продуктах
питания для больных сахарным диабетом.
Лактитол практически не окисляется бактериями, присутствующими в полости
рта, что предотвращает образование зубного налета и кислотной среды. В связи
с этим лактитол рассматривается как «дружественный по отношению к зубам».
Лактитол не влияет на экскрецию мочи или кальциевый обмен. Поэтому он не пре-
пятствует всасыванию кальция, его обмену в костной ткани или удерживанию его
в почках. Уровень кальция в плазме также остается неизменным, так как лакту-
лоза, лактитол являются веществами с мягким слабительным эффектом, что позво-
ляет их использовать при профилактике и лечении запоров у беременных женщин и
детей.
Еще в 1966 году был запатентован заменитель материнского молока с использо-
ванием лактитола, нормализующий микрофлору у младенцев. В научной литературе
имеются ссылки на сравнение лактитола с другими пребиотиками. Компанией
«PURAC biochem bv» были проведены исследования для сравнения пребиотиков лак-
титола и инулина. По результатам исследований оба пребиотика оказали позитив-
ное влияние на уменьшение скорости роста патогенной микрофлоры. Также было
установлено, что по сравнению с инулином лактитол менее гигроскопичен.
Главным преимуществом лактитола стала его устойчивость к воздействию высо-
ких температур, низких значений рН по сравнению с инулином. Эти свойства по-
зволяют использовать лактитол для пищевых продуктов, подвергающихся воз-
действию высокотемпературной обработки, в то время как инулин претерпевает
при этом значительные изменения (частично разрушается), что снижает пребиоти-
ческий эффект.
В качестве пребиотика лактитол может использоваться как самостоятельно, так
и для производства пребиотических, пробиотических и симбиотических продуктов.
Исследования, проведенные на базе Стэндфордскохю Университета (Велико-
британия) , доказали, что пребиотичекий эффект лактитола усиливается, когда
ежедневная доза приема препарата составляет 20 граммов, причем его можно вво-
дить в рацион детей с 1 года, в количестве 2,5 граммов.
Учитывая позитивное воздействие лактитола на рост бифидобактерий и лактоба-
цилл, его целесообразно использовать при производстве кисломолочных продуктов
для функционального питания. Эти микроорганизмы ответственны за сти-
мулирование иммунной системы, синтез витаминов, снижение холестерина в сыво-
ротке. Тем более, было доказано, что внесение лактитола в такие продукты уве-
личивает жизнеспособность микроорганизмов закваски в течение всего срока год-
ности .
Патентообладателями лактитола являются Нидерланды, г. Горинхем, лаборатория
«PURAC biochem bv».
Крупными производителями лактитола на сегодня являются Нидерланды, а точнее
компании «Danisco» и «Purac Biochem». Они выпускают низкокалорийные продукты
питания под торговыми наименованиями Lacty-M, Lacty-MFP, Lacty-TAB (гранули-
рованный) , Lacty-LH (легкий водород) и другие.
Предприятие 000 «Бифилюкс» на территории Российской Федерации выпускает
жидкие пребиотические препараты «Нормофлорины - Л и Б», они содержат активный
комплекс бифидо- и лактобактерий, продукты их жизнедеятельности, а также лак-
титол, способствующий естественной защите макроорганизма от воздействия внеш-
них факторов. Препарат используется для регенерации микроэкологии желудочно-
кишечного тракта и предупреждения дисбиоза, перед родами и в период лактации,
после хирургических вмешательств и во время реабилитации.
При всем этом промышленное производство кисломолочных продуктов с лактито-
лом на территории РФ слабо развито. Лактитол используют в качестве биологиче-
ски активного вещества, лекарственного препарата и для создания синбиотиче-
ских продуктов.
Воздействие лактитола как пребиотика на микроэкологию желудочно-кишечного
тракта, а именно на микрофлору толстой кишки, представлено на рисунках 37,
38, исследования проводились на протяжении 4 недель в дозировке 20 г в сутки.
базовая линия ■плацебо Плакпи
Рис. 37. Влияние лактитола на активность проканцерогенных ферментов
Помимо этого, из литературных источников известно, что лактитол не влияет
на уровень глюкозы в крови и обладает низким гликемическим индексом (табл.
10), вследствие чего может использоваться в диабетических продуктах питания.
о -е-
10
Я.Щ 8
1
1
ii
I
I
i
■■■
1
L
НИ 1
Ы
1
■■■
П
m
II
■■■ 1
•
tf
#
♦^
у
«f
f
/
I базовая линия
плацебо
□ лактит
Рис. 38. Влияние лактитола на микрофлору толстого кишечника
Табл. 10. Гликемический индекс
некоторых подсластителей
Подсластитель
Глюкоза
Сахароза
Мальтит
Ксилит
Лактитол
Гликемический индекс
100
65
35
13
6
Влияние лактитола на патогенную и условно-патогенную микрофлору более изби-
рательно, по сравнению с лактулозой. Этот показатель являлся основным при вы-
боре лактитола в качестве пребиотика в синбиотический биопродукт. Многофунк-
циональность лактитола распространяется на продукты питания профилактического
употребления, на продукты диетического назначения, а также на продукты ле-
чебного специального назначения, как, например, при лечении печеночной энце-
фалопатии, наблюдаемой при нарушении основной функции печени - детоксикацион-
ной.
Согласно исследованиям О.П. Минушкина, «"Экспортал" (Лактитол) - эффектив-
ное и безопасное осмотическое слабительное», оказывает положительное влияние
на организм, лактитол не оказывает воздействие на метаболизм костной ткани,
на концентрацию неорганических веществ в плазме крови.
Пектины
Пектины, пектиновые вещества (от др.-греч. пг^ктб^, -свернувшийся, замёрз-
ший) - полисахариды, образованные остатками, главным образом, галактуроновой
кислоты.
Это полисахариды природного происхождения, присутствующие практически во
всех наземных растениях и водорослях, входят в состав клеточных стенок высших
растений, а также в состав некоторых водных растений, например взморника мор-
ского. Пектины, как полисахариды с пребиотическими свойствами, получили широ-
кую популярность в пищевой промышленности в связи с уникальными свойствами не
только как стабилизатора, структурообразователя, гелеобразователя и загусти-
теля, но и как пребиотика. В медицинской и фармацевтической промышленности
пектин применяется в качестве физиологически активного вещества.
В промышленных масштабах пектин получают в основном из яблочных и цитрусо-
вых выжимок, жома сахарной свёклы, корзинок подсолнечника, тыквы, моркови и
др.
Согласно общепринятой терминологии, предложенной Американским химическим
обществом, пектин (pectin) - водо-растворимое вещество, свободное от целлюло-
зы и состоящее из частично или полностью метоксилированных остатков полига-
лактуроновой кислоты.
По химическому составу пектин представляет собой полимер D-галактуроновой
кислоты, звенья которой соединены гликозидными связями.
Химическая природа пектинов характеризуется гетеро-полисахаридной структу-
рой, в основе которой присутствует рамногалактуронаны. Основную цепь полимер-
ной молекулы составляют производные пектовои (полигалактуроновой) кислоты
(полиурониды), в ней остатки D-галактуроновой кислоты соединены связью 1,4-ос-
гликозид:
COOR
COOR
0-1
C00R
°
:н3 \|
1-0-1
D-галакгуроновая к-та
—0
ОН Н Н OR'
L-рамнопираноза
1?=Нили CH3; R^H, СНЗСО.реже -углеводная цепь; R"=H или углеводная цепь
Главная цепь в составе полимерной молекулы полигалактуроновой кислоты при
нахождении в растворе имеет спиралеобразный вид, который содержит галактуро-
новую кислоту в количестве трех молекул в одном витке. В состав цепи через
1,2-ос-гликозидные связи неравномерно присоединены молекулы L-рамнозы (6-
дезокси-Ь-маннопиранозы). Такое расположение отвечает за зигзагообразный ха-
рактер полимерной молекулы полигалактуроновой кислоты. Небольшая доля карбок-
сильных групп, содержащихся в молекуле полигалактуроновой кислоты, стандартно
находится в этерифицированном состоянии из-за метанола, а доля вторичных
спиртовых групп в некоторых случаях ацетилируется:
снз \—о-
^
J
V
J ^
J
элеиентарное звено
ot-D-галактуро новой кислоты
элементарное звено элементарное звено
о:-!- рапноннранозы метан об от о э фира
ClD- гал аетуронов ой
кислоты
СО ОН
СО ОН
СООСНз
t0H Н,
^_
J
элементарные звенья метилового эфира ot-D-галахтзгроноБсй кислоты
Молекулы пектинов обладают молекулярной массой в среднем от 45 до 155 тыс.,
так как содержат от нескольких сотен до тысячи остатков мономеров. С помощью
химических модификаций некоторое количество карбоксильных групп может быть
амидировано (амидированные пектины).
Пектин обычно получают в результате экстракции из яблок или цитрусовых
(рис. 39).
!
Рис. 39. Яблочный и цитрусовый пектины/
Для получения пектина применяют кислотный или ферментативный гидролиз (ре-
акция обмена между пектин-содержащим материалом в водной среде). Гидролиз
проводят в условиях, обеспечивающих расщепление связей в гликозиде, которые
соединяют молекулы пектина с полисахаридами нейтральной природы и не затраги-
вают наиболее прочные связи в гликозидах, составляющих часть полимерной моле-
кулы пектина, а также сложноэфирные связи в молекулах пектинов с высокой сте-
пенью этерификации.
В стандартных технологиях гидролиз проводят с помощью растворов минеральных
кислот (хлорная, серная, азотная, ортофосфорная, метафосфорная) при значениях
показателя рН около 2 и температуре не более 85 С, продолжительность процесса
2-2,5 ч. В процессе гидролиза рамногалактуронаны в молекулярной форме перехо-
дят в раствор. На стадии очистки и концентрирования, молекулы рамнога-
лактуронанов извлекаются с использованием разнообразных промышленных приемов,
например, с помощью осаждения этанолом. Полученный таким образом пектин высу-
шивают, измельчают, затем стандартизуют путем введения глюкозы или ретардато-
ра (соль катиона с единичной валентностью молочной, винной или лимонной ки-
слоты) , которые обладают способностью замедлять процесс образования пекти-
новых гелей.
В некоторых случаях степень этерификации выделенных пектинов специально по-
нижают таким образом, что концентрированный жидкий экстракт подвергают кон-
тролируемой деэтерификации кислотным, щелочным или ферментативным (с исполь-
зованием фермента пектинэстеразы) способами. Одним из эффективных способов
этерификации является щелочная деэтерификация, протекающая с использованием
гидроксида аммиака или натрия (аммонолиз).
Различают две подгруппы пектинов в зависимости от степени этерификации:
■ высокоэтерифицированные (>50 % степень этерификации);
■ низкоэтерифицированные (<50 % степень этерификации).
На сегодняшний день производятся пектины, которые выделяют из разнообразно-
го сырья и различают по функциональным свойствам и составу:
■ высокоэтерифицированные (пектины яблочный и цитрусовый);
■ низкоэтерифицированные (пектины свекловичные, пектины, получаемые из кор-
зинок подсолнечника);
■ комбинированные пектины, полученные из смешанного сырья, обладающего раз-
личной степенью этерификации.
В числе низкоэтерифицированных пектинах наиболее популярны неамидированные
пектины, применяющиеся для изготовления сухих продуктов питания, таких как
кисели или кондитерские изделия для диабетиков.
Степень этерификации молекулы пектина характеризует отличия в физико-
химических свойствах. Для пектинов - это растворимость, способность образовы-
вать гели и возможность связывать катионы металлов и белков.
Способность макромолекулы пектина изменять свою конформацию за счет внутри-
молекулярного теплового движения звеньев также зависит от степени этерифика-
ции. В результате снижения молекулярного веса и увеличения степени этерифика-
ции возможно повысить растворимость пектина в воде. Способность пектинов к
растворимости в водных средах возрастает пропорционально повышению степени
этерификации пектиновых молекул и снижению их молекулярной массы.
При температуре около 23-25 С при постоянном интенсивном перемешивании в
100 мл воды способно растворяться до 8 г пектина. При повышении температуры
до 65-85 С максимальная концентрация пектина в водных растворах может дости-
гать 12 %.
Способность к растворимости также возрастает в присутствии Сахаров. Особен-
ностью пектина как студнеобразователя является способность формировать гели в
водных растворах только в присутствии определенного количества сахара и ки-
слоты или ионов кальция.
Диссоциирующие карбоксильные свободные группы, присутствующие в изо-
молекулах пектина, и их водные растворы выражают кислую реакцию (для 2,4%-
ного раствора пектина значения показателя рН около 2,7-3,3) .
Процесс гелеобразования в водных растворах пектинов осуществляется за счет
активного взаимодействия молекул пектина друг с другом и характеризуется осо-
бенностями строения молекул, такими как молекулярная масса, степень этерифи-
кации, особенности формирования и распределения карбоксильных групп по длине
молекулы. Значительное влияние на образование гелей оказывают температура,
рН, наличие дегидратирующих веществ.
Пространственная структура геля формируется двумя путями:
■ с помощью сил электростатического отталкивания, изменяющихся в пектиновых
молекулах в зависимости от наличия дегидратирующих веществ, таких как са-
хароза в кислой среде;
■ с помощью ионов поливалентных металлов.
Этерификация и ее степень определяет тип ассоциации пектиновых молекул. На-
пример, пектины с высокой степенью этерификации способны к гелеобразованию
при наличии рН 3,1-3,5, при содержании сухих дегидратирующих веществ не ме-
нее 65 %, пектины с низкой степенью этерификации - по первому типу и при
наличии ионов поливалентных металлов.
Кальций, например, несмотря на присутствие сахарозы, в широком диапазоне рН
(от 2,5 до 6,5) способен оказывать влияние на ассоциацию пектиновых молекул.
Высокоэтерефицированные пектины способны к высокоэластичному гелеобразованию.
Такие гели способны восстанавливать исходное состояние после трансформирова-
ния. Наибольшую стабильность пектин проявляет при рН 3-4. Отклонение рН от
данных значений приводит к понижению плотности заряда макромолекул пектина,
что в большей степени выражается при повышении температуры свыше 50±2 С.
Пектины с высокой степенью этерификации способны к гелеобразованию в кислой
среде при наличии сахарозы, а с низкой степенью этерификации - при наличии
солей поливалентных металлов. Именно хорошая способность образовывать гели и
физиологическая инертность способствуют широкому применению пектинов как ста-
билизаторов структуры в пищевой и фармацевтической промышленностях.
Пектин как один из распространённых студнеобразователей при производстве
различных продуктов, обладая высокой влагоудерживающей способностью, обеспе-
чивает стабилизацию структуры сложных пищевых систем в широком диапазоне тех-
нологических факторов. Таким образом, использование пектинов в качестве ста-
билизаторов структуры открывает широкие перспективы для создания новых про-
дуктов питания благодаря их широким технологическим возможностям и благотвор-
ному влиянию на организм человека.
С точки зрения микроэкологии человека пектин представляет интерес как эф-
фективный пребиотик. Он представляет собой растворимые пищевые волокна, обла-
дающие рядом физиологически ценных пищевых и функциональных свойств. Уникаль-
ное действие растворимых пищевых волокон - пектинов, на физиологическом уров-
не характеризуется их способностью снижать нежелательное присутствие ме-
таллов, токсинов - связывать их и выводить из организма человека. Также регу-
лярное потребление пектина в составе продуктов питания позволяет регулировать
обмен веществ и функции органов пищеварения, снижать уровень глюкозы и холе-
стерина в крови.
Важнейшим свойством пектина является гелеобразование, а пектиновый гель
можно рассматривать как систему, в которой полимер находится в состоянии меж-
ду «полностью растворенным» и «осажденным».
Согласно современным представлениям, сегменты молекулярных цепей соединены
благодаря ограниченной кристаллизации и образуют трехмерную систему, задержи-
вающую воду, углевод и другие вещества. Степень агрегации микрофибрилл воз-
растает с уменьшением заряда макромолекулы х. Эта выраженная гидрофильность
является одним из ключевых моментов понимания нормализующего действия пектина
на работу кишечника человека, а также на ряд обменных процессов.
Кроме того, галактуроновая кислота, которая входит в состав пектина, как и
большинство органических кислот, слабо диссоциирует и сохраняет способность
закислять среду своего пребывания до тех пор, пока сохраняет целостность сво-
ей структуры. Поэтому, благодаря пектину, преимущественно в тонкой кишке же-
лудочно-кишечного тракта временно формируется дополнительный кислотный барьер
с соответствующим временным изменением экологических условий в просвете ки-
шечника, что препятствует или угнетает развитие патогенной микрофлоры. Пек-
тин, попадая в кишечник человека, сдвигает рН сред в более кислую сторону,
оказывая, тем самым бактерицидное действие на болезнетворные бактерии, в том
числе подавляет развитие гнилостной микрофлоры.
По данным доктора медицинских наук, профессора Б.А. Шендерова, пектины, по-
ступающие в толстый кишечник человека, являясь низкокалорийными углеводами и
легкорастворимыми балластными веществами, обладают бактерицидным действием в
отношении патогенной и условно-патогенной микрофлоры и становятся хорошим ис-
точником энергии и питательной средой для роста представителей полезной соб-
ственной нормальной кишечной микрофлоры. Кроме того, пектины оказывают благо-
творное воздействие на биохимическую активность бифидобактерий.
Из литературных источников известно, что пектин - это одно из немногих ес-
тественных органических соединений, которые не подвергаются химической дегра-
дации проходя через кислотный и щелочной энзиматические барьеры человеческого
организма.
Поэтому пектин сохраняет свою химическую структуру и свойства на протяжении
всего желудочно-кишечного тракта, за исключением части толстой кишки, являет-
ся одним из естественных регуляторов количества микрофлоры кишечника челове-
ка, способствует восстановлению слизистых оболочек желудочно-кишечного трак-
та, нормализует моторику толстой кишки и участвует в осуществлении большин-
ства полезных физиологических функций.
По данным Э.Г. Потиевского и А.И. Новикова, сочетание пектина с антибиоти-
ками, например, с пенициллином, обеспечивает пролонгирующий лечебный эффект,
что в свою очередь позволяет снизить дозировку антибиотика без потери тера-
певтической результативности.
В настоящее время пектины признаны в большинстве стран как физиологически
ценные пищевые функциональные ингредиенты, присутствие которых в пищевых про-
дуктах традиционного рациона способствуют улучшению состояния здоровья чело-
века.
Пектины не имеют ограничений по применению, и их использование позволяет
совершенствовать ассортимент синбиотических кисломолочных продуктов. Поэтому
расширение ассортимента продуктов, содержащих пектин, а также их потребление,
является актуальной задачей.
Камедь, гумми
Камедь (от греч . корр. i5iov, кбррL) ~ это высокомолекулярный углевод, являю-
щийся главным компонентом экссудатов (флоэмного сока, выпотов), выделяемых
растениями при механических повреждениях коры или заболеваниях.
Камеди - это полисахариды растительного происхождения, обладающие пребиоти-
ческими свойствами, имеющими применение в пищевой промышленности в качестве
загустителей и гелеобразователей.
В фармацевтической практике камеди применяются как вспомогательные вещест-
ва, уменьшающие раздражение, вызываемое некоторыми лекарственными веществами,
используются в приготовления пилюль и эмульсий.
Камеди, или гумми - полимеры моносахаридов глюкозы, галактозы, арабинозы,
маннозы, рамнозы, глюкуроновых кислот, растворимые в воде или набухающие в
ней.
Камеди, несмотря на общее для этого типа стабилизаторов консистенции про-
дуктов наименование, заметно отличаются друг от друга по происхождению и вы-
рабатываются из различных видов сырья. Сырьем для камеди рожкового дерева яв-
ляются стручки средиземноморской акации (рис. 40).
Порошок гуаровой камеди получают из эндоспермы семян Cyamopsis
tetraganoloba - растения, известного как гуар или гороховое дерево (рис. 41).
Камедь ксантана является полимером микробиологического происхождения.
По химическому строению камедь рожкового дерева схожа с камедью гуара. Она
растворима только при нагревании. Будучи введенной в жидкую среду в процессе
приготовления пищевого продукта, камедь рожкового дерева связывает воду и по-
вышает вязкость продукта.
Отличительной особенностью этого загустителя является синергизм с ксантаном
и другими гидроколлоидами, поэтому именно с ксантаном её и применяют чаще
всего в качестве загустителя или гелеобразователя.
Гуаровая камедь имеет характерный запах, цвет от белого - до желтоватого.
При введении в жидкую среду в процессе приготовления пищевого продукта она
связывает воду, в результате чего коллоидная система теряет свою подвижность,
и её вязкость повышается. Гуаровая камедь очень равномерно диспергируется и
набухает как в холодной, так и в горячей воде, она не растворима в органиче-
ских растворителях.
Гуаровая камедь выполняет функцию загустителя и эмульгатора при производст-
ве соусов, кетчупов, майонезов, молочных десертов, йогуртов, супов, напитков,
хлебопекарных продуктов, при производстве сокосодержащих напитков применяется
для удержания мякоти во взвешенном состоянии.
Ксантановая камедь представляет собой полисахарид с большим количеством бо-
ковых цепей, между которыми есть электростатическое отталкивание из-за нали-
чия кислотных групп. Ксантан обладает превосходной сгущающей способностью,
увеличивает срок хранения готовых продуктов, предотвращает расслаивание, при-
даёт устойчивость к действию кислот и высоких температур. Проявляет синергизм
с гуаром и другими гидроколлоидами, усиливает желирующую способность карраги-
нанов и камеди рожкового дерева.
По химическим признакам камеди можно разделить на следующие группы:
■ кислые полисахариды, кислотность которых обусловлена присутствием глюкуро-
новой и галактуроновой кислот (камеди разных видов акации и др.);
■ кислые полисахариды, кислотность которых обусловлена присутствием сульфат-
ных групп (водоросли, мхи);
■ нейтральные полисахариды, представляющие собой глюкоманнаны или галакто-
маннаны (встречаются в семенах).
Камедь рожкового дерева и гуаровая камедь являются нейтральными полисахари-
дами, схожими по химическому строению - галактоманны, состоящие из р-(1,4)
гликозидно связанных остатков маннозы, к которым присоединены с помощью
(1,6)-связей боковые цепи, состоящие из остатков oc-D-галактозы. У гуарана,
камеди гуара, остаток галактозы соединяется с каждым вторым остатком маннозы,
а у рожковой камеди - с четвертым:
СН.ОН
НО J— О
НиОН
[
он |
сн^он
] 0
ClbOlI сн,ОН
Промышленная технология производства препаратов галактоманнанов основывает-
ся на экстракции полисахаридов, полученных из измельченного растительного сы-
рья с использованием воды, и на последующем отделении и чисткой экстракта,
который на следующей стадии обрабатывается спиртом с целью выделения целевого
конечного продукта, после этого продукт отфильтровывают, высушивают, измель-
чают , фасуют и упаковывают.
Порошок камеди рожкового дерева желтовато-белого цвета не имеет запаха, об-
ладает большой вязкостью при растворении в горячей воде и в растворе, что и
обусловливает сферу его применения. Гуаровая камедь, на вид, - это белый мел-
кий порошок, который хорошо растворяется в воде и способен замедлять процесс
кристаллизации льда (рис. 42).
Рис. 42. Порошок камеди рожкового дерева и порошок гуаровой камеди.
По растворимости в воде камеди разделяют на три группы:
■ растворимые - полностью растворимые в воде с образованием более или менее
прозрачных клейких растворов (абрикосовая камедь, аравийская камедь);
■ полурастворимые - частично растворяющиеся в воде, причем остальная их
часть набухает, образуя желеподобную массу, переходящую в раствор только
при сильном разведении (камеди вишни, сливы);
■ нерастворимые - абсорбирующие значительные количества воды и набухающие,
образующие желеподобные массы (трагакант, камедь лоха и др.).
Водная растворимость галактоманнанов находится в прямой зависимости от осо-
бенностей строения. Если у галактоманнанов наблюдается значительное число за-
мещенных первичных гидроксильных групп в остатках D-маннозы (гуаран), то та-
кие галактоманнаны способны к полному растворению в холодной воде, в отличие
от галактоманнанов с ограниченной степенью замещения, например, полученных из
рожкового дерева. Такие галактоманнаны способны растворяться только в горячей
воде. Тем не менее в обоих случаях растворение галактоманнанов - это доста-
точно продолжительный процесс и ускорить его возможно с помощью интенсивного
перемешивания или повышения температуры до 80 С, дальнейшее повышение темпе-
ратуры нежелательно, в связи с потенциально возможной термической деструкцией
молекул галактоманнанов.
Концентрация галактоманнанов значительно влияет на вязкость растворов. При
концентрациях до 0,5 % вязкость линейно зависит от концентрации, а при даль-
нейшем повышении дозировок зависимость переходит в экспоненциальную. Галакто-
маннаны используются в качестве регуляторов в процессе пищевого производства
вместе с другими загустителями и гелеобразователями. Так, например, галакто-
маннан гуаровая камедь используется для производства сыра в сочетании с кар-
рагинаном.
По данным современных исследований, камеди представляют собой растворимые
пищевые волокна и являются, как и пектин, эффективными пребиотиками, имея
важное значение для здоровья человека: выводят холестерин, тяжелые металлы,
токсичные вещества, радиоизотопы. Попадая в организм человека, камеди раство-
ряются в воде, создавая чувство сытости, избирательно стимулируют рост и био-
логическую активность представителей защитной микрофлоры кишечника человека,
способствуют поддержанию ее нормального состава и биологической активности.
Каррагинан
Еще одним представителем полисахаридов растительного происхождения, обла-
дающим пребиотическими свойствами, является каррагинан.
Этот структурообразователь обычно выступает в качестве альтернативы желати-
на растительного происхождения. Наиболее часто каррагинан используют при про-
изводстве молочных продуктов, молочных коктейлей, мороженого, кондитерских
изделий, раствор каррагинана используется в производстве мясных продуктов в
целях удержания влаги.
Каррагинаны, семейство линейных сульфатных полисахаридов (также известны
под названием ирландский мох) - это пищевой ингредиент, который представляет
целое семейство сложных полисахаридов, которые содержатся вместе с агаром в
красных морских водорослях родов Chondrus, Eucheuma, Gelid!um, Gigartina и
др.
Из литературных источников известно, что каррагинаны использовали в Китае
ещё в VII веке до н. э. В настоящее время установлено, что красные морские
водоросли произрастают практически во всех частях света, но особенно об-
любовали места, где есть теплые течения. Чаще всего встречаются на побережье
США, Индонезии, Канады и у берегов Ирландии, отсюда их второе название - ир-
ландский мох. В вышеперечисленных странах водоросли выращиваются в больших
количествах в специально созданных подводных «фермах». Растут водоросли на 2
метра вглубь от поверхности моря (рис. 43).
Рис. 43. Красные морские водоросли.
Промышленный процесс производства каррагинанов основывается на применении
горячей водной экстракции с последующим выделением из раствора каррагинанов.
В технологических процессах для выделения каррагинанов используют два спо-
соба:
а) гелеобразование в среде, содержащей хлорид калия;
б) осаждение с использованием спирта.
Промышленное производство каррагинанов началось с 1930-х гг.
В настоящее время крупнейшим производителем являются Филиппины, где морские
водоросли разводятся специально, в основном это виды Kappaphycus alvarezii,
Kappaphycus striatum u Eucheuma denticulatum, которые выращивают на специаль-
ных канатах, погруженных в море.
Химическая природа каррагинанов крайне проста: это близкие к агароидам со-
единения, которые представляют собой сульфатированные и неразветвленные гете-
рогликаны.
В состав молекулы каррагинанов входят остатки производных D-галактопиранозы
со строгим чередованием а-(1,3)- и р-(1,4)-связей между ними, таким образом,
повторяющиеся дисахаридные звенья включают в себя остатки р-D-галактопиранозы
и 3, б-ангидро-ос-Б-галактопиранозы.
В зависимости от изменения характерных черт строения поли- и дисахаридных
повторяющихся звеньев принято различать несколько базовых типов каррагинанов,
для обозначения которых используют обычно первые буквы греческого алфавита.
Три типа каррагинанов обладают растворимостью в горячей воде, их натриевые
соли обладают растворимостью и в холодной воде, при этом происходит образова-
ние вязких растворов.
(Лямбда) Х-каррагинан является загустителем, (каппа) к-каррагинан и (йота)
l-каррагинаны являются гелеобразователями. Каппа-каррагинан хорошо растворим
в горячей воде, а после растворения и последующего охлаждения формирует гель
с высокой прочностью студня:
>н он
каппа (к)-каррагмнан
йота (О'Каррагинан
Щ OSO3
лямбда (Х)-каррапшан
Применение каппа-каррагинана в пищевой промышленности обусловлено способно-
стью увеличивать вязкость жидкостей и выступать в роли не только загустителя,
но и эмульгатора. Гели класса каппа довольно хорошо вступают в реакцию с мо-
лочными белками.
Йота-каррагинан формирует менее прочный гель по сравнению с каппа-
каррагинаном. Гели, полученные с использованием йота-каррагинана более эла-
стичны, способны восстанавливать свою первоначальную структуру даже после ме-
ханического воздействия. В связи с этим йота-каррагинан, как правило, исполь-
зуется в качестве стабилизатора суспензий.
Кроме того, студни, полученные с использованием каппа-каррагинана и йота-
каррагинана, достаточно стабильны при последовательных циклах замораживания /
оттаивания.
Лямбда-каррагинан не образует гелей, поскольку в его состав входит огромное
количество сульфо-групп, однако такие растворы имеют высокий коэффициент вяз-
кости, поэтому такая фракция идеально подходит для формирования эмульсий, пен
и суспензий.
Многочисленные исследования, проведенные на сегодняшний день, показывают,
что пищевой стабилизатор каррагинан безопасен для здоровья человека и облада-
ет рядом уникальных полезных свойств.
По внешнему виду - это порошок от бело-кремового до светло-коричневого цве-
та, имеет натуральную природу.
Установлено несколько свойств каррагинанов, обладающих положительными ха-
рактеристиками :
■ способность превращать ингредиенты в однородную густую массу;
■ антибактериальные и антисептические свойства (используются при консервиро-
вании) ;
■ пребиотические свойства (очищение организма от токсинов, тяжелых металлов,
следов вредных химических веществ).
Отмечено также противовирусное воздействие на организм человека. Интерес
представляет высокая биологическая активность каррагинанов в отношении пато-
генных микроорганизмов - пребиотические свойства.
Попадая в организм человека, каррагинаны не всасываются, выводятся естест-
венным путем, захватывая с собой токсины и шлаки, обладают антимикробной ак-
тивностью и отлично очищают кишечник от болезнетворных микроорганизмов и про-
дуктов их жизнедеятельности.
Благодаря тому, что польза и вред каррагинанов были тщательно исследованы,
их стали активно использовать в пищевой промышленности:
■ вводится в состав йогуртов, молочных изделий, творога, сливок, мороженого,
сметаны, кефира, молочного шоколада;
■ добавляется в соевое, кокосовое и миндальное молоко;
■ используется при изготовлении вегетарианских блюд (обладает теми же свой-
ствами, что и желатин, но при этом имеет не животное, а растительное про-
исхождение) ;
■ входит в состав щербетов, приправ, желе, рыбных изделий, пирогов, кексов,
сахарной глазури;
■ вводится в состав пива;
■ используется в качестве заменителя жира в колбасах.
Кроме пищевой промышленности, каррагинан находит широкое применение и в
косметической промышленности при изготовлении лосьонов, кремов и шампуней.
Каррагинан способен удерживать глицерин на волосах, а вместе каррагинан и
глицерин способствуют увлажнению волос.
Эта же комбинация используется в композиции зубных паст, существенно увели-
чивая вязкость продукта.
Следует отметить и широкое использование каррагинана и в медицинской прак-
тике, благодаря гелеобразующим свойствам, каррагинан используется для приго-
товления лекарственной таблеточной массы.
Комплексирование с каррагинаном облегчает переведение лекарственного препа-
рата в водную суспензию и обеспечивает его пролонгированное действие, кроме
этого, каррагинан используется в рентгеноскопии желудка, так как предотвраща-
ет флокуляцию фосфата бария белками.
Также каррагинан обладает способностью вызывать регенерацию кожи и стимули-
ровать рост соединительной ткани, используется как вещество для создания ге-
левой основы для различных ранозаживляющих повязок.
Альгиновая кислота
Представителями полисахаридов с пребиотическими свойствами являются альги-
новая кислота и ее соли - анионные полисахариды натурального происхождения.
Благодаря хорошей растворимости в воде, способности удерживать жидкость,
превращая ее в гель, альгиновая кислота и ее соли применяются в качестве ге-
леобразователей, загустителей, стабилизаторов в пищевой промышленности, ме-
дицине , косметологии.
Альгиновая кислота и ее соли - органические соединение, получаемые из бу-
рых, красных и некоторых зеленых морских водорослей (рис. 44).
ВОДОРОСЛИ
JLJ'ILHLIU
4V
Л'
Рис. 44. Зеленые, бурые, красные морские водоросли.
Структурная формула включает в себя остатки oc-L-гулуроновой и p-D-
маннуроновой кислот.
p-D-маннуроновая oc-L-гулуроновая кислоты находятся в форме пиранозы и свя-
заны между собой линейными цепями за счет (1,4)-гликозидных связей:
соон соон
соон
Альгиновая кислота обладает плохой растворимостью в воде низкой температу-
ры, однако, способна набухать в ней, при этом связывая 250-350-кратный объем
воды. В воде с высокой температурой альгиновая кислота хорошо растворима, как
и в растворах щелочей, в которых кислоты способны образовывать гели при усло-
вии подкисления среды.
Альгинаты - натриевые и калиевые соли - обладают высокой растворимостью в
воде и образуют растворы с высокой вязкостью. Двухвалентнокатионные соли спо-
собны к гелеобразованию или к образованию нерастворимых альгинатов. Природа
катиона, находящегося в составе молекулы, определяет растворимость альгинатов
в воде:
:00Na COONa
COONa
Промышленный способ получения альгиновой кислоты и ее солей использует экс-
тракцию щелочью или содовыми растворами (небольшой концентрации). Иногда при-
меняются щелочи в виде растворимых солей натрия или калия.
При увеличении кислотности экстракта из растворов обычно удаляют непосред-
ственно альгиновую кислоту. В связи с ограниченной стабильностью кислоты ее
обычно преобразуют в разнообразные солевые формы, которые не пользуют в каче-
стве пищевых ингредиентов (натриевая соль, калиевая соль, кальциевая соль,
аммонийная соль).
Благодаря своей способности адсорбировать воду в количестве в 300 раз боль-
ше собственного объема, хорошей переносимости организмом человека, альгиновая
кислота и ее соли нашли широкое применение во многих сферах жизнедеятельности
человека.
Если посмотреть на упаковку многих продуктов, то можно увидеть в составе
пищевые добавки Е400, Е401, Е402, Е403, Е404, Е405 - это альгиновая кислота и
ее соли. Эти добавки разрешены для использования в пищевой промышленности,
используются в качестве загустителей, стабилизаторов, помогают пищевым про-
дуктам сохранять свою форму, объем, препятствуют усыханию и порче продуктов.
Альгиновая кислота и альгинаты используются при производстве следующих про-
дуктов питания:
■ творожные продукты;
■ сыры и сыры плавленые;
■ кондитерские изделия;
■ соки;
■ консервированные овощи и грибы.
Также альгиновая кислота и ее соли находят применение в фармацевтической
промышленности при изготовлении капсул для лекарственных препаратов, повязок
на раны и в стоматологии.
В косметологии альгинаты применяются при производстве различных косметиче-
ских средств - кремов, масок. Косметические средства с альгинатами способст-
вуют восстановлению кожных покровов, улучшают их состояние.
Альгинаты в составе пищевых продуктов выступают для организма человека в
роли пребиотика - пищевых волокон, которые выводятся из организма человека в
неизменном виде и при этом оказывают благоприятное воздействие, способствуют
оздоровлению организма, борются с вирусами, бактериями и грибками, выводят
вредные токсины тяжелых металлов, активизируют защитные функции организма.
Структура макромолекул альгиновой кислоты и ее солей наделяет их сорбирую-
щими и гемостатическими свойствами, а также способностью влиять на рецептор-
ную активность клеток и внеклеточных структур. Сорбирующая активность альги-
натов очень высокая и наиболее выражена относительно солей тяжелых металлов,
радионуклидов, эндотоксинов и экзотоксинов, а также холестерина, триглицери-
дов и всех липопротеидов низкой плотности.
Альгинаты положительно влияют на состав и количество микрофлоры: снижают
содержание в кишечнике альфа-гемолитических стрептококков, дрожжей и дрожже-
подобных грибов. Улучшают моторно-эвакуационную функцию, нормализуют кишечный
биоценоз, переваривание, купируют боли и метеоризм, способствуют регенерации
слизистой оболочки кишечника.
Группа ученых под руководством В.Н. Корзуна экспериментально доказала, что
альгинаты являются эффективными радиопротекторами, выводят из организма ионы
тяжелых металлов и тормозят накопление радионуклеидов.
Карбоксиметилцеллюлоза
В качестве полисахарида, обладающего пребиотическими свойствами, может быть
использовано вещество, являющееся производным целлюлозы - карбоксиметилцеллю-
лоза (КМЦ) . В производстве пищевых продуктов и медицине наиболее часто ис-
пользуется в виде натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы. Используется данное
вещество как загуститель, структурообразователь, обладает свойствами пищевых
волокон, благодаря которым может выступать в роли пребиотика.
Карбоксиметилцеллюлоза (международное название - Carboxymethyl cellulose) -
производная целлюлозы, в которой карбоксиметильная группа (-СН2-СООН) соеди-
няется гидроксильными группами глюкозных мономеров, светло-бежевый порошок,
имеющий кристаллическую форму, является слабой кислотой. Открытие и изучение
состава, свойств карбоксиметилцеллюлозы связано с именем известного немецкого
химика Янсена, который еще в начале прошлого столетия смог синтезировать ее
из целлюлозы.
По химическому строению карбоксиметилцеллюлоза - это полиэлектролит, про-
стой ионогенный эфир целлюлозы и галогенкарбоновой кислоты:
OCH^COONa H ChjOCHjCOONa
СИ2ОН
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) не токсична, химически нейтральна, обладает
рядом полезных свойств.
В настоящее время карбоксиметилцеллюлозу в промышленных масштабах синтези-
руют химическим методом из природного не пищевого сырья, получение основано
на химической реакции взаимодействия монохлоруксусной кислоты и специально
подготовленной алкилцеллюлозой.
Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы легко образует водные растворы, кото-
рые обладают хорошей вязкостью, формируют стабильные коллоидные растворы. Ис-
пользуется натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы в производстве майонезов,
мороженого, десертов, творожных масс, желе, в производстве рыбных, мясных
продуктов, кондитерских изделий, маргаринов, сыров, сливок, йогуртов, супов
(рис. 45), часто можно обнаружить в рецептурах шампуней, зубных паст, лака
для волос, косметических средств.
Рис. 45. Карбоксиметилцеллюлоза, применение в пищевой промышленности.
Целлюлозу, получаемую из натуральных растительных источников, заливают кон-
центрированным раствором щелочи и затем обрабатывают хлоруксусной кислотой.
Водный раствор вещества представляет собой тягучую клейкую жидкость, степень
вязкости которой напрямую зависит от количества замещенных гидроксильных
групп в молекуле целлюлозы.
Для пищевой КМЦ показатель замещения колеблется в пределах 0,65-0,95 еди-
ниц. Использование КМЦ с показателем замещения в указанном диапазоне позволя-
ет получать растворы средней и высокой вязкости, обеспечивающих необходимую
консистенцию продуктов питания, повышающих органолептические и вкусовые свой-
ства продуктов.
Вязкость растворов КМЦ обратимо зависима от температуры. При повышении тем-
пературы вязкость раствора снижается, при понижении температуры раствор воз-
вращается в исходное состояние. Длительное нагревание, особенно до температу-
ры 100 Си выше, может привести к потере вязкости в зависимости от типа КМЦ.
Растворы КМЦ сохраняют вязкость в широком диапазоне рН. При значениях рН от
11-12 и выше вязкость нарушается из-за высокой доминирующей концентрации
электролита и щелочной деградации (гидролиза) молекулы КМЦ. При значениях рН
< 4 доминирует кислотная форма КМЦ, и она становится нерастворимой в воде.
Однако следует отметить, что типы КМЦ с высокой степенью замещения и специ-
альные кислотоустойчивые типы демонстрируют хорошую стабильность вязкости да-
же при агрессивно низких значениях рН.
Использование карбоксиметилцеллюлозы в различных областях промышленности
объясняется тем, что ее использование позволяет решать широкий ряд технологи-
ческих задач путем регулирования вязкости. В производстве плавленых сыров,
мороженого, соусов карбоксиметилцеллюлоза используется в качестве загустителя
и стабилизатора консистенции. При производстве кондитерских начинок, мармела-
да, желе карбоксиметилцеллюлоза применяется вместе с гидроксипропилцеллюло-
зой для усиления действия друг друга в качестве загустителей и стабилизато-
ров.
Карбоксиметилцеллюлоза находит применение в составе защитных оболочек для
рыбных и мясных изделий, орехов, продуктов глубокой заморозки. Использование
карбоксиметилцеллюлозы позволяет удерживать влагу в продукте, защищает от вы-
сыхания и потери полезных активных веществ, продлевает срок хранения, препят-
ствует разрушению волокон при размораживании.
При производстве лекарств карбоксиметилцеллюлоза входит в состав средств
для капсулирования и таблетирования. Используется также в производстве раз-
личных мазей, парфюмерно-косметической продукции, зубной пасты. Карбоксиме-
тилцеллюлоза является находкой для человека, вещество недорогое в производст-
ве, совершенно не токсично, химически нейтрально и обладает полезными свойст-
вами, выступает как биологически активное вещество - это источник пищевых во-
локон, пребиотик. Попадая с пищевыми продуктами в желудочно-кишечный тракт
человека, КМЦ не участвует в обменных процессах, выводится из организма в не-
изменном виде естественным путем, стимулирует работу желудочно-кишечного
тракта.
КМЦ нерастворима в кишечном соке, попадая в кишечник человека создает об-
ширную дополнительную поверхность, помимо поверхности слизистой кишечника, к
которой фиксируются многочисленные бактерии кишечника. Таким образом, благо-
даря КМЦ во много раз возрастает число мест фиксации для кишечной микрофлоры,
которая выполняет для организма целый ряд полезных функций.
Полисахариды
Полисахариды - это высокомолекулярные углеводы, полимеры моносахаридов
(гликаны). Молекулы полисахаридов представляют собой длинные линейные или
разветвлённые цепочки моносахаридных остатков, соединённых гликозидной свя-
зью, при гидролизе образуют моносахариды или олигосахариды, а у живых орга-
низмов выполняют резервные (крахмал, гликоген), структурные (целлюлоза, хи-
тин) и другие функции.
Полисахариды микробного происхождения находят применение в медицине, фарма-
цевтической, пищевой, химической, текстильной промышленности, в гидрометал-
лургии, при добыче нефти и ряде других областей народного хозяйства.
Многие микробные полисахариды обладают лечебным и профилактическим действи-
ем: повышают устойчивость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, об-
ладают противоопухолевой активностью, инициируют заживление ран и регенерацию
тканей, устраняют болевой синдром, снижают побочное действие лекарственных
препаратов и рентгенотерапии. Терапевтический эффект определяется способ-
ностью повышать не специфическую резистентность организма.
Полисахариды, обладающие антигенной специфичностью, используются в медицин-
ской практике в качестве диагностических средств.
Например, нейтральные декстраны, продуцируемые Leuconostoc mesenteroid.es,
применяются в качестве заменителей плазмы крови. Ряд декстранов определенного
состава способны стимулировать защитные реакции организма. Сульфаты декстрана
обладают антикоагулирующим свойством, заменяют гепарин, применяются в качест-
ве антитромбогенного средства. В этом же качестве перспективен и хитин. Мак-
ромолекулярные конъюгаты модифицированных декстранов с ферментами пролонгиру-
ют активность ферментов, снижая их аллергизирующее действие.
Некоторые гликаны используют вместо натрийкарбоксицеллюлозы в качестве свя-
зывающего и биологически активного компонента в зубных пастах. В фармацевтике
декстраны используются в качестве основ для изготовления лекарственных форм.
В пищевой промышленности полисахариды микроорганизмов используются в виде
пленок - покрытий продуктов для защиты от высыхания и загрязнения, в качестве
стабилизаторов мороженого, фруктовых соков, приправ к салатам, загустителей
сиропов, джемов, подливок, особенно перспективен ксантин.
Слизеобразующие штаммы Streptococcus lactis применяют при производстве гус-
тых кефиров, сметаны, мягких сыров. Экзополисахариды дрожжей родов
Saccharomyces и Cryptococcus, бактерий родов Azotobacter и Arthrobacter ис-
пользуются для улучшения качества хлеба. Хлеб, выпеченный из теста с добавле-
нием микробных экзополисахаридов, отличается высоким удельным объемом, хоро-
шей пористостью и медленно черствеет.
В настоящее время известны некоторые сведения о свойствах бактериальных эк-
зополисахаридов :
1. Экзополисахариды стимулируют рост некоторых молочнокислых бактерий и по-
давляют количество энтеропатогенной кишечной палочки и стафилококков в
толстом кишечнике в условиях иммобилизационного, холодовохю, этаноловохю
стрессов.
2. Экзополисахариды стимулируют фагоцитарную активность макрофагов и влияют
на продукцию основных провоспалительных цитокинов перитонеальными и альве-
олярными макрофагами, способствуя активации факторов естественной рези-
стентности (т. е. укрепляют иммунный статус организма).
3. Экзополисахариды приводят к более быстрому заживлению ранений резаного ти-
па; проявляют in vitro антимикробную активность в отношении некоторой са-
профитной микрофлоры.
4. Экзополисахариды при добавлении в рецептуру сыровяленых колбас улучшают их
структурно-механические, физико-химические, микробиологические и органо-
лептические свойства.
5. Микробные экзополисахариды выполняют роль естественных загустителей и ста-
билизаторов , улучшают консистенции кисломолочных биопродуктов, полученных
с использованием пробиотических заквасочных культур. В состав микробных
экзополисахаридов входят остатки нейтральных молекул глюкозы, галактозы,
ксилозы, диокситалозы, уроновых кислот, а также ряд неидентифицированных
пентоз и гексоз.
6. Установлено, что экзополисахариды, образуемые заквасочными (пробиотически-
ми) микроорганизмами, увеличивают количество полезных бактерий и стимули-
руют продукцию их метаболитов, а также повышают активность ферментации пи-
щевых сред, а при совместном культивировании экзополисахариды, синтезируе-
мые пропионовокислыми бактериями, стимулируют рост бифидобактерий.
Все возможности практического применения полисахаридов микроорганизмов еще
полностью не раскрыты, а их изучение открывает новые перспективы и приведет к
дальнейшему расширению области биотехнологической и микробиологической про-
мышленности .
МЕТАБИОТИКИ
С каждым десятилетием становятся все больше различных нарушений в важнейших
процессах жизнедеятельности организма человека, в том числе ожирение, как у
взрослых, так и у детей. Многие специалисты связывают эти нарушения с мало-
подвижностью и перееданием, однако, по современным научным предствлениям,
причина кроется в дисбалансе микрофлоры кишечника, т. е. в дисбалансе нор-
мальной микрофлоры кишечника человека, которая имеет важнейшее значение для
поддержки иммунитета, регулирования обмена веществ в организме человека и на-
прямую влияет на высшую нервную систему человека. Ещё в 1907 году великий
русский ученый Илья Мечников говорил о том, что микробные яды, выделяемые
гнилостными микроорганизмами кишечной микрофлоры, могут вызвать целый букет
различных заболеваний. К таким заболеваниям относятся болезнь Паркинсона, бо-
лезнь Альцгеймера, сахарный диабет 2-го типа, рассеянный склероз, подагра,
заболевания опорно-двигательного аппарата, аллергия, преждевременное старе-
ние, психические и поведенческие заболевания (тревожные расстройства, синдром
хронической усталости, аутизм, шизофрения), астма, ишемическая и гипертониче-
ская болезни, заболевания периферических сосудов, заболевания кишечника, за-
болевания желчных путей, онкологические заболевания, метаболические наруше-
ния. В настоящее время установлена взаимосвязь между кишечной микробиотой и
мозгом, доказано, что депрессия имеет прямую связь с желудочно-кишечным трак-
том, и даже выделены микроорганизмы, которые снижают депрессию и успешно бо-
рются с ее проявлениями.
Иначе говоря, если существует проблема в кишечнике человека, значит, имеют-
ся и неврологические расстройства, и все соматические болезни, как результат
дисбиозов. В 2013 году официально было признано, что атеросклероз - это также
результат дисбактериоза. Согласно отраслевому стандарту, дисбактериоз - это
клинико-лабораторный синдром, при котором происходит изменение качественного
и количественного состава микрофлоры и последующим развитием кишечных и имму-
нологических расстройств.
В 2016 г. рабочей группой экспертов по функциональным расстройствам желу-
дочно-кишечного тракта был подготовлен IV Римский консенсус, который постано-
вил, что на все функциональные расстройства следует смотреть как на расстрой-
ства взаимодействия между желудочно-кишечным трактом (ЖКТ) и мозгом. Доктор
медицинских наук, профессор кафедры гастроэнтерологии ФГУ «Учебно-научный ме-
дицинский центр Управления делами Президента РФ» М.Д. Ардатская считает, что
«эта самая ось «мозг-ЖКТ» - основные «киты» взаимодействия, между которыми
проявляются нарушение чувствительности, расстройство моторики, повреждение
слизистой, повреждение микробиоты желудочно-кишечного тракта, повреждение в
процессах центральной нервной системы. А микробиота является тем основным
«китом», на котором формируются и базируются все остальные группы рас-
стройств» .
Доктор медицинских наук, профессор Б.А. Шендеров считает, что «врачи и уче-
ные должны полностью менять представления о микробиоте человека и о том, что
и как на нее воздействует». «Тело человека - это всего каких-то 200 видов
тканей, а микробов, содержащихся в организме человека, - более 10 000 различ-
ных видов. Геном человека - это 25 000 генов, геном микробов - более 10 мил-
лионов генов». Микрофлора организма человека имеет колоссальный объем различ-
ной информации, которую еще предстоит научиться использовать врачам и ученым.
Главная роль микроорганизмов, находящихся в желудочно-кишечном тракте челове-
ка - пищеварительная, а это значит, что человек ежедневно нуждается не только
в белках, жирах, углеводах и вимаминах, но и в биологически активных соедине-
ниях (это около 400-500 г эндогенного сырья каждый день), вырабатываемых мик-
роорганизмами желудочно-кишечного тракта.
Человеку также необходима вода определенного изотопного состава, а микроор-
ганизмы занимаются отбором именно этих нужных изотопов. Таким образом, за
миллион лет совместной жизни микроорганизмы и организм человека научились от-
бирать необходимые пищевые нутриенты и «выдавать» человеку только то, в чем
он нуждается».
Причины дисбаланса микробной экологии человека различны, это прием антибио-
тиков, антигистаминных, антисептических, противоопухолевых лекарственных пре-
паратов, антидепрессантов, технологические пищевые добавки (полисорбат,
эмульгаторы), голодание или различные диеты с низким содержанием пищевых во-
локон или с повышенным содержанием жиров, Сахаров, искусственное питание мла-
денцев, индустриальные загрязнители окружающей среды, пестициды, соли тяжелых
металлов, радиация, повышенное потребление алкоголя, возраст старше 60-75
лет, стрессовые ситуации (операционные вмешательства, инфекции, длительная
изоляция и т. д.).
На протяжении многих десятилетий микрофлору кишечника корректировали про-
биотическими средствами. Многочисленными опубликованными исследованиями в по-
следние годы продемонстрирована положительная роль пробиотиков в комплексной
терапии как заболеваний желудочно-кишечного тракта, так и заболеваний, не
связанных напрямую с органами пищеварения.
Учитывая, что по-прежнему не сложилось единой и четкой классификации про-
биотических средств, которые применяются для коррекции микрофлоры кишечника,
молекулярные механизмы, лежащие в основе эффекта пробиотиков, до сих пор не
изучены полностью, поэтому происходит концептуальный пересмотр представлений
о пробиотиках.
На смену концепции пробиотиков пришла новая концепция метабиотиков - про-
дуктов жизнедеятельности пробиотических бактерий, способствующих росту полез-
ной микрофлоры и подавляющих вредную микрофлору, нормализущих бактериально-
эпителиальные взаимодействия микрофлоры кишечника с элементами его слизистой
оболочки.
На рис. 46 представлена классификация продуктов, которые используются для
восстановления нормальной микрофлоры кишечника человека.
>
ПРОБИОТИКИ
ПРЕБИОТИКИ
СИНБИОТИКИ
МЕТАБИОТИКИ
1960-е
1980-е
1990-е
XXI-й век
Чужеродные живые
микроорганизмы,
подселяемые в
кишечник
Источник питания,
способствующий росту
микроорганизмов
Комбинация
пребиотиков и
пробиотиков
Катализатор роста
своей микрофлоры.
Совершенно иной
принцип действия!
Рис. 46. Классификация продуктов для восстановления нормальной
микрофлоры кишечника человека.
Концепция метабиотиков основана на новом принципе коррекции нарушения мик-
робиоценоза и восстановления эубиоза кишечника, т. е. через метаболиты про-
биотических бактерий возможно не только вмешиваться в лечение различных пало-
тогий, но и проводить их профилактику.
Еще в 2008 году в определениях экспертного комитета ФАО и ВОЗ и в практиче-
ских рекомендациях гастроэнтерологической организации, метабиотики были выде-
лены как класс.
В настоящее время одним из главных направлений развития средств коррекции
микробиоты человека является развитие и улучшение традиционных пробиотиков,
путем получения современных натуральных метабиотиков, важнейшей составляющей
которых являются метаболиты, клеточные компоненты и сигнальные молекулы про-
биотических микроорганизмов.
Это новое направление и новая концепция метабиотиков, по мнению многих уче-
ных , имеет огромный практический потенциал. Поэтому в настоящее время для
поддержания и восстановления микробной экологии человека начинают ускоренно
внедряться разнообразные низкомолекулярные соединения микробного происхожде-
ния, которые получили в научной литературе название метаболитные пробиотики
или метабиотики.
Что же такое метабиотики? Ученые дают следующее определение метабиотиков.
«Метабиотики представляют собой структурные компоненты пробиотических мик-
роорганизмов, и/или их метаболиты, и/или сигнальные молекулы с известной хи-
мической структурой, которые способны оптимизировать физиологические функции,
метаболические, эпигенетические, информационные, регуляторные, транспортные,
иммунные, нейрогормональные, и/или поведенческие реакции, связанные с дея-
тельностью симбиотической индигенной микробиоты организма-хозяина».
«Метабиотики - это группа препаратов, которые содержат в себе активные ме-
таболиты (продукты жизнедеятельности) пробиотических культур, применяются для
поддержания микрофлоры кишечника: улучшают рост собственных бактерий и по-
давляют размножение болезнетворных». «Метабиотики содержат уже готовые актив-
ные метаболиты известных представителей естественной микрофлоры, при попада-
нии в кишечник они начинают действовать немедленно, не требуя времени для ак-
тивации, метабиотики не разрушаются под воздействием желудочного сока, пище-
варительных ферментов и не повреждаются в случае приёма антибиотиков».
«Метабиотики являются продуктами метаболизма, а не живыми организмами, не
разрушаются под воздействием желудочного сока, пищеварительных ферментов и не
повреждаются в случае приёма антибиотиков».
«Метабиотики - это группа препаратов, которые содержат в себе продукты жиз-
недеятельности пробиотических культур и применяются для поддержания микрофло-
ры кишечника: улучшают рост собственных бактерий и подавляют размножение бо-
лезнетворных» .
«Метабиотики - это новое поколение препаратов для устранения и профилактики
дисбактериоза, это полезные метаболические продукты про биотических бактерий,
которые не только способствуют росту полезной микрофлоры, но и подавляют вре-
доносную микрофлору, они создают благоприятное окружение, как для полезных
бактерий, так и для эпителия кишечника».
Более точное определение этой группы было сформулировано доктором медицин-
ских наук, профессором Борисом Аркадьевичем Шендеровым: «Метабиотики являются
структурными компонентами пробиотических микроорганизмов и/или их метаболи-
тов, и/или сигнальных молекул с определенной (известной) химической структу-
рой, которые способны оптимизировать специфичные для организма хозяина физио-
логические функции, регуляторные, метаболические и/или поведенческие реакции,
связанные с деятельностью индигенной микробиоты организма хозяина, они под-
держивают полезные бактерии и изгоняют опасных и бесполезных чужаков - в этом
смысле метабиотики похожи на пробиотики, только действуют напрямую и притом
никаких бактерий в себе не содержат». В отличие от пробиотиков и пребиотиков,
метабиотики находятся в активной форме, сразу же «включаются в работу» и на-
чинают действовать «здесь и сейчас», в то время как первые (пробиотики) чаще
всего находятся в лекарстве в лиофилизированном (высушенном) виде, и им тре-
буется время для активации (8-10 часов), а вторые (пребиотики) являются лишь
пищей для микрофлоры кишечника. Метабиотики имеют высокую биодоступность,
т.е. метаболические вещества доходят до кишечника (толстой кишки) в практиче-
ски полном объеме 95-97 % в неизменном виде, в то время как пробиотики иногда
доходят до кишечника в объеме около 10-20 % от изначального количества (осо-
бенно, если штаммы пробиотиков не кислотоустойчивые). Метабиотики не теряют
полезные свойства при одновременном приёме с антибиотиками, их можно при-
менять людям с иммунодефицитами, в то время как пробиотики, содержащие чуже-
родные бактерии, могут нанести вред людям с такой проблемой. В отличие от
пробиотических микроорганизмов метабиотики не вступают в антагонистические
взаимоотношения, т.е. в конфликт с собственной микробиотой человека.
Многие пробиотики могут подавлять рост и развитие естественной микрофлоры
кишечника человека, конкурируя с ней. Своими ферментами пробиотики также мо-
гут вмешиваться в нормальное функционирование кишечника и превращать в не-
безопасные продукты различные лекарства, поэтому иногда «вторжение» чужих да-
же полезных видов бактерий может привести к воспалительным реакциям или их
проникновению за кишечный барьер в ткани нашего тела. В настоящее время реги-
стрируется все больше случаев, когда эти бактерии могут отвечать за аллерги-
ческую сенсибилизацию и аутоиммунные расстройства.
«Метабиотики в сравнении с пробиотиками на основе живых организмов имеют
более длительный период сохранности, четкие мишени приложения, их лучше дози-
ровать , их безопасность лучше контролировать, они лучше абсорбируются, мета-
болизируются, распределяются по организму, тканям и органам, быстрее и в
большей степени элиминируются из организма».
На различных уровнях организма человека реализуются следующие эффекты мета-
биотиков :
■ на молекулярном уровне - репликации генов и их экспрессии, транскрипции и
трансляции генетической информации,
■ на клеточном уровне (на поверхности клеток и на мембранах клеток, белковом
и энергетическом биосинтезе в митохондриях и рибосомах), внутри гиалоплаз-
мы клеток (в местах локализации ядра, включений и органов), в межклеточном
матриксе в органах, в тканях, в физиологических системах и в целом орга-
низме .
Терапевтический эффект метабиотиков обусловлен сочетанием нескольких основ-
ных действий:
■ способностью обеспечивать необходимые условия гомеостаза в контактной зоне
для нормального взаимодействия эпителия и микрофлоры,
■ прямым влиянием метабиотиков на биохимические реакции и физиологические
функции макроорганизма, воздействуя на активность клеток и биопленок, бла-
годаря чему стимулируется собственная микрофлора организма.
Такая терапия с использованием метабиотиков физиологична, т. к. осуществля-
ет регулирующее влияние на симбионтные отношения организма и его микрофлоры и
теоретически способна сводить к минимуму возможность побочных эффектов прово-
димого лечения.
Могут метабиотики иметь и побочные эффекты, поэтому не стоит их принимать,
если существует индивидуальная чувствительность к любому из компонентов, вхо-
дящих в метабиотики, если существует непереносимость лактозы, кроме того,
различные метабиотики - БАДы не рекомендуется употреблять кормящим и беремен-
ным женщинам. Поэтому перед самостоятельным приёмом метабиотиков необходимо
проконсультироваться с врачом.
В настоящее время метабиотики рассматриваются учеными как самое перспектив-
ное направление развития пробиотиков, будущим которого будут являться по-
стбиотики, новый класс метабиотиков.
Наиболее известными в настоящее время метабиотиками, которые клинически ис-
пользуются в России являются Хилак-Форте, Бактистатин, Актофлор-С, Закофальк,
Хели-норм, Дайго (Daigo), Lactobacillus casei полисахарид-гликопептид с гипо-
тензивным эффектом, Lactobacillus helveticus трипептид с гипотензивным эффек-
том, E-coli-гликопротеин с аноректической активностью и некоторые другие.
Рассмотрим некоторые метабиотики.
На Российском рынке метабиотиком № 1 является Хилак-форте (рис. 47).
Этот метабиотик содержит водное извлечение продуктов обмена 4-х видов бак-
терий - лактобацилл, кишечной палочки и энтерококков (рис. 48): кишечной па-
лочки Escherichia coli (1) , энтерококка фекалиса Streptococcus faecalis (2) ,
молочнокислых палочек: ацидофильной палочки Lactobacillus acidophilus (3) и
швейцарской палочки Lactobacillus helveticus (4) и вспомогательные вещества.
Хилак-форте - это лекарственный препарат производства Германии, который вы-
пускается в жидком виде во флаконах и саше (дозированных пакетиках), разрешён
к применению детям первого года жизни, назначается при различных кишечных
расстройствах, нарушениях физиологической флоры кишечника (во время и после
лечения антибиотиками, сульфаниламидами, лучевой терапии), синдроме недо-
статочности пищеварения, диспепсии, гастроэнтеритах, колитах, диареи, метео-
ризме, запорах; расстройствах со стороны ЖКТ, вызванных сменой климата; син-
дроме старческого кишечника (хронических, атрофических гастроэнтеритах); эн-
терогенных заболеваниях желчного пузыря и печени, гипо- и анацидных состояни-
ях; сальмонеллезе в стадии реконвалесценции (в т. ч. у грудных детей); аллер-
гических кожных заболеваниях (крапивнице, эндогенно обусловленной хронической
экземе).
1$ вишни
Хилак
форте
I
н
*»
$1*
Хилак $
форте я
у.
г
Рис. 47 . Хилак-форте.
h'IMJ
Рис. 48. Бактерии: 1 - Escherichia coli, 2 - Streptococcus faecalis,
3 - Lactobacillus acidophilus и 4 - Lactobacillus helveticus.
Нежелательно его принимать с молоком и другими молочными продуктами,
как он вызывает их брожение.
В таблице 11 представлен состав 100 мл раствора-капель Хилак-форте.
так
Табл. 11. Состав 100 мл раствора-капель Хилак Форте (для приема внутрь)
Активные вещества - водные субстраты продуктов обмена веществ
Грамм
Швейцарская палочка - Lactobacillus helveticus DSM4183
49,896
Кишечная палочка - Escherichia coli DSM4087
24,948
Ацидофильная палочка - Lactobacillus acidophilus DSM 4149
12,474
Энтерококк фекалис - Streptococcus faecalis DSM 4086
12,474
Вспомогательные вещества: динатрия фосфат гептагидрат - 1,159; дика-
лия фосфат - 1,2650; молочная кислота - 2,5000-6,2500; фосфорная ки-
слота концентрированная - 0,3520; калия сорбат - 0,1114; лимонной ки-
слоты моногидрат - 0,0322, воды до 100 мл.
Препарат «Хилак-форте» регулирует равновесие кишечной микрофлоры и нормали-
зует ее состав, благодаря содержанию в препарате продуктов метаболизма нор-
мальной микрофлоры, способствует восстановлению нормальной микрофлоры кишеч-
ника биологическим путем, позволяет сохранить физиологические и биологические
функции слизистой оболочки кишечника, усиливает защитные функции организма
благодаря стимуляции иммунного ответа.
Входящие в состав препарата-метабиотика биосинтетическая молочная кислота и
ее буферные соли (табл. 11) восстанавливают нормальное значение кислотности в
ЖКТ независимо от того, есть ли проблемы у пациента от повышенной или пони-
женной кислотности. Содержащиеся в препарате «Хилак-форте» короткоцепочечные
летучие жирные кислоты обеспечивают восстановление поврежденной микрофлоры
кишечника при инфекционных заболеваниях ЖКТ, стимулируют регенерацию эпители-
альных клеток кишечной стенки, восстанавливают нарушенный водно-электролитный
баланс в просвете кишки.
Ещё одним из представителей метабиотиков является Бактистатин - био-
логически активная добавка (БАД) к пище, которая выпускается в России в рас-
творимых капсулах (рис. 49) и блистерах, разрешён к применению с 6 лет, при-
меняется для улучшения пищеварения и подавляет болезнетворные микроорганизмы
в желудочно-кишечном тракте человека.
Рис. 49. Бактистатин - БАД к пище.
В состав Бактистатина входят три природных компонента:
1. активные метаболиты - продукты жизнедеятельности бактерий сенной палочки -
бацилюс субтилис Bacillus subtilis (пробиотическая составляющая) с анти-
бактериальной активностью, которые воздействуют на патогенную и условно-
патогенную флору и укрепляют иммунитет;
2. цеолит (энтеросорбент), который селективно поглощает вредные вещества с
низкой молекулярной массой (сероводород, аммиак и т. д.), тем самым снижая
интоксикацию организма человека;
3. гидролизат соевой муки (пребиотический компонент) - это естественный ис-
точник олигосахаров и аминокислот, который обеспечивает благоприятные ус-
ловия для восстановления и роста нормальной микрофлоры кишечника человека.
Сенная палочка Bacillus subtilis (рис. 50) - это грамположительная спорооб-
разующая аэробная бактерия, которая обычно встречается в почве.
По санитарно-эпидемиологическим правилам СП 1.3.2322-08 «Безопасность рабо-
ты с микроорганизмами III-IV групп патогенности (опасности) и возбудителями
паразитарных болезней» (прил. № 1) Bacillus subtilis является антагонистом
патогенных и условно-патогенных микроорганизмов: стафилококков, сальмонелл,
протей, стрептококков и дрожжевых грибков. Bacillus subtilis продуцирует ме-
таболиты с антибактериальной активностью против этих микроорганизмов, которые
действуют сразу при попадании в кишечник человека. Кроме того, Bacillus
subtilis не относится к патогенным микроорганизмам для человека.
V -Л»
ШШ&<"'ЧЖ
i
10(jm
Рис. 50. Сенная палочка Bacillus subtilis
Таким образом, в Бактистатине продукты жизнедеятельности Bacillus subtilis
осуществляют взаимодействие с микрофлорой и клетками ЖКТ человека, при этом
улучшается колонизация слизистой оболочки полезной микрофлорой, образуются
дополнительные рецепторы для прилипания, благодаря действию консорциума мик-
роорганизмов, способных считывать сигнальные молекулы, общие с индигенной
микрофлорой, и синтезировать низкомолекулярные белки, подобные белкам инди-
генной микрофлоры. Благодаря этому, в процессе метаболических реакций проис-
ходит активное взаимодействие с питательными веществами, энзимами и т. п. че-
рез обмен сигнальными молекулами.
Кроме того, в состав клеток бацилл входит набор ферментов различных клас-
сов, клетки бацилл обладают полиферментативными свойствами, что позволяет им
существовать в разнообразных субстратах. В качестве примера, это свойство
Bacillus subtilis используют для синтеза ферментов - амилазы и протеазы.
Метаболиты Bacillus subtilis содержат комплекс биологически активных ве-
ществ : смесь лизоцима, каталазы, полипептидов, пептидогликана, некоторых ами-
нокислот, бактериоцинов, полисахаридов. Метаболиты с антибактериальной актив-
ностью (содержащие бактериоцины и лизоцим) угнетают условно-патогенные и па-
тогенные микроорганизмы, и при этом не влияют на полезную микрофлору кишечни-
ка; иммуноактивные факторы стимулируют синтез интерферона и повышают иммуно-
защитные функции организма человека, а метаболиты с ферментной активностью
(содержащие гидролитические энзимы) способствуют полноценному пищеварению в
организме человека.
Цеолит - природный сорбент, способен избирательно сорбировать и выводить
различные токсины и аллергены, не вступая во взаимодействие с аминокислотами,
белками, витаминами и другими полезными веществами; способен уменьшать раз-
личные виды интоксикации и нормализовать перистальтику кишечника, при этом
уменьшая спазмы и вздутие в кишечнике.
Гидролизат молотой сои - пребиотический компонент, заставляет активно расти
новую микрофлору взамен поражённой, тем самым, нормализуя полный аффинаж ки-
шечника. Применяется БАД к пище «Бактистатин» при дисбактериозах кишечника,
возникающих в результате антибиотикотерапии; при кишечных инфекциях; при га-
стрите, гастродуодените; при хронических заболеваниях ЖКТ, после лучевой и
химиотерапии, после перенесенных кишечных инфекций; при синдроме раздраженно-
го кишечника; при хроническом панкреатите; при диспепсии (изжоге, тошноте,
жидком стуле); при дерматологических и аллергических заболеваниях; при воз-
действии неблагоприятных факторов с целью повышения неспецифической рези-
стентности организма человека.
Биологически активная добавка (БАД) к пище «Актофлор-С» - это метабиотик
или метаболический пробиотик нового поколения, включает 12 метаболитов про-
биотитерий, совокупное действие которых направлено на стимуляцию и восстанов-
ление собственной индивидуальной микрофлоры и устранение проявлений дисбакте-
риоза. Быпукается Актофлор-С в виде раствора в юнидозах (дозированные пласти-
ковые ёмкости) - тюбика-капельницы по 2 мл (рис. 51) рекомендуется только
взрослым, восстанавливает нормальную микрофлору кишечника при болезнях ЖКТ,
стрессе, несбалансированном питании, плохой экологии, предупреждает развитие
диареи на фоне приёма антибиотиков, способствует обмену веществ, повышает об-
щую сопротивляемость организма к инфекциям и стрессу.
АКТОФЛОР@-С
Метабиотик нового поколения
Раствор для приема внутрь
, Восстанавливает микрофлору
V кишечника
у Предотвращает побочнье эффект*
V приема аншбиотиков
Способствует угучиенло обмена
V веществ
, Повышает общую сопротивляемость
V организм к инфекции стресс*
msoLOPHAKM
тЮбик-1сапвльницпо2мл
- ь ^ ъ ^
§ С § с; | с; I .с | с;
< СЧ* < СЧ < OJ . < СЧ , < СМ
Рис. 51. Актофлор-С - метабиотик нового поколения.
В состав метабиотика «Актофлор-С» входят (мг/мл):
■ уксусная кислота в пересчете на ацетат - натрия не менее - 116,
■ молочная кислота - 24,7;
■ янтарная кислота - 14,0;
■ муравьиная кислота - 10,49;
■ L-глутаминовая кислота - 6,71;
■ L-валин - 6,68;
■ L-лизина гидрохлорид - 6,67;
■ L-метионин - 3,4;
■ L-аланин - 2,03;
■ L-лейцин - 1,5;
■ глицин - 1,2;
■ L-аспарагиновая кислота - 0,91;
■ гидроксид натрия,
■ вода.
Биологически активная добавка к пище «Закофальк» - это метабиотик нового
поколения, выпускается в форме таблеток (рис. 52) в России, разрешён только
для взрослого населения, инновационный препарат масляной кислоты и инулина в
современной лекарственной форме, восполняет дефицит в организме масляно ки-
слоты и инулина, состав представлен в таблице 12.
Рис. 52. Закофальк - БАД к пище
Табл. 12. Состав препарата «Закофальк»
Активные вещества 1 таблетки
Кальция бутират (соответствует 250 мг масляной кислоты)
Инулин
1 таблетка
307 мг
250 мг
Вспомогательные вещества: мальтодекстрин; сорбитол; гидроксипропилметилцел-
люлоза; МКЦ; кукурузный крахмал; регулятор кислотности - лимонная кислота;
антислеживающий агент - магния стеарат; стабилизатор - стеариновая кислота;
антиокислитель - лецитин
Оболочка таблетки: агент антислеживающий - тальк; глазирователь - шеллак;
краситель - титана диоксид; стабилизатор - гидроксипропилцеллюлоза; носители
(тризтилцитрат, гидроксипропилметилцеллюлоза); ароматизатор - ванилин
Масляная кислота - одна из важнейших летучих жирных кислот, естественный
метаболит, т. к. в норме образуется в толстой кишке в результате расщепления
нормальной микрофлорой кишки неперевариваемых углеводов, поступающих вместе с
пищей. Кроме того, этот продукт жизнедеятельности полезных кишечных бактерий
является пищей для колоний бактерий, обеспечивает снабжение энергией клеток
слизистой оболочки толстого кишечника (колоноцитов) и поддерживает их в здо-
ровом функцинальном состоянии, тем самым защищая слизистые стенки кишечника,
снижая их проницаемость.
Масляная кислота регулирует обменные процессы, процессы обновления и разви-
тия клеток слизистой оболочки толстой кишки, укрепляет защитный барьер слизи-
стой оболочки, снижает висцеральную чувствительность толстой кишки к раздра-
жающим стимулам, в первую очередь к растяжению толстой кишки в различных со-
стояниях, является основным регулятором водно-электролитного баланса в тол-
стой кишке и способствует всасыванию избыточной воды в толстой кишке, предот-
вращая жидкий стул (диарею).
Инулин - это растворимые пищевые волокна, классический пребиотик, он не пе-
реваривается пищеварительными ферментами человека, легко попадает в толстую
кишку, где стимулирует рост и размножение нормальной микрофлоры, в том числе
кишечных бифидобактерий. За счет этого улучшается перистальтика толстой кишки
и происходит образование полезных для организма бактериальных метаболитов, в
том числе образуется и эндогенная масляная кислота. Бактериальные метаболиты
полезной микрофлоры толстой кишки и инулин оказывают положительное влияние на
обмен веществ в организме человека и обменные процессы в клетках толстой киш-
ки, а также обладают антиоксидантным действием, что особо важно для людей по-
жилого возраста. Чтобы масляная кислота не подвергалась преждевременному вса-
сыванию в желудке и тонком кишечнике и в полной мере могла реализовать свои
основные биологические функции, для этого при производстве таблеток Закофальк
используется специальная технология на основе полимерной мультиматрикснои
структуры.
Эта специальная технология позволяет таблеткам «Закофальк» в неизменном ви-
де преодолевать желудок и тонкий кишечник и достигать толстой кишки, где про-
исходит постепенное высвобождение активных веществ Закофалька и обес-
печивается действие масляной кислоты и инулина в течение 24 часов на протяже-
нии всего толстого кишечника человека.
Перспективы в области
создания метабиотиков
специального назначения
Перспективами в области создания метабиотиков специального назначения явля-
ются новые подходы и новые биотехнологии при конструировании метабиотиков це-
левого назначения и новых мишеней:
■ QS-метабиотики - это модуляторы Quorum sensing регуляции (в переводе с
англ. Quorum Sensing (QS) - это чувство кворума, способность некоторых
бактерий и, возможно, других микроорганизмов общаться и координировать
своё поведение за счёт секреции молекулярных сигналов);
■ иммунно-метабиотики - это модуляторы иммунного статуса;
■ антиокси-метабиотики - это модуляторы антиокси-дантного статуса;
■ психо-метабиотики - это модуляторы нейро- психического статуса;
■ энерго-метабиотики - это модуляторы энергетического обмена в митохондриях
и кишечной микробиоте;
■ эпигено-метабиотики - это модуляторы эпигеномной регуляции фенотипической
экспрессии генов и посттрансляционных эффектов;
■ инфор-метабиотики - это модуляторы внутриклеточного информационного обме-
на, в популяциях эукариотиче-ских и прокариотических клеток и между бакте-
риями и клетками хозяина;
■ модуляторы, поддерживающие стабильность генома и микробиома, предотвращаю-
щие новообразования толстого кишечника и кожи и другие мишени.
Реализация этих новых решений и подходов позволит максимально эффективно и
быстро использовать биотехнологический потенциал основных представителей сим-
биотической пробиотической микробиоты человека для создания принципиально но-
вых адресных метабиотиков, которые будут способствовать профилактике и лече-
нию широко распространенных заболеваний, связанных с микроэкологическим дис-
балансом человека.
Основой для создания потенциальных QS-метабиотиков являются следующие мик-
робные низкомолекулярные соединения, которые способны регулировать Quorum
sensing (QS):
■ микронутриенты животной, растительной или микробной природы, интерферирую-
щие регуляцию работы QS (например, это могут быть лектины, лактоны, пепти-
ды и полифенолы);
■ энзимы, деградирующие QS-аутоиндукторы (например, специфические протеазы,
схожие с серпинами бифидобактерий, микробные ацилазы, лактоназы);
■ ингибиторы гистидинкиназы;
■ синтетические аналоги микробных аутоиндукторов, которые имитируют сигналь-
ные молекулы;
■ ингибиторы Ацил-HL сигналинг (например, микробные галогенированные фурано-
ны) ;
■ ингибиторы белкового синтеза (например, различные микробные пептиды, или
антибиотики, подавляющие синтез белка на рибосомальном уровне);
■ антагонисты рецепторно-лигандных взаимоотношений (например, бактериоцины,
микробные трансизомеры жирных кислот).
Основой для создания потенциальных иммунно-метабиотиков являются эффектор-
ные структурные компоненты, связанные с пробиотическими (симбиотическими)
микроорганизмами, и низкомолекулярные антимикробные соединения:
■ с антимикробным эффектом (например, молочная, пропионовая, уксусная, мас-
ляная, бензойная и другие органические кислоты, перекись водорода, оксид
азота, диоксид углерода, диацетил, бактериоцины, микроцины, бактериоцин-
схожие антибиотики, дефензин-схожие пептиды, энзимы с антимикробными эф-
фектами - лизоцим, лектины, биосур-фактаны, полиамины и др.);
■ структурные компоненты (экзополисахариды, поверхностные S-белки фимбрий,
пептидогликаны, липотейхоевые кислоты, LPS, нуклеиновые кислоты и др.) и
метаболиты (различные пептиды, ДНК, белки, богатые CpG локусами, КЦЖК, го-
мосериновые лактоны, допамин, серотонин, метаболиты гистамина и триптофана
и др.) пробиотических микроорганизмов, которые имеют специфические рецеп-
торы и мишени в различных звеньях и клетках иммунной системы.
Основой для создания потенциальных антиокси-метабиотиков являются низкомо-
лекулярные микробные соединения с антиоксидантной активностью:
■ микробные соединения для связывания ионов металлов, участвующих в окисли-
тельных реакциях хозяина (например, Fe2+, Cu2+) ;
■ микробные антиоксидантные энзимы (супероксидные дисмутазы-Fe-SOD, Mn-SOD;
каталаза и другие);
■ структурные микробные компоненты и метаболиты с антиоксидантным эффектом
(содержащие протеины и пептиды, полисахариды, витамин В12, тиамин, глютати-
он, фолат, масляную кислоту), благодаря которым снижается окислительный
стресс за счет косвенного или прямого увеличения синтеза антиоксидантных
ферментов организма человека;
■ микробные соединения (например, бактериоцины, органические кислоты, био-
сурфактаны), восстанавливающие кишечную микробиоту бактериоцины, и, напро-
тив, ингибирующие пролиферацию патогенных и оппортунистических микроорга-
низмов и связанных с ними кишечную эндотоксинемию, метаболические наруше-
ния и оксидативный стресс;
■ микробные соединения, участвующие в регуляции сигнальных антиоксидантных
путей хозяина (Nrf2-Keapl-ARER; NFkB, протеин киназы МАРК, PKS), вовлекае-
мые в поддержание редокс-потенциал организма;
■ микробные компоненты, модулирующие регуляцию клетками организма человека
синтез окислительных свободных радикалов.
Основой для создания потенциальных психо-метабиотиков являются нейромодуля-
торные эффекты ингредиентов микробного происхождения, схожие по функцио-
нальной активности с таковыми людей и животных:
■ аминокислоты (глицин, триптофан, аспартат, глютамат, таурин), ацетат, про-
пионат, бутират, ГАБА, фенол и его производные, тиамин, рибофлавин, пири-
доксин, биотин, витамины В12, ниеотиновая, фолиевая и пантотеновая кислоты,
выступающие в качестве косубстратов и кофакторов синтеза нейротрансмитте-
ров и нейрогормонов, или нейро-психических реакций;
■ микробные гормоны и трансмиттеры (серотонин, гистамин, триптамин, С-
дигидрооксифенилаланин (ДОГТА), допамин/норадреналин, ацетилхолин), участ-
вующие в формировании пула этих соединений в организме человека;
■ NO, CO, C02, NH3, H2S, H2, CH4 и другие, образуемые в организме за счет мик-
робной трансформации различных соединений и оказывающие свои эффекты через
биохимические, нейроэндокринные и иммунологические реакции и модуля цию
пост-трансляционной модификации белков, редокссигнализации и функциониро-
вания ионных каналов и молекул переносчиков.
Основой для создания потенциальных энерхю-метабиотиков являются модуляторы
энергетического обмена в кишечной микробиоте и митохондриях. При этом энерге-
тические процессы в митохондриях и их функциональных аналогах (внутренних
мембранах) у бактерий нуждаются во множестве кофакторов:
■ витаминах (В1г В2, В3, В5, Вб, В7, В9, В12, С, К± и К2) ;
■ невитаминовых субстратах (NADH, NAD, NADP+, NADPH, ATF, цитидин трифосфат,
S-аденозил метионин, 3 т фосфоаденозин-5 т-фосфосульфат, глютатион, Коэнзим
Q10, Коэнзим В, Коэнзим М, Кофактор F-430, гем, метанофуран, ос-липоевая
кислота, молибдоптерин/молибден кофактор, пирролохинолин хинон, тетраги-
дрометаноптерин, тетрагидробиоптерин);
■ минералах (Са, Си, Fe2+, Fe3+, Mg, Mn, Mo, Ni, Se, Zn) ;
■ аминокислотах (лизина, аргинина, метионина, цистеина, р-аланина, серина,
треонина, триптофана, гистидина, карнитина, аспарагиновой кислоты);
■ органических кислот, участников цикла Кребса;
■ некоторых нуклеотидов (например, пиримидина), микроРНК и т. д.;
■ различных комбинаций перечисленных низкомолекулярных микробных и расти-
тельных соединений.
Мишенью для селекции потенциальных эпигено-метабиотиков является модуляция
эпигенетической регуляции экспрессии генов хозяина в виде:
■ микробных субстратов, кофакторов, вмешивающихся в эпигенетическую регуля-
цию (ферментов, витаминов, органических и аминокислот, лектинов и других
коэнзимов);
■ микробных активаторов и ингибиторов, специфически воздействующих на кон-
кретных ферментных участников эпигенетических машин (метилтрансфераз, аце-
тилтрансфераз, демитилаз, рибозилтрансфераз, гидролаз, фосфотрансфераз,
киназ, сиртуинов, Bir А лигаз, синтетаз, нуклеаз, ДНК и РНК лигаз (бути-
рат, микробных дериватов растительных полифенолов));
■ микробных протеаз, деградирующих ферментов, эффекторов или рецепторов, во-
влекаемых в эпигенетические процессы (ацилаз, лактоназ, серпинов бифидо-
бактерий);
■ микробных ингибиторов и активаторов эпигенетического сигналинга общего на-
значения (летучих жирных кислот, лектинов, газообразных молекул);
■ микробных антагонистов рецептор-лиганд взаимоотношений (трансизомеров жир-
ных кислот, L-изомеров углеводов, D-изомеров аминокислот, лектинов);
■ полу- или полностью синтетических аналогов различных модификаторов эпиге-
нетических механизмов.
Кроме того, примерами сложных гибридных метаболитов (гиболиты, hibolites) с
целевыми эффектами на организм человека являются:
■ сложный гиболит на основе микробных D-изомеров лейцина, метионина, тирози-
на и триптофана, изолированных из В. subtilis, ингибирующий формирование
биопленок стафилококков и синегнойной палочки;
■ искусственно сконструированный гиболит на основе микробного кардиолипина
(фосфолипид бактериальной мембраны) и бактериального транспортного белка
(флотилина-1), регулирующий нормализацию работы мембранных канальцев кле-
ток человека;
■ комплексный гиболит на основе треонина, серина, саркозина и фосфохолина
бактериального происхождения, обладающий потенциальным противораковым эф-
фектом .
Для целевой доставки сложных гибридных метаболитов в клетки человека реко-
мендуется использовать катионные липидные комплексы (lipoplexes) или экзосомы
бактериальных или животных клеток.
В настоящее время накоплен огромный научный потенциал знаний и понимания
роли и значения микробиома для здоровья человека в персонализированной меди-
цине .
В настоящее время достигнуты большие успехи в научных исследованиях, позво-
ливших получить достаточно полную характеристику микроорганизмов, населяющих
организм человека, исследованы многочисленные генетические элементы микроор-
ганизмов с применением последних молекулярных приемов секвенирования, уста-
новлена значимость и важность микробиома в фенотипе, патогенезе и прогнозе
многих заболеваний.
Перспективами развития микроэкологических приемов коррекции симбиотической
микробиоты является:
■ развитие и усовершенствование биотехнологий производства метабиотиков на
основе отдельных микробных низкомолекулярных соединений и их сочетаний с
растительными биофлавоноидами различной природы;
■ конструирование аутопробиотиков для персонального применения и осуществле-
ние микроэкологической инженерии;
■ конструирование пробиотиков и метабиотиков, изготовленных с использованием
приемов синтетической биологии;
■ развитие национальных криогенных банков микробиоценозов человека для дол-
говременного сохранения его индивидуальной микробиоты;
■ создание и внедрение новых типов локально действующих антимикробных соеди-
нений: фагобиотиков, бактериоцинов, других антимикробных пептидов, а также
новых вариантов антибиотиков и т. д.;
■ создание и внедрение последующих генераций простых, полусинтетических,
синтетических и сложных метабиотиков (аналогичных антибиотикам), которые
будут аналогами или улучшенными копиями природных низкомолекулярных соеди-
нений различных пробиотических микроорганизмов.
Такие метабиотики еще в большей степени смогут улучшить эффективность, спе-
цифичность и безопасность микроэкологических приемов профилактики и лечения
различных заболеваний, которые связаны с дисбалансом симбиотической микробио-
ты млекопитающих.
Кроме того, современные метабиотики смогут выступать как самостоятельные
средства для непосредственного использования, так и в качестве различных био-
логически активных добавок для обогащения различных функциональных продуктов
питания, или как часть композиции метапробиотиков, метааутопробиотиков, мета-
пребиотиков, метасинбиотиков, синтетических метабиотиков, или в качестве ле-
карственных препаратов и косметических средств.
К сожалению, массовое создание и применение метабиотиков различного назна-
чения в настоящее время в России пока ограничено из-за ряда объективных при-
чин , например, таких как:
■ отсутствие экономически обоснованных приемов промышленного выделения, по-
лучения и оценки физико-химической структуры потенциальных метабиотиков;
■ недостаточное использование в России гнотобиологических моделей для оценки
эффективности и безопасности этого нового класса фармакологических средств
и биологически активных добавок микробного происхождения;
■ недостаточное использование в России ОМИК-технологий;
■ дефицит необходимых биотехнологических предприятий;
■ дефицит хорошо подготовленных, профессионально грамотных в этой области
специалистов;
■ отсутствие необходимого и достаточного количества музеев важных для здоро-
вья человека микроорганизмов;
■ отсутствие достаточного количества банков или музеев микробиоценозов чело-
веческого происхождения и сохраняющегося в них микробного материала и др.
Российские ученые считают, что в настоящее время в России возникла необхо-
димость создания биотехнологами и клиницистами различного профиля междисцип-
линарной программы «Метабиотики - как новая микроэкологическая и нутритивная
стратегия профилактики хронических соматических (метаболических) заболеваний
и активного долголетия», реализация которой позволила бы резко снизить риск и
прогрессировать основных «болезней цивилизации».
Отечественные и зарубежные ученые считают, что будущее за созданием специ-
ально спроектированных и запрограммированных метабиотических биопрепаратов в
зависимости от типа нарушения микробиоценоза кишечника и особенностей жизне-
деятельности конкретных условно-патогенных и патогенных штаммов микроорганиз-
мов в кишечнике человека.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время современная биотехнология развивается бурными темпами,
существующий научно-технический потенциал свидетельствует о том, что роль
этой науки, в основе которой лежит практическое использование микроорганизмов
непрерывно растёт, а её достижения играют большую роль в качественном улучше-
нии жизни человека. Биотехнология все больше перестает быть прикладной нау-
кой, она активно входит в обычную жизнь людей, помогая решать насущные про-
блемы современного человечества, в том числе помогая человеку снизить риск и
прогрессировать основных «болезней цивилизации», т. к. ведущим фактором здо-
ровья человека является именно состояние его симбиотической микробиоты.
Посредством биотехнологий получают новые функциональные и персонифицирован-
ные биопродукты питания с использованием пробиотиков и пребиотиков, новые
средства для диагностики, вакцины и лекарства.
Ликбез
КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
О.В. Фомина, В.В. Лысак
ПРЕДИСЛОВИЕ
Микроорганизмы издавна используются в традиционных технологиях (хлебопече-
ние , производство кисломолочных продуктов, уксуса, пива, вина и т. д.), одна-
ко их культивирование in vitro получило активное развитие только во второй
половине XIX в.
С этого времени культуры микроорганизмов находят все более широкое примене-
ние в разнообразных областях биологии, биотехнологии, медицины, сельского хо-
зяйства, фармакологии и др. Без них невозможно решение многих фундаментальных
общебиологических проблем. Важную роль микробные культуры играют в биотехно-
логии при производстве вакцин и биологически активных веществ. Микроорганизмы
являются основой различных препаратов для сельского хозяйства - биоудобрений,
биогербицидов, биоинсектицидов, биофунгицидов и т. п. Инактивированная мик-
робная биомасса служит исходным материалом для производства белково-
витаминных концентратов, используемых в качестве добавок в пищевой рацион
сельскохозяйственных животных и др. Культуры микроорганизмов применяются как
тест-объекты при испытании новых фармакологических веществ, в биофармацевти-
ческой области для получения генно-инженерных лекарственных средств (инсулин,
интерфероны, соматотропин, альбумин, факторы свертываемости крови, цитокины,
противоопухолевые антитела, поверхностные опухолевые антигены, мультивалент-
ные вакцины на основе нескольких генно-инженерных белков и т. п.).
Возможности широкого использования культур микроорганизмов и постоянно воз-
никающие новые области их применения обусловили активное совершенствование
оборудования и техники культивирования и появление большого количества мето-
дов их выращивания.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование культивирования микроорганизмов начинается с 1830 г., когда Ш.
Каньяр де Латур, Ф. Кютцинг и Т. Шванн открыли причину брожения вина (наличие
клеток дрожжей).
В дальнейшем в области культивирования микробных клеток существенного про-
гресса не наблюдалось вплоть до 1850-х гг. Тогда Л. Пастер начал свои фунда-
ментальные исследования по изучению физиологии дрожжевых и мицелиальных гри-
бов и бактерий, определению пищевых потребностей данных микроорганизмов и ро-
ли кислорода в обеспечении процессов их жизнедеятельности и др. Уже в 1859 г.
он создал первую жидкую питательную среду.
Л. Пастер и его ученик М.Ж. Ролэн установили потребность в главных и второ-
степенных компонентах среды и в источниках энергии. Первая полная среда опре-
деленного состава была получена М.Ж. Ролэном в 1869 г. для культивирования
грибов рода Aspergillus. В состав этой среды входили виннокаменнокислый аммо-
ний, тростниковый сахар, щелочные и щелочно-земельные фосфаты, кремнезем и
малые количества окиси железа и цинка. Ученый определил пищевые потребности
исследуемых микроорганизмов не только качественно, но и количественно и дока-
зал возможность активного развития грибов (плесневых и дрожжевых) на синтети-
ческих средах определенного химического состава.
В 1864 г. О. Брефельд разработал метод выращивания грибов на желатине.
Л. Пастер внес существенный вклад в методологию выращивания микроорганизмов
любого происхождения, введя в научный обиход асептические методы. Предложен-
ная этим выдающимся микробиологом «пастеризация» позволила вести процесс в
условно стерильных условиях. Необходимо вспомнить и другие способы стерилиза-
ции, например тиндализацию, предложенную Дж. Тиндалем (1877), и т. п. Разра-
ботанные в те годы методы асептики были направлены на уничтожение контамини-
рующей микробиоты, которая чаще всего проникала в питательные среды во время
их приготовления.
Со второй половины 1870-х гг. наряду с культивированием грибов (как дрожже-
вых, так и мицелиальных) начинается активное культивирование бактерий. Первы-
ми бактериальными культурами, выращенными в условиях in vitro, стали патоген-
ные бактерии - возбудители тяжелых заболеваний человека и животных. Так, в
1876 г. Р. Кох смог вырастить возбудителя сибирской язвы Bacillus anthracis,
используя глазную жидкость погибшей от этого заболевания коровы. В начале
1880-х гг. Р. Кох предложил применять для выращивания микробных клеток сте-
рильные ломтики картофеля, а позднее - твердые питательные среды на основе
желатина. В 1881 г. он опубликовал работу «Методы изучения патогенных орга-
низмов», в которой привел способы культивирования микроорганизмов с использо-
ванием твердого субстрата, позволяющего физически, пространственно разобщать
микробные клетки и получать изоляты чистых культур. С 1883 г. вся микробиоло-
гическая практика основывается на применении только чистых культур. Метод
создания чистых культур, разработанный Р. Кохом, обусловил значительные пре-
имущества в выращивании микроорганизмов и в изучении всех аспектов их жизне-
деятельности, а еще, что не менее важно, обеспечил получение воспроизводимых
результатов исследований. Р. Кох занимался также разработкой методов окраски
бактериальных препаратов.
В 1884 г. немецкий микробиолог В. Хессе для приготовления твердых питатель-
ных сред предложил использовать в качестве уплотнителя наряду с желатином
агар-агар. Это привело к созданию агаризованных питательных сред - наиболее
широко распространенного варианта плотных субстратов для культивирования мик-
роорганизмов .
Начиная с «изящных» работ Р. Коха методы культивирования и изучения особен-
ностей роста и развития микроорганизмов стали основной заботой микробиологов.
Потребность микроорганизмов в сложных органических веществах - факторах
роста - впервые была обнаружена Э.Уильдьерсом в 1901 г., когда он открыл ве-
щество, необходимое для развития дрожжей, и назвал его «фактор биос» (от
греч. bios - жизнь). В кристаллическом виде фактор биос впервые был выделен в
1935 г. Ф. Кошем и получил название «биотин».
Если на начальных этапах культивирование микроорганизмов осуществлялось
стационарным поверхностным способом в колбах (реже - в пробирках) с жидкими
или плотными питательными средами, то совершенствование техники выращивания
микробных клеток сопровождалось модернизацией культуральнохю оборудования и
посуды.
В 1933 г. А.Дж. Клюйвер и Л.Х.Ц. Перкин опубликовали статью «Методы изуче-
ния обмена веществ у плесневых грибов», в которой заложили основу технологии
динамического глубинного культивирования грибов с использованием колб на ка-
чалках. Кроме того, авторы предложили подходы к оценке и интерпретации ре-
зультатов , получаемых при выращивании грибов в жидкой питательной среде.
С момента введения в научный и производственный обиход метода колб на ка-
чалках началось активное развитие и совершенствование герметизированной аппа-
ратуры культивирования, что обусловило масштабирование процессов выращивания
микроорганизмов в стерильных условиях. Применение динамических систем культи-
вирования позволило использовать лабораторный метод для аэрации глубинных
культур, особенно глубинных культур аэробных грибов, которые раньше выращива-
лись только на поверхности твердых или жидких сред, т. е. в гетерогенных ус-
ловиях .
Впоследствии глубинные культуры аэробных грибов - продуцентов антибиотиков
- сыграли важную роль в развитии промышленного производства биологически ак-
тивных веществ.
Возможность практического использования культур микроорганизмов как основ-
ных источников хозяйственно ценных соединений стимулировала интерес к промыш-
ленной микробиологии и способствовала созданию в 1940-50-х гг. ферментеров с
автоматической регуляцией условий среды. В этот же период исследователи обра-
тили пристальное внимание на изучение кинетических закономерностей роста по-
пуляции микробных клеток, хотя концепцию о взаимосвязях различных параметров
культуры А.Дж. Слейтор сформулировал еще в 1921 г. В 1946 г. Ж. Моно указал
на возможность характеристики роста бактерий с использованием таких количест-
венных параметров, как удельная скорость роста, экономический коэффициент,
концентрация лимитирующего субстрата. Дальнейшее применение данного аналити-
ческого подхода к оценке кинетики роста популяции микробных клеток (Ж. Моно,
1950; А. Новик, Л. Шилард, 1950) привело к активному развитию теории непре-
рывного культивирования хемостатного типа.
С этого времени открылись широкие горизонты для практического применения
культур микробных клеток.
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ
ИСТОЧНИКИ ПОЛУЧЕНИЯ
КУЛЬТИВИРУЕМЫХ
МИКРООРГАНИЗМОВ
При выборе культуры микроорганизмов для дальнейшего научного или практиче-
ского применения руководствуются знаниями об основных особенностях жизнедея-
тельности представителей искомого вида и о природе процессов, в которых дан-
ные микроорганизмы будут использованы.
В настоящее время существуют два основных источника получения культур мик-
роорганизмов .
Первый источник - имеющиеся коллекции микроорганизмов. Это самый несложный
путь, предполагающий выбор конкретного микроорганизма из большого числа из-
вестных и хорошо охарактеризованных видов. Простота данного выбора обусловле-
на тем, что все виды коллекционных микроорганизмов представлены чистыми куль-
турами (популяции клеток одного вида, в идеальном варианте - потомство одной
клетки), и, следовательно, отсутствует необходимость в их выделении и получе-
нии. Таким путем чаще всего идут при подборе культур продуцентов биологически
активных и хозяйственно ценных соединений. Например, бактериальных продуцен-
тов антибиотиков удобнее искать среди представителей родов Bacillus и
Actinomyces.
Второй (классический, или традиционный) источник - места, где обитание и
выделение (изоляция) конкретного микроорганизма наиболее вероятны.
Данный путь предполагает выделение искомых микроорганизмов из природных
сред (почва, вода, воздух, поверхность растений, патологический материал и т.
п.), в которых они могут находиться с высокой степенью вероятности. Например,
деструкторы углеводородов обычно встречаются в местах разливов нефти или
вблизи автозаправочных станций, а дрожжи обитают на поверхности плодов или в
нектаре цветков.
Однако необходимо помнить, что в естественных условиях микроорганизмы прак-
тически не встречаются в виде чистых культур, а обитают в смешанных популяци-
ях, часто образуя характерные биопленки. Следовательно, процесс выделения
чистой культуры из естественного (природного) микробного сообщества достаточ-
но сложен и состоит из нескольких этапов: первый - создание накопительной
культуры; второй - изоляция чистой культуры из накопительной; третий - про-
верка чистоты выделенного изолята.
Способы создания
накопительных культур
аэробных и факультативно
анаэробных микроорганизмов
Накопительная культура микроорганизмов - это смешанная популяция микробных
клеток, в которой искомый вид количественно преобладает над другими предста-
вителями. Следовательно, основная задача получения накопительной культуры -
создание избирательных (элективных) условий для преимущественного развития
выделяемого вида на фоне угнетения роста сопутствующих микроорганизмов.
Создание истинно избирательных условий возможно только тогда, когда хорошо
известны особенности основных процессов обеспечения жизнедеятельности выде-
ляемых в чистую культуру микроорганизмов. Элективные условия могут реализовы-
вать предпочтительное развитие определенного вида и увеличение относительного
количества его клеточной массы либо путем воздействия на смешанную популяцию
различными физическими факторами, либо подбором определенного состава пита-
тельных сред, либо использованием характерных признаков получаемого изолята и
др.
Существующие способы накопления можно объединить в группы на основании ме-
ханизмов действия и природы действующего фактора. Различают физические, хими-
ческие и биологические способы накопления.
К физическим способам накопления относят регуляцию роста температурой, теп-
ловую и ультразвуковую обработку, ультрафиолетовое облучение, которые приво-
дят к гибели или подавлению развития сопутствующих членов микробиоты, присут-
ствующих в популяции, но существенно не затрагивают выделяемые клетки.
При использовании такого действующего фактора, как температура, удобнее по-
лучать накопительные культуры психрофильных или термофильных микроорганизмов.
Для мезофилов, к которым относится большинство микроорганизмов, термические
воздействия малоэффективны, особенно при создании оптимальных температурных
условий. Ультразвук и ультрафиолет являются жесткими физическими агентами,
которые при получении накопительных культур следует применять осторожно, что-
бы не ингибировать также развитие выделяемой культуры.
Для получения накопительных культур спорообразующих бактерий перед высевом
в агаризованные питательные среды смешанную популяцию помещают на водяную ба-
ню с температурой около 80-85 С на полчаса. При таком термическом воздействии
неспорообразующие клетки погибают, а жизнеспособность сохраняют споры, даль-
нейшее развитие которых на твердых средах приводит к формированию культуры в
вегетирующем состоянии.
Накопительные культуры фототрофных микроорганизмов (цианобактерии и микро-
скопические водоросли) получают, инкубируя образцы при температуре 25 С и по-
стоянном освещении от 500 до 3000 лк. Через 4-7 суток увеличивается мутность
культуры, которая часто приобретает розовую, коричневую или желтую окраску.
Для создания накопительных культур психрофильных бактерий производят инку-
бирование смешанной микробной ассоциации при низкой температуре. На первом
этапе проводят культивирование образцов, полученных из природных источников,
при низких положительных температурах (0-5 С) , поскольку в этих условиях за-
держивается рост многих микроорганизмов. Затем осуществляют инкубирование при
температуре ниже -5 С в течение 14-24 суток.
В основе действия химических способов накопления лежит применение либо ток-
сичных веществ, которые подавляют развитие сопутствующей части популяции, не
оказывая влияния на выделяемый микроорганизм, либо веществ, служащих основны-
ми источниками питания, часто экзотическими и используемыми преимущественно
определенными микроорганизмами (например, ароматические и одноуглеродные со-
единения , углеводороды и т. п.).
Для получения накопительных культур патогенных энтеробактерий (например,
сальмонелл) производят посев смешанной микробиоты, выделенной из патологиче-
ского материала, на среды обогащения: селенитовый бульон, среды Мюллера, Ка-
уфмана, которые содержат вещества, стимулирующие развитие сальмонелл и угне-
тающие сопутствующую микробиоту. С этой же целью можно использовать и элек-
тивные среды: желчный бульон и среду Раппопорт, содержащие 10-20 % желчи,
среды Эндо, ЭМС (Левина), Плоскирева, на которых сальмонеллы растут в виде
бесцветных колоний, так как не способны утилизировать входящую в состав сред
лактозу, а бактерии группы кишечной палочки (БГКП) формируют окрашенные коло-
нии. Можно применять среду Олькеницкого (железо-глюкозо-лактозный агар с мо-
чевиной) , позволяющую дифференцировать различных представителей группы энте-
робактерий, включая патогенные (Yersinia pestis, Shigella sonnei, Escherichia
coli, Citrobacter freundii, Proteus vulgaris).
При получении накопительных культур молочнокислых бактерий, изолированных
из различных источников, производят высевы смешанных популяций на среды, со-
держащие стерильное обезжиренное молоко и 5 % этилового спирта для угнетения
развития гнилостных бактерий.
Для получения культур лактобацилл проводят инкубирование микробиоты в ки-
слой среде. Для выделения бактерий из образцов высев производится на среду,
которая имеет рН 5,3. В этом случае Lactobacillus casei, Lactobacillus
piantarum способны образовывать колонии, а другие молочнокислые бактерии -
нет.
Культуры холерного вибриона (Vibrio cholerae), который является алкалофи-
лом, создают среды, содержащие щелочь (1%-ная щелочная пептонная вода или ще-
лочной агар). Уже через 4-6 суток появляются: на поверхности жидкой среды ха-
рактерная нежно-голубоватая пленка, а на агаре - круглые, прозрачные, голубо-
ватые, слабо опалесцирующие колонии.
Для получения культур микоплазм применяют высокие концентрации пенициллина,
подавляющие рост бактерий, имеющих клеточные стенки. Микоплазмы, лишенные
клеточных стенок, устойчивы к концентрации пенициллина 100-200 Е/мл, позво-
ляющей избавиться от посторонней чувствительной к нему микробиоты.
Культуру возбудителей туберкулеза выделяют, используя кратковременное воз-
действие на смешанную микробиоту 15%-ного раствора серной кислоты, после чего
клетки высевают на агаризованные питательные среды. При таком приеме выживают
только кислотоустойчивые микобактерии, содержащие в клеточной стенке миколо-
вые кислоты. Все некислотоустойчивые микроорганизмы погибают.
Для выделения патогенных стафилококков применяют среды с высоким содержани-
ем солей, непригодные для выращивания других микроорганизмов. Например, жел-
точно-солевой и молочно-солевой агары или питательный солевой агар, содержа-
щие 10 % хлорида натрия, либо мясо-пептонный бульон с 10-15%-ным содержанием
хлорида натрия.
Для получения накопительных культур можно использовать также условия откры-
тых хемостатных систем, которые позволяют контролировать концентрацию пита-
тельных веществ, лимитирующих рост клеток. Этот подход обусловливает избира-
тельное влияние субстрата на скорость роста различных микроорганизмов в сме-
шанной популяции, приводя к количественному преобладанию искомого вида.
Биологические способы накопления предполагают использование специфических
хозяев для выделяемых патогенных микроорганизмов, а также преимуществ некото-
рых их свойств (например, инвазивность), которыми не обладают другие предста-
вители популяции, хотя для получения накопительных культур можно еще учиты-
вать такие собственные признаки изолируемого микроорганизма, как его размеры,
подвижность и др.
Биологические методы могут быть основаны на заражении чувствительных экспе-
риментальных животных смешанным микробиологическим материалом. Через несколь-
ко часов инкубирования из крови и тканей пораженных животных выделяется прак-
тически чистая культура патогена, сформировавшаяся в результате действия за-
щитных механизмов животного и развития в его организме патологического про-
цесса, приведших к ингибированию или опережению развития сопутствующих микро-
организмов. Так, чистую культуру пневмококков можно получить уже через 4-6
часов после внутрибрюшинного введения мышам смеси эмульгированной мокроты,
содержащей Streptococcus pneumoniae и другие бактерии.
Для ряда патогенных бактерий (например, возбудителя чумы Yersinia pestis)
характерна способность активно проникать в организм животного через неповреж-
денные кожные покровы, обусловленная продукцией значительного количества гид-
ролитических ферментов («ферменты агрессии»). При экспериментальном заражении
животного в лишенные шерсти участки тела (чаще живот) втирают бактериальную
эмульсию, содержащую клетки возбудителя и сопутствующую микробиоту. Через 5-7
суток из крови или паренхиматозных органов пораженного животного выделяют
чистую культуру Yersinia pestis.
Получение культуры бделловибрионов характеризуется бактериальным паразитиз-
мом, обусловленным их способностью прикрепляться к грамотрицательным бактери-
ям, проникать через клеточную стенку и размножаться в периплазматическом про-
странстве с последующим лизисом бактериальных клеток. Почвенный фильтрат сме-
шивают с суспензией грамотрицательных бактерий (представители семейств
Pseudomonadaceae, Enterobacteriaceae), вносят в полужидкую питательную среду
и наслаивают на поверхность твердой среды в чашках Петри. Через 2-3 суток ин-
кубирования на газоне чувствительной бактериальной культуры появляются зоны
лизиса, образованные бделловибрионами. Эти зоны стерильно вырезают из агаро-
вых пластинок и повторно наслаивают на газон чувствительной культуры.
Создание культур симбиотических азотфиксирующих бактерий рода Rhizobium ос-
новано на том, что образуемые ими на корнях бобовых растений клубеньки служат
естественными накопительными культурами. Часть корня с клубеньками стерильно
удаляют, помещают в стерильную воду в чашке Петри и раздавливают стерильным
пинцетом. Часть образующейся суспензии переносят в следующую чашку и т. д. К
каждому разведению добавляют расплавленную и охлажденную агаризованную среду
с маннитом и инкубируют при оптимальной температуре.
Для получения накопительных культур подвижных бактерий (представители рода
Proteus) можно использовать метод Шукевича, при котором смешанную культуру
помещают в конденсационную воду на дне пробирки со скошенным полноценным ага-
ром. Бактерии, обладающие подвижностью, распространяются по всей агаризован-
ной поверхности, продвигаясь снизу вверх, а неподвижные остаются в капле воды
в нижней части пробирки.
В настоящее время известно много способов, направленных на получение чистых
культур микроорганизмов, однако в ряде случаев для достижения максимального
эффекта накопления приходится сочетать действие различных факторов (физиче-
ские, химические и биологические методы).
Как правило, накопительные культуры получают в закрытых системах, т. е.
микроорганизмы выращивают в обычных периодических (стационарных) условиях на
чашках Петри, в колбах или пробирках.
Способы получения чистых
культур аэробных и
факультативно анаэробных
микроорганизмов
На следующем этапе процесса получения чистых культур микроорганизмов прово-
дят изолирование клеток искомого вида из накопительной культуры. Обычно это
осуществляют путем пространственного разобщения микробных клеток на твердой
среде, на которой они формируют изолированные колонии (рис. 1). Причем в наи-
лучшем варианте изолированная колония является результатом множественных по-
следовательных делений одной клетки (потомство) или собственно чистой культу-
рой.
Рис. 1. Изолированные колонии бактерий.
Для микроорганизмов, не способных расти на твердых средах, можно ис-
пользовать метод предельных разведений, предложенный Л. Пастером. Суть метода
заключается в последовательных разведениях накопительной микробной культуры в
жидкой питательной среде, сопровождающихся переносом клеток из пробирки в
пробирку. При каждом новом разведении исходное количество клеток будет сни-
жаться. В зависимости от начального титра (количество клеток в 1 мл клеточной
суспензии) первичной микробной популяции выбирают кратность разведений
(2,5,10) и количество пробирок в ряду (5-15). При правильно подобранных усло-
виях в последнем разведении может оказаться только одна микробная клетка,
дающая начало чистой культуре данного микроорганизма. Предельные разведения
осуществляются при обязательном микроскопическом контроле.
В целях изоляции одной клетки также можно использовать микроманипулятор,
цитофлуориметр и другие приборы.
Для микроорганизмов, способных формировать колонии на твердой питательной
среде, при получении чистых культур метод предельных разведений Пастера прак-
тически не используется, так как является малоэффективным, длительным, кро-
потливым и трудоемким. Однако последовательные разведения успешно применяются
в качестве приема, позволяющего обеспечить предварительное снижение количест-
ва клеток в суспензии перед ее высевом на питательную среду.
Чтобы выделить микроорганизмы в виде чистых культур на агаризованных сре-
дах, существует сравнительно немного методов, в основе каждого из которых -
физическое разделение клеток на твердом субстрате. Чаще применяют следующие
способы изолирования отдельных клеток: метод истощающего штриха, метод Р. Ко-
ха и метод К.В. Дригальского.
Метод истощающего штриха позволяет получить изолированные колонии микроор-
ганизмов, используя только одну чашку Петри. В этом случае жидкую накопитель-
ную культуру отбирают бактериологической петлей (рис. 2) и переносят на по-
верхность агаризованной среды на чашках Петри.
Рис. 2. Бактериологическая петля.
Существует несколько вариантов техники истощающего штриха; на рис. 3 пред-
ставлен наиболее часто встречающийся.
На первом этапе петлей с культурой наносят ряд параллельных штрихов на ага-
ризованную среду (см. рис. 3, а). Петлю стерилизуют, остужают о незасеянную
часть агаризованной среды и проводят серию штрихов в направлении, перпендику-
лярном первым штрихам (см. рис. 3, б). Далее петлю вновь стерилизуют, остужа-
ют и штрихи наносят в направлении в (см. рис. 3, в), а затем - в направлении
г (см. рис. 3, г). Чашки помещают в термостат при оптимальной для исследуемых
микроорганизмов температуре и через определенное время учитывают результаты.
Обычно на штрихах а и б вырастает большое число колоний (иногда сплошной
рост) , тогда как на штрихах виг формируются изолированные колонии, которые
представлены на рис. 4.
Рис. 3. Схема рассева бактерий штрихами для получения изолиро-
ванных колоний.
Рис. 4. Культура бактерий Haemophilus influenzae и
культура дрожжевого гриба Candida albicans, рассеян-
ные методом истощающего штриха.
Метод Коха (метод глубинного посева, метод пластинчатых разведений, или
пластинчатых «разводок») основан на использовании плотных питательных сред на
основе желатина или агара. Накопительная культура вносится в пробирку с рас-
плавленной и охлажденной до 50 С твердой средой и тщательно перемешивается
для равномерного распределения клеток по всему объему среды. После этого
часть питательной среды с клетками переносится в следующую пробирку со сре-
дой , из нее в следующую и т. д. Количество разведений определяется титром
клеток в исходном материале. Содержимое каждой пробирки перемешивается и вы-
ливается в стерильные чашки Петри (или на стерильные стеклянные пластины по
Коху). Чашки с засеянной средой инкубируются в термостате при оптимальных ус-
ловиях в течение 24-72 ч. Наибольший интерес представляют чашки Петри, на ко-
торых сформировались изолированные колонии. Эти колонии стерильно и аккуратно
извлекаются из желатиновой (агаровой) пластинки и переносятся на свежую пита-
тельную среду.
Использование данного метода целесообразно для изолирования аэробных, мик-
роазрофильных или факультативно анаэробных видов.
Метод Дригальского основан на механическом разобщении микробных клеток на
поверхности твердой питательной среды на чашках Петри. При этом предполагает-
ся, что каждая микробная клетка, располагаясь обособленно от других клеток в
строго определенном месте, будет активно размножаться, формируя колонию. В
методе Дригальского используется несколько чашек Петри с агаризованной пита-
тельной средой, причем количество чашек определяется числом клеток в жидкой
накопительной культуре. На поверхность среды в первой чашке стерильной пипет-
кой наносят небольшой объем (0,1 мл) накопительной культуры. Затем с помощью
стерильного шпателя Дригальского (рис. 5) клеточную суспензию распределяют по
всей ростовой поверхности (посев газоном).
Рис. 5. Шпатель Дригальского
Чашку быстро закрывают, а шпатель, не стерилизуя, переносят в следующую
чашку (№ 2). Имитируют распределение культуры по всей поверхности среды, при-
касаясь к ее поверхности той стороной шпателя, которой ранее распределяли
пробу. Те же действия повторяют и в чашках № 3,4,5,6. После этого шпатель
стерилизуют, а засеянные чашки помещают в термостат и инкубируют при опти-
мальной температуре.
Через определенное время (в зависимости от скорости роста микроорганизмов)
изучают характер роста микроорганизмов. Обычно в чашках № 1 и 2 наблюдается
сплошной рост, а в последующих чашках формируются изолированные колонии (рис.
6) . Такие изолированные колонии отсевают петлей на поверхность скошенного
агара (техника посева - штрих-змейка, рис. 7) или в жидкую среду для после-
дующего анализа.
Рис. 6. Формирование изолированных колоний бактерий
методом Дригальскоро.
Рис. 7. Техника посева - штрих-змейка.
Для выделения чистой культуры в виде изолированных колоний предпочтительнее
использовать неселективную среду, так как на ней лучше растут контаминирующие
микроорганизмы и их проще обнаружить. Не следует очень быстро отбирать коло-
нии, поскольку за короткий промежуток времени медленно растущие сопутствующие
микроорганизмы не успевают развиться.
Получение изолированной колонии не всегда гарантирует чистоту культуры, по-
тому что колонии могут вырастать не только из отдельной клетки, но и из кле-
точных агрегатов. Если микроорганизмы образуют слизь, то к ней часто прикреп-
ляются посторонние формы. В гифах мицелия или цепочках клеток также могут на-
ходиться контаминирующие организмы. Следовательно, на последнем этапе работы
необходимо убедиться в чистоте полученного изолята.
Определение чистоты
выделенной культуры
Проверить чистоту выделенных культур микроорганизмов можно несколькими спо-
собами: визуальным, высевом на соответствующие питательные среды, микроскопи-
ческим исследованием.
Первым осуществляется визуальный контроль, заключающийся в оценке характера
роста отобранного изолята на поверхности скошенного агара. При этом изучают
однородность роста культуры по штриху. Если рост однороден на всем протяжении
штриха-змейки, то велика вероятность получения чистой культуры. Если рост не-
однороден, полагают, что культура контаминирована и ее необходимо дополни-
тельно расчищать.
При проверке чистоты полученной микробной культуры необходимо осуществить
ее повторный высев на агаризованную питательную среду, предварительно проведя
через стадию жидкой клеточной суспензии. Степень разведения данной суспензии
подбирается таким образом, чтобы на поверхности агара вырастали изолированные
колонии. После окончательного формирования колоний производят оценку их мор-
фологии .
При определении чистоты культуры учитываются следующие морфологические при-
знаки колоний:
■ Размер (диаметр), который приводится в миллиметрах. Колонии, диаметр кото-
рых не превышает 1 мм, называют точечными. Однако необходимо учитывать,
что размеры колоний (равно как и некоторые другие характеристики, например
цвет, консистенция, поверхность и др.) могут зависеть от их количества на
чашке Петри (чем меньше колонии, тем они крупнее), состава питательной
среды и возраста. Поэтому при описании колоний обязательно указывают воз-
раст культуры и условия ее выращивания;
■ Цвет или пигментация: колонии многих микроорганизмов бесцветны (грязно-
белые колонии также относят к бесцветным), но могут быть и окрашенными (в
этом случае указывают, выделяется пигмент в субстрат или накапливается
внутриклеточно);
V*"r *'
•V-
10
12
Рис. 8. Форма бактериальных колоний: 1 - круглая; 2 - круглая с фестон-
чатым краем; 3 - круглая с валиком по краю; 4,5 - ризоидная; 6 - с ризо-
идным краем; 7 - амебовидная; 8 - нитевидная; 9 - складчатая; 10 - не-
правильная; 11 - концентрическая; 12 - сложная.
форма - круглая, неправильная, ризоидная и т. д. (рис. 8, 9). Признак от-
носительно постоянный и отражает особенности деления клеток и их поведения
после деления. Однако иногда при рассеве чистой культуры развиваются фено-
типически разные колонии. Такое явление известно как диссоциация (П. де
Крюи, 1921; Дж. Аркрайт, 1921). Типичный пример диссоциации у микроорга-
низмов - формирование трех основных типов колоний: R (англ. Rough - шеро-
ховатый) - плоские колонии, часто неправильной формы с бахромчато-зубчатым
краем и складчатой «гирозной» поверхностью; S (ант. Smooth - гладкий)
круглые, прозрачные, гомогенные, с блестящей поверхностью и ровными края-
ми; М (англ. Mucoid - слизистый) - влажные, вязкой консистенции, часто ок-
руженные слизистым валиком. Также можно выделить D (англ. Dwarf - карлико-
вый) и G (англ. Gonidial - дочерний) типы колоний - внешне идентичные,
очень мелкие, карликовые, часто формирующиеся в виде дочерних образований
по краю нормально развитых колоний;
Рис. 9. Форма колоний дрожжей разных видов,
Вид края - гладкий, волнистый, лопастной, зубчатый, бахромчатый и т. д.
(рис. 10);
^т^ ^
1 2
6
-tv. УШШ% уМ
5
7 5
v#$t
4
<k ь^Шк
5
9
Рис. 10. Вид края колоний: 1 - гладкий; 2 - волнистый; 3 - зубчатый;
4 - лопастной; 5 - неправильный; 6 - реснитчатый; 7 - нитчатый; 8 -
ворсинчатый; 9 - ветвистый.
Профиль - плоский, выпуклый, кратерообразный и т. д. (рис. 11);
Рис. 11. Профиль бактериальных колоний: 1 - изогнутый; 2 - кратеро-
образный; 3 - бугристый; 4 - врастающий в субстрат; 5 - плоский; 6 -
выпуклый; 7 - каплевидный; 8 - конусовидный.
Поверхность - гладкая, шероховатая, неровная, гранулированная, исчерчен-
ная, бороздчатая, складчатая, морщинистая, с концентрическими кругами, ра-
диально исчерченная и т. д.;
Блеск и прозрачность - прозрачная, блестящая, полупрозрачная, матовая,
тусклая, непрозрачная, мучнистая и т. д.;
Консистенция (определяют при прикосновении петлей) - мукоидная или слизи-
стая (прилипает к петле), маслянистая, вязкая, тянущаяся, сухая или плен-
чатая (снимается целиком) и т. д. Колония может легко сниматься с агара,
быть плотной, мягкой или врастающей в агар, может быть хрупкой и легко ло-
маться при прикосновении петлей;
Структура - однородная, мелко- или крупнозернистая, струйчатая, волокни-
стая и т. д. (рис. 12).
Рис. 12. Структура колоний: 1 - однородная; 2 - мелкозернистая;
3 - крупнозернистая; 4 - струйчатая; 5 - волокнистая.
Можно также выделять глубинные колонии, формирующиеся в толще агаризованной
среды, и донные, которые образуются на дне культивационной посуды под слоем
твердой среды в виде тонких стелющихся пленок.
Для выявления морфологических признаков колоний обычно используют стерео-
скопический микроскоп с малым увеличением.
Из чистой культуры при повторном высеве на агаризованные питательные среды
обычно вырастают колонии, характеризующиеся сходной морфологией. Однако ино-
гда клетки чистой культуры могут формировать колонии, различающиеся фенотипи-
чески (например, гладкие (S) , шероховатые (R) , слизистые (М) ) . Такое явление
служит типичным примером диссоциации у микроорганизмов.
Еще один способ подтверждения чистоты изолированной культуры микробных кле-
ток - их микроскопическое исследование. Для этих целей используют окрашенные
фиксированные препараты, микроскопируемые с иммерсионной системой. Наиболее
часто для микроскопических исследований готовят препараты, окрашенные по ме-
тоду Грама. При микроскопическом контроле чистых культур обычно обнаружи-
ваются морфологически однотипные клетки. Однако для некоторых видов бактерий
характерен полиморфизм, при котором в популяции клеток чистой культуры при-
сутствуют формы различной морфологии. Кроме того, в чистых культурах многих
микроорганизмов (грибы, грибоподобные организмы, микроскопические водоросли,
протесты) возникают различные формы, обусловливающие нормальное протекание их
жизненных циклов - структуры полового и бесполого размножения. Наконец, неко-
торые бактерии проявляют грамвариабельность, на разных этапах своего развития
окрашиваясь по методу Грама по-разному или вообще не давая четких результатов
окраски.
Тем не менее, указанные критерии широко используются при определении чисто-
ты выделенных из естественных источников культур микроорганизмов.
ГЛАВА 2. СПОСОБЫ
КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ
Культивирование микроорганизмов представляет собой процесс увеличения кон-
центрации некоторых или всех компонентов популяции. Обычно характеристики
этого процесса устанавливаются путем измерений тех или иных его показателей.
В настоящее время существует большое количество способов культивирования
клеток микроорганизмов, выбор которых зависит не только от потребностей само-
го микроорганизма, но и от того, для чего он будет использован, то есть от
конечной цели работы (научного исследования или индустриального производст-
ва) .
Все известные способы культивирования микроорганизмов можно классифициро-
вать :
■ по состоянию питательной среды или по основной фазе культивирования (по-
верхностные и глубинные или твердофазные и жидкофазные);
■ наличию или отсутствию перемешивания (динамические и статические);
■ содержанию кислорода (аэробные и анаэробные);
■ способу действия (закрытые, чаще периодические, и открытые, чаще непрерыв-
ные) ;
■ количеству ферментеров (одно-, дву- и многостадийные);
■ способу управления (хемостатные, турбидостатные, оксистатные, рН-статные и
др.) ;
■ степени защищенности от посторонней микробиоты (асептические, условно
асептические и несептические);
■ числу видов микроорганизмов (моно- и мультикультуры) и т. п.
Наиболее часто используемые процессы культивирования микроорганизмов пред-
ставлены на рис. 13.
Культуры микроорганизмов подразделяют на открытые и закрытые системы. От-
крытая система - та, в которой все компоненты могут свободно поступать в сис-
тему или покидать ее. Закрытая система - это когда хотя бы один из существую-
щих компонентов не может ни поступить в систему, ни покинуть ее. Следователь-
но, все непрерывные культуры, в которых происходит, с одной стороны, приток
питательной среды, с другой - отток биомассы и других продуктов, являются от-
крытыми системами. А практически все системы периодического культивирования
бывают закрытыми, поскольку микроорганизмы в них размножаются и проходят все
фазы развития без притока питательной среды и оттока культуральной жидкости.
Такие системы находятся в неустойчивом состоянии, в то время как открытые
системы характеризуются постоянством.
Процессы культивирования микроорганизмов
Стати-
ческие
ту
§
v
i
Периодические
z
Непрерывно-проточные
Динамические
с перемеши-
ванием
при помощи
Продлен-]
ные
жт^к
Полного
смешения
(хемостаты)
Полного
вытеснения!
Насадочные
с иммобили-
зованными
клетками
щ
§
> g
о 3
Е S
= 1
Si
а
В
Е
II
g
Рис. 13. Основные процессы культивирования микроорганизмов.
В лабораторных и промышленных условиях используют два основных типа культи-
вирования микроорганизмов: периодическое и непрерывно-проточное.
Периодическое
культивирование
микроорганизмов
В историческом отношении периодическое культивирование было первым типом
способов выращивания микробных клеток. Причем изначально использовались толь-
ко статические методы, которые, однако, и в настоящее время не утратили акту-
альности .
В зависимости от состояния питательной среды (или основной фазы) процессы
статического периодического культивирования подразделяют на твердофазные и
жидкофазные.
Твердофазное статическое периодическое культивирование
Твердофазное статическое периодическое культивирование можно проводить в
лабораторных условиях, выращивая культуры микроорганизмов на поверхности
твердых (чаще агаризованных) питательных сред, или в промышленных условиях,
используя в качестве питательных субстратов твердые измельченные отходы раз-
личных производств, преимущественно растительного происхождения.
Выращиванием культур на твердой поверхности получают максимальную плотность
клеток, поскольку в данном случае жидкость находится только в промежуточном
(межклеточном) пространстве.
Культивирование микроорганизмов на поверхности твердых (агаризованных) пи-
тательных сред наиболее часто используется в лабораторной практике. Твердая
поверхность в этом случае обычно образуется после добавления в среду агара
или другого отвердителя (желатин, силикагель и т. п.)- Известны также методы,
предполагающие выращивание микроорганизмов на полупроницаемых мембранах, по-
мещенных на поверхности жидкой питательной среды.
Если исходный посевной материал (инокулят) сильно разбавлен, то каждая
клетка дает начало отдельной, изолированной колонии. Это может оказаться по-
лезным в случае проведения селекции микроорганизмов по какому-то конкретному
признаку (например, отбор вариантов, образующих только «гладкие» колонии).
Если же инокулят не разбавлен, то его равномерное распределение шпателем по
всей ростовой поверхности приводит к формированию «сплошного газона».
Культивирование микроорганизмов поверхностным способом на твердых средах
имеет ряд существенных преимуществ:
1. Отсутствие необходимости использования специального оборудования (напри-
мер, центрифуги) для концентрирования клеток, поскольку в этих условиях
клетки уже находятся в максимально сгущенном состоянии. Это особенно важ-
но при работе с культурами условно-патогенных и патогенных микроорганиз-
мов, так как в процессе сгущения клеток центрифугированием образуются и
выносятся в окружающую среду клеточные аэрозоли. Для сбора биомассы мик-
роорганизмов на поверхность агаризованной среды наносят небольшое количе-
ство стерильного физиологического раствора и суспендируют в нем выросшие
колонии с помощью стерильного шпателя. Таким способом можно получить био-
массу клеток с поверхности твердых питательных сред в чашках Петри раз-
личного достоинства, больших плоских культуральных матрасах и другой ла-
бораторной посуде.
2. Твердые культуры относительно свободны от макромолекулярных компонентов и
полностью свободны от частиц питательной среды, так как последние обычно
находятся внутри агарового геля. Более того, твердые культуры относитель-
но свободны от низкомолекулярных питательных веществ и продуктов метабо-
лизма микроорганизмов. Следовательно, такие культуры особенно полезны в
экспериментах, когда важна химическая чистота клеточной суспензии (напри-
мер , приготовление антигенов и т. п.).
г
1 .
V.
'•V
J
Рис. 14. Особенности роста Proteus vulgaris на твер-
дых питательных средах.
3. На твердых средах можно получать результаты, которые невозможно достичь
другим путем, например, плодовые тела миксобактерий и эндоспоры некоторых
видов Bacillus образуются только при росте культур на твердой поверхно-
сти. Более эффективное развитие грибного мицелия тоже достигается таким
способом. Возможно, это объясняется сохранением в данных условиях физиче-
ских связей между клетками, а возможно - максимальным снабжением клеток
кислородом воздуха, с которым они непосредственно контактируют, или дру-
гими причинами. На твердых средах также можно изучать процессы и явления,
не регистрируемые в клеточной суспензии, например характер роста (роение)
бактерий Proteus vulgaris, связанный с особенностями деления клеток, на-
коплением биомассы и подвижностью (рис. 14).
Вместе с тем у выращивания микроорганизмов на твердых средах есть опреде-
ленные недостатки:
1. Твердая культура имеет ограничения при масштабировании биомассы, посколь-
ку предполагается использование значительного пространства ростовых по-
верхностей (такой культуральной посуды нет в ассортименте) и большого ко-
личества дорогостоящих отвердителей. На твердых питательных средах легко
получать граммы клеток; десятки граммов - уже затруднительно, а сотни
граммов или килограммы биомассы в лаборатории вырастить невозможно.
2. Твердые культуры гетерогенны в физиологическом отношении, т. е. не спо-
собны обеспечивать однородность популяции. В пределах колонии, выращенной
поверхностным способом, все клетки находятся в разных условиях и, как
следствие этого, в разном физиологическом состоянии. Например, клетки в
верхней части колонии (слой глубиной до 1000 клеток) расположены в усло-
виях низкого содержания питательных веществ, но хорошего снабжения кисло-
родом, в то время как в нижних слоях колонии условия противоположны. Бо-
лее того, твердые культуры гетерогенны и в техническом смысле, так как
клетки и питательная среда распределены неравномерно.
3. Твердые культуры характеризуются небольшим числом клеток в пересчете на
данное количество среды, что свидетельствует об их не высокой рентабель-
ности .
Твердофазное культивирование микроорганизмов в промышленных условиях обычно
используется в производственных технологиях с грибами (мицелиальными и дрож-
жевыми) в качестве продуцентов. Иногда продуценты применяются в комбинациях
как при смешанном, так и при последовательном культивировании. В таких про-
цессах в роли твердой фазы могут выступать различные виды растительного сырья
- твердой, сыпучей или пастообразной консистенции (измельченные и соответст-
вующим образом обработанные свекловичный жом, кукурузные кочерыжки, древесные
опилки, лузга подсолнечника, некондиционный картофель, солома, отруби риса
или пшеницы, зерно и т. п.).
Различают несколько основных вариантов твердофазных процессов:
■ культивирование в «тонком слое», когда слой субстрата не превышает 3-7 см.
Процесс ведется в камере с оптимальной температурой и влажностью;
■ глубинное культивирование в неперемешиваемом слое субстрата («высокий
слой»). Культура растет во всей массе субстрата при соответствующей венти-
ляции ;
■ культивирование в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата (гомогенной
или гетерогенной). Процесс ведется во вращающихся барабанах и др.
Преимущества твердофазных промышленных процессов:
■ низкая стоимость производства;
■ простота конструкций биореакторов (растильных, или бродильных, камер) и
систем подачи воздуха и регулирования температурно-влажностного режима;
■ возможность использования субстратов, непригодных для других целей;
■ относительная легкость получения целевого продукта;
■ низкое содержание воды, препятствующее проникновению контаминирующей мик-
робиоты;
■ отсутствие сточных вод, сброс которых может загрязнять окружающую среду;
■ увеличение интенсивности протекания некоторых биосинтетических процессов
(например, продукция микотоксинов).
К недостаткам твердофазных промышленных процессов относят:
■ низкую эффективность использования субстрата и низкую продуктивность;
■ сложность механизации и автоматизации процесса культивирования, сложность
стерилизации, загрузки-разгрузки лотков и кювет.
По-видимому, исторически первым твердофазным биореактором, предназначенным
для получения уксуса, является стружечный аппарат Шуценбаха, описанный еще в
1732 г. немецким исследователем Г. Бургавом (рис. 15). Этот аппарат также
служит первым примером иммобилизации микробных клеток на твердом носителе.
Рис. 15. Аппарат Шуценбаха: 1 - деревянная коническая
емкость; 2 - слой буковых стружек.
Рис. 16. Твердофазный биореактор.
В классических поверхностных твердофазных процессах, предложенных И. Така-
мине в 1894 г., роль биореакторов выполняют культивационные сосуды или боль-
шие, площадью до нескольких квадратных метров, лотки, или подносы, из алюми-
ния. Твердофазное выращивание ведется в вентилируемых бродильных (растильных)
камерах (биореакторах), на стеллажах которых размещают лотки с твердой средой
(рис. 16). Оптимизация условий культивирования достигается подачей в камеры
стерильного воздуха заданной температуры и влажности. Для лучшей аэрации сре-
ды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.
В большинстве твердофазных процессов отсутствует перемешивание, а развитие
микроорганизмов происходит по принципу колонизации: по мере размножения они
распространяются из точек внесения по всему объему субстрата. При этом от-
дельные зоны субстрата избыточно перенаселяются, вследствие чего возникает
локальное голодание клеток, в то время как значительная часть питательных ве-
ществ остается невостребованной. Для борьбы с этим существенным недостатком
инокуляцию проводят, равномерно обдувая питательную среду воздухом, содержа-
щим большое количество посевного материала (споры гриба).
К окончанию технологического процесса мицелий гриба может полностью зарас-
тать и обволакивать питательный субстрат, создавая с ним единый монолит. В
этом случае целевым продуктом становится биомасса гриба с остаточным субстра-
том. Таким образом получают неочищенные ферментные препараты, применяемые в
сельском хозяйстве, кожевенной промышленности и др.
В настоящее время используют и более современные конструкции твердофазных
биореакторов объемом от 500 до 1000 л в виде емкости с крышкой и днищем, в
которой друг1 над другом устанавливаются модульные основания (полки) с распо-
ложенным на них твердым субстратом для культивирования микроорганизмов. Через
перфорированные модульные основания пропускают стерильный увлажненный воздух,
обеспечивающий равномерное аэрирование субстрата. Оптимальный температурный
режим регулируют при помощи узлов охлаждения, расположенных под модульными
основаниями. Такие биореакторы позволяют проводить весь технологический про-
цесс выращивания микроорганизмов в контролируемых строго стерильных условиях.
Жидкофазное (суспензионное) периодическое культивирование
Применение жидких питательных сред позволило избежать ряда недостатков
культивирования микроорганизмов поверхностным способом и обеспечило значи-
тельный выход микробной биомассы и целевых метаболитов за счет использования
больших емкостей для их получения (бутыли, ферментеры). Различают жидкофазное
статическое и жидкофазное динамическое глубинное культивирование.
Жидкофазное статическое культивирование может быть глубинным и поверхност-
ным.
Глубинное культивирование чаще применяют в лабораторной практике (например,
получение «ночных» культур микроорганизмов) или для изучения характера роста
микробных клеток в жидкой среде, который является очень важным видоспецифиче-
ским параметром, отражающим особенности деления и поведения клеток после де-
ления, их отношение к кислороду, способность к движению и др.
Оценка роста культуры в жидкой среде ведется по ряду культуральных призна-
ков : помутнение среды, образование пузырьков газа, пигментация среды, форми-
рование на поверхности среды пленки, а на дне пробирки - осадка и т. п. Одна-
ко наиболее типичным признаком служит развитие мутности, которая в бактери-
альной суспензии становится хорошо заметной при титре клеток более 10б в 1
мл, а в дрожжевой суспензии - более 105 в 1 мл. Характеризуя рост микроорга-
низмов в жидкой среде, отмечают степень помутнения - слабая, умеренная или
сильная, особенности формирования пленки - тонкая, плотная или рыхлая, глад-
кая или складчатая, а при образовании осадка указывают - скудный или обиль-
ный, плотный, рыхлый, слизистый или хлопьевидный.
В жидких культурах микроскопических водорослей и гетеротрофных протистов,
имеющих более крупные клетки, титр обычно не превышает 103 в 1 мл оптически
прозрачных суспензий. При этом рост бесцветных клеток протистов определяется
по неоднородности суспензии, напоминающей битое стекло, а рост водорослей -
по позеленению среды, обусловленному образованием хлорофилла.
При стационарном выращивании неподвижных культур мицелиальных грибов в жид-
ких средах обычно наблюдается характерный для аэробов рост в виде пленки на
поверхности (рис. 17).
Рис. 17. Рост мицелиальных грибов на поверхности жидкой среды.
Бактерии в зависимости от индивидуальных свойств в жидких средах ведут себя
по-разному. Многие виды, благодаря равномерному делению и последующему расхо-
ждению клеток, образуют диффузную муть во всем объеме среды (рис. 18).
Рис. 18. Равномерное диффузное помутнение культуральной жидкости.
Для неподвижных стрептококков характерен так называемый придонный или при-
стеночный рост (осадок или мелкие хлопья, агрегирующиеся на поверхности или у
стенки пробирки) при остальном прозрачном объеме среды (рис. 19).
Рис. 19. Рост стрептококков в жидких средах.
Возбудитель чумы - бактерия Yersinia pestis - растет на поверхности бульона
в виде пленки, от которой спускаются похожие на сталактиты тяжи, однако оса-
док тоже может формироваться (рис. 20).
Некоторые аэробные бактерии (например, Bacillus subtilis) тяготеют к росту
в виде пленок биомассы на поверхности питательного бульона и к образованию
флоккул по всему его объему (рис. 21).
Рис. 20. Рост бактерий Рис. 21. Рост бактерий Bacillus
Yersinia pestis в жидкой subtilis в жидкой среде,
среде
По характеру роста микробных клеток в суспензии можно судить об их отноше-
нии к кислороду воздуха. Аэробные и анаэробные микроорганизмы визуально диф-
ференцируются в жидкой питательной среде, распределяясь в соответствии с гра-
диентом концентрации 02 (рис. 22):
1. облигатные аэробы чаще всего концентрируются в верхнем слое среды, где
снабжение кислородом максимально;
2. облигатные анаэробы, способные выжить в подобных условиях, собираются ис-
ключительно на дне пробирки под слоем среды, затрудняющим диффузию кисло-
рода ;
3. факультативные анаэробы, чтобы снизить давление конкуренции за субстрат,
могут распространяться по всему объему питательной среды, но предпочтение
отдают все же ее верхней части, где кислород доступнее;
4. микроаэрофилы концентрируются в верхней части среды, но на некотором уда-
лении от ее поверхности, где концентрация кислорода ниже;
5. аэротолерантные микроорганизмы равномерно распределяются по всему объему
среды, не реагируя на присутствие кислорода.
Рис. 22. Распределение микробных клеток в жидкой среде в зависи-
мости от отношения к молекулярному кислороду.
Поверхностное культивирование обычно используют в технологических производ-
ствах для культивирования мицелиальных грибов при получении органических ки-
слот, ферментных препаратов, кормовой биомассы. Техника такого культивирова-
ния (кюветный способ) напоминает поверхностные твердофазные процессы. Только
здесь используют алюминиевые кюветы с более высокими, чем у лотков, бортами и
без отверстий в днище. Кюветы снабжены сливными штуцерами, позволяющими осу-
ществлять замену питательной среды и при необходимости промывать пленку био-
массы. Жидкую среду (например, мелассу) загружают в стерильные кюветы, разме-
щаемые на открытых стеллажах в растильных камерах с регулируемым температур-
но-влажностным режимом. Камеру вентилируют очищенным стерильным воздухом оп-
тимальной температуры.
Микроорганизмы растут в виде пленки или твердого слоя биомассы на поверхно-
сти жидкой питательной среды. В процессах аэробного роста лимитирующими фак-
торами служат кислород и субстрат. Культура потребляет кислород непосредст-
венно из газовой фазы (воздуха). Массообмен в таких условиях неинтенсивный.
В тонких пленках биомассы каждая микробная клетка полностью обеспечена пи-
тательной средой и способна расти и размножаться с максимально возможной ско-
ростью. По мере того как толщина пленки увеличивается, развитие клеток начи-
нает лимитироваться диффузией субстрата и кислорода внутрь этой пленки.
После завершения процесса культуральная жидкость, содержащая целевой про-
дукт, сливается из кювет через вмонтированные в днища штуцеры и поступает на
переработку.
Типичный пример жидкофазного статического культивирования - промышленное
производство лимонной кислоты. Процесс ведется без соблюдения строгой сте-
рильности в бродильных камерах. При этом алюминиевые кюветы (размером
2x2,5x0,15 м) заполняются раствором мелассы на высоту 8 см, и после инокуля-
ции спорами гриба Aspergillus brasiliensis (ранее Aspergillus niger) инкуби-
руются в течение 9-11 суток при 30 С. Необходимо отметить, что у данной тех-
нологии существует и проточный вариант.
Таким образом, применение жидких питательных сред даже в статических усло-
виях позволило существенно повысить эффективность ведения процесса культиви-
рования микроорганизмов.
Для более значительного увеличения количества микробной биомассы и клеточ-
ных метаболитов используют жидкофазное динамическое глубинное культивирова-
ние, при котором происходит выравнивание условий роста микроорганизмов во
всех частях рабочего объема культивационного сосуда. За счет интенсивного пе-
ремешивания удается устранять так называемые голодные зоны вокруг микробных
клеток и получать гомогенную культуру. Клетки в такой культуре вследствие
равномерного распределения в каждый момент времени находятся в одинаковых ус-
ловиях , т. е. питательные субстраты и продукты метаболизма распределены так
же равномерно. Такие системы особенно важны для изучения процессов роста и
развития микробной популяции в целом.
Жидкофазное динамическое глубинное культивирование может проходить в усло-
виях как периодического, так и непрерывного процесса.
В настоящее время существует много вариантов процессов динамического глу-
бинного культивирования. Простейшая их классификация по способу организации
включает следующие виды культивирования:
■ периодическое;
■ многоциклическое;
■ продленное оптимизированное периодическое;
■ полунепрерывное;
■ непрерывное;
■ периодическое синхронное;
■ непрерывно-синхронное.
Периодическое глубинное культивирование, которое практикуется с начала
1930-х гг., - первый пример использования динамической системы выращивания
микроорганизмов.
Данный метод культивирования - самый типичный вариант функционирующей за-
крытой системы. Он предусматривает внесение инокулята (посевной материал) в
питательную среду при запуске культуры и остановку процесса (разгрузка биоре-
актора) по достижении клеточной популяцией заданной фазы развития или при на-
коплении в системе достаточного количества целевых продуктов (рис. 23).
JL+JS+-R
Рис. 23. Схема биореактора для простого периодического культивиро-
вания : X - количество клеток; S - субстрат; Р - продукт.
Выращиваемая таким способом культура называется периодической, потому что
существует в течение определенного, достаточно короткого, периода времени.
Гибель популяции клеток периодической культуры закономерна и обусловлена дву-
мя основными причинами: лимитированием роста микроорганизмов питательным суб-
стратом и ингибированием их развития токсичными продуктами собственного мета-
болизма. Для такого способа культивирования микроорганизмов характерно непре-
рывное изменение их физиологического состояния, вызываемое регулярными изме-
нениями условий окружающей среды, производимыми жизнедеятельностью самих кле-
ток. Периодическая система может поддерживать активное размножение клеток
только в течение ограниченного времени, после которого популяция начинает ис-
пытывать недостаток элементов питания и угнетается продуктами метаболизма
(рис. 24). Следовательно, периодические культуры находятся в неустойчивом со-
стоянии, что является их серьезным недостатком, особенно когда они использу-
ются для изучения свойств микроорганизмов.
Клетки
Субстрат
Время
Рис. 24. Типичная взаимозависимость изменения во времени концен-
траций клеток и субстрата в периодической культуре.
Глубинным способом удобнее выращивать бактериальные культуры, поскольку для
их клеток характерно относительно автономное существование. Сложнее обстоит
дело с поддержанием культур мицелиальных грибов, которые в жидких средах мо-
гут существовать в одной из двух возможных форм. Первая из них - гомогенная
волокнистая форма, при которой гифы мицелия распределяются равномерно и со
всех сторон окружены средой, обеспечивающей их в достаточном количестве пита-
тельными веществами. По мере разрастания мицелия затрудняется перемешивание
культуральнои жидкости и снижается эффективность ведения процесса. Вторая
форма - пеллеты, или шарики, - представля ет собой компактные образования
плотно упакованных гиф, удобные для выращивания в биореакторах периодического
(колбы на качалках) и непрерывного типа (рис. 25). Однако необходимо помнить:
упаковка гиф в пеллетах может быть настолько плотной, что потребление суб-
страта начинает лимитироваться диффузией и клетки гиф недостаточно снабжаются
компонентами питательной среды.
Периодические системы культивирования можно использовать и в лабораторных
(обычно при изучении динамики роста культур микроорганизмов), и в промышлен-
ных (чаще для получения вторичных микробных метаболитов) условиях.
В лабораторных условиях при изучении динамики роста популяции микробных
клеток необходимы:
■ жизнеспособность инокулята;
■ наличие в среде культивирования всех нужных клеткам питательных веществ;
отсутствие в среде ингибиторов, подавляющих рост клеток;
поддержание на оптимальном уровне физико-химических условий.
.Г*>\
Л*.
}
ч>-*
Рис. 25. Пеллеты мицелиальных грибов,
В простой гомогенной периодической культуре можно выделить несколько фаз
роста (рис. 26).
щ
щ
§ А
gll
с?
Лаг- Экспоненци- Стационарная
фаза альнаяфаза фаза
\ ^ Wl 1^ Wl U ^_
Щ. W
1
1
|"^ **■
J+-1 — ^ 1
1
Г^ц,^
Фаза
отмирания
Рис. 26. Основные фазы идеализированной кривой роста периодиче-
ской культуры микроорганизмов.
Лаг-фаза {стадия адаптации) наблюдается после внесения инокулята (обычно
«ночная», 18-часовая культура), находящегося в стационарной фазе, в свежую
питательную среду. В этом случае клетки, как правило, приобретают способность
к возобновлению роста только через определенный период времени, в течение ко-
торого они приспосабливаются к новым условиям.
С учетом физиологического состояния микроорганизма в пределах данной фазы
можно выделить стадию покоя - время с момента внесения клеток в питательную
среду до начала их развития, - в течение которой (1-2 ч) количество микроор-
ганизмов не увеличивается, а иногда и уменьшается. В течение стадии задержки
размножения (~ 2 ч) в микробных клетках идет активный синтез веществ, участ-
вующих в процессах деления и метаболизма, однако сами клетки практически не
размножаются.
Продолжительность фазы адаптации может варьировать и определяется тремя ос-
новными причинами: объемом (количеством), возрастом инокулята, а также соста-
вом и концентрацией компонентов питательной среды. Так, внесение небольшого
количества инокулята в большой объем свежей среды (особенно минимальной) мо-
жет привести к диффузии из клеток витаминов, кофакторов и ионов, необходимых
для поддержания активности многих внутриклеточных ферментов (время адаптации
увеличится, поскольку потребуется восстановление внутриклеточного пула утра-
ченных веществ). Объем инокулята также важен, если культуру переносят в пита-
тельную среду другого состава, например, из богатой среды в минимальную. В
этом случае чем больше объем (в допустимых пределах) посевного материала, тем
больше компонентов полноценной среды в его составе попадет при инокуляции в
ростовую среду (время адаптации может несколько сократиться). Зависимость
длительности лаг-фазы от возраста инокулята обусловлена возможностью накопле-
ния в клетках токсических соединений и недостатком питательных веществ, необ-
ходимых для первоначального роста. Как правило, при переносе клеток из бедной
среды в богатую с увеличением возраста инокулята лаг-фаза удлиняется. Обычно
используют активный «омоложенный» посевной материал в количестве около 2 % от
объема среды. Изменение состава и концентрации питательных компонентов также
может влиять на продолжительность лаг-фазы, оказывая воздействие на регуляцию
активности ферментов и морфологическую дифференцировку клеток. Если клетки
переносят из минимальной среды в полноценную, то необходимы питательные веще-
ства и время для повышения активности ферментов и активности метаболизма в
целом (время адаптации увеличивается). Если же клетки переносят из богатой
среды в бедную, то они способны быстро, хотя и с низкой скоростью, начать де-
литься. Когда клетками инокулируют среду того же состава, то длительность
лаг-фазы, как правило, прямо пропорциональна длительности предшествующей ста-
ционарной фазы, до которой доращивают посевной материал.
Фаза экспоненциального роста характеризуется развитием популяции клеток
микроорганизмов с максимально возможной для них удельной скоростью роста,
обусловливающей накопление наибольшего количества биомассы. В этой фазе также
наиболее активен клеточный метаболизм. Клетки имеют большие размеры, чем в
другие фазы роста. Экспоненциальный рост обычно не поддерживается в микробной
популяции длительное время вследствие исчерпания в ростовой среде доступных
источников питания или накопления токсичных продуктов обмена веществ (или из-
за изменений физико-химических условий).
Стационарная фаза характеризуется истощением в среде основных питательных
компонентов и накоплением токсичных продуктов, но клетки еще живы и нуждаются
в источниках питания. Концентрация микроорганизмов остается на постоянном
уровне, потому что относительный прирост биомассы компенсируется гибелью час-
ти клеток в результате автолиза. Поскольку переход к стационарной стадии
включает период несбалансированного роста, при котором различные клеточные
компоненты синтезируются с разными скоростями, то образуются клетки, меньшие
по размеру и менее чувствительные к внешним воздействиям, с измененным хими-
ческим составом по сравнению с клетками экспоненциальной фазы. В этой фазе
обычно синтезируются вторичные метаболиты (пигменты, антибиотики, бактериоци-
ны и др.).
Поведение микробных клеток в течение стационарной фазы роста может регули-
роваться апоптозом. Суть данного явления сводится к тому, что при истощении
питательных веществ голодающая популяция клеток делится на две субпопуляции,
одна из которых гибнет и автолизируется, а клетки второй потребляют продукты
автолиза в качестве питательного субстрата и продолжают размножаться. Меха-
низм генетического контроля апоптоза изучен у бактерий Escherichia coli. Он
осуществляется особым опероном maz, представленным двумя генами: mazE и mazF.
Продукт гена mazF - стабильный цитотоксический белок-киллер, а продукт гена
mazE - нестабильный белок MazE, разрушающий белок-киллер. Истощение фонда
аминокислот в питательной среде приводит к блокированию экспрессии оперона
maz, в результате синтез белка MazE прекращается и белок-киллер вызывает ги-
бель и автолиз части популяции. В среде пополняется фонд аминокислот, синтез
белка mazE у оставшихся живых клеток активируется, и они продолжают размно-
жаться .
На стадии отмирания наблюдается резкое экспоненциальное уменьшение числа
жизнеспособных клеток, скорость отмирания которых зависит не только от внеш-
них условий, но и от их видовых особенностей.
На питательных средах, содержащих смесь альтернативных питательных субстра-
тов (в первую очередь углеводов - основных источников углерода и энергии) мо-
жет наблюдаться явление двойного цикла роста (двухфазного роста) микроорга-
низмов - диауксия (рис. 27).
2,0
о
5
1 1,0
§
•е-
S
О.
2 0,5
О
0 2 4 6 8 10
Время (ч)
Рис. 27. Диауксический рост бактериальной культуры в присутствии
двух альтернативных углеродных субстратов.
Появление переходных (временных) фаз роста в культуре Е. coli характерно,
если в среде одновременно присутствуют глюкоза и сорбитол. Это явление впер-
вые было описано Ж. Моно в 1941 г. В данном случае первой всегда потребляется
глюкоза, а затем другой углеродный субстрат - сорбитол. Графически это выра-
жается наличием первых экспоненциальной и стационарной фаз, в течение которых
утилизируется глюкоза. После исчерпания в среде ее запасов и при соблюдении
оптимальных физиологических условий начинается потребление второго субстрата,
что подтверждается появлением фазы вторичного экспоненциального роста.
Явление диауксического роста - одно из проявлений эффекта катаболитной ре-
прессии. При этом присутствие в системе культивирования глюкозы индуцирует в
микробных клетках синтез ферментов, участвующих в ее утилизации, и одновре-
менно репрессирует (подавляет) образование ферментов, определяющих потребле-
ние другого источника углерода (например, лактозы, арабинозы, галактозы, сор-
битола и т. п.). Такие ферменты синтезируются только после полного исчерпания
глюкозы в среде. По-видимому, катаболитную репрессию можно рассматривать как
приспособление клетки к предпочтительному использованию наиболее доступных
источников энергии (глюкоза).
Параметры роста культуры
Для некоторых целей достаточно качественной характеристики роста, т. е.
простого наблюдения, имеет ли место рост культуры вообще. Но для обеспечения
более полной и объективной информативной картины необходимо измерять рост ко-
личественно . Если развитие популяции клеток периодической культуры регистри-
руется по увеличению биомассы, то следует анализировать такие количественные
параметры, как удельная скорость роста, экономический коэффициент, урожай
биомассы, время генерации и др.
При определении количественных параметров изучают рост простой гомогенной
динамической периодической культуры.
Под урожаем клеток (X) понимают разность между максимальным и исходным ко-
личеством биомассы. Эту величину выражают в весовых единицах (чаще в грам-
мах) :
X = Хтах Хо
Особенно важно отношение урожая клеток к количеству потребленного ими суб-
страта (X/S). Если обе эти величины обозначают в весовых единицах, то отноше-
ние X/S, называемое экономическим коэффициентом, обозначают через Y:
Y= dX/dS,
где dX - увеличение биомассы, соответствующее потреблению субстрата в коли-
честве dS. Более строго экономический коэффициент определяется пределом, к
которому стремится данное соотношение при dS, стремящейся к нулю. Важность
экономического коэффициента в том, что он выражает количественные потребности
организма в пище. Впервые экономический коэффициент был использован М. Ж. Ро-
лэном для обозначения пищевых потребностей микроскопических мицелиальных гри-
бов (Y = -dX/dS). Знак «-» здесь вводился, поскольку значения изменяются в
разных направлениях. В настоящее время принято использовать величину Y, об-
ратную предложенной М. Ж. Ролэном.
Если же урожай (в граммах) относят к числу молей потребленного субстрата,
то экономический коэффициент, называемый в этом случае молярным экономическим
коэффициентом, обозначают через Ym. Молярный экономический коэффициент Ym по-
зволяет связать урожай клеток с полученным из какого-либо источника энергии
(т. е. какого-либо субстрата) количеством АТФ (макроэргические эквиваленты).
?атф ~ энергетический коэффициент, выражаемый в граммах клеточной массы на 1
моль АТФ. Этот коэффициент можно вычислить, если известны путь расщепления
данного субстрата и выход АТФ в результате этого расщепления.
Скорость потребления субстрата культурой в данный момент времени выражается
соотношением
dS/dT = qX,
где X - биомасса, а коэффициент q известен как метаболический коэффициент
или удельная скорость метаболизма. Данный параметр аналогичен ферментативной
активности. Метаболический коэффициент можно выразить также через экономиче-
ский коэффициент и удельную скорость роста и представить в таком виде:
q = li/Y.
Если удовлетворены все необходимые требования, то предполагается, что в те-
чение единицы времени dt увеличение биомассы dX должно быть пропорционально
количеству биомассы X и интервалу времени, т. е.
dX = pXdt,
откуда
dX/dt = pX
Дифференциальное отношение dX/dt выражает скорость роста популяции клеток.
Параметр (р, обозначающий скорость роста единицы биомассы (1/Х)(dX/dt), назы-
вается удельной скоростью роста и измеряется в единицах, обратных времени
(1/t). Этот параметр аналогичен сложным процентам. Так, удельная скорость
роста 0,1 часа эквивалентна скорости 10 % в 1 час.
Если р. постоянна, то интегрирование уравнения дает
1пХ = 1пХ0 + ]it,
где Х0 - биомасса в начальный момент времени t = 0.
Рост популяции клеток, подчиняющийся этому закону, называется экспоненци-
альным или логарифмическим.
Для того чтобы рассчитать время генерации клеток, можно использовать урав-
нение, учитывая геометрическую прогрессию роста:
N = N02n,
откуда
IgN = lgN0 + nlg2,
где N - число клеток.
Отсюда число клеточных делений (п) составит
n = IgN - lgN0/lg2.
Константу скорости деления v, или число клеточных делений в единицу времени
t-to, можно вычислить по формуле
v = n/t,
а время одной генерации (д) - по формуле
д = t/n = 1/v.
В промышленных условиях (технологиях) периодическое глубинное выращивание в
ферментере с принудительной аэрацией и перемешиванием - один из наиболее час-
то применяемых способов получения культур микроорганизмов с высокой плотно-
стью клеток. Причем одной из наиболее актуальных проблем, которые необходимо
разрешать в условиях индустриального производства, является сокращение непро-
дуктивного периода (лаг-фазы). Периодический глубинный способ также использу-
ется при культивировании патогенных бактерий в производстве вакцин и анаток-
синов и для получения эндо- и экзопродуктов микробного синтеза, имеющих боль-
шое народнохозяйственное значение.
Первоначально распространенный в технологиях производства дрожжей и анти-
биотиков метод простого периодического глубинного культивирования зарекомен-
довал себя как наиболее удобный для промышленного выращивания микроорганиз-
мов . Дальнейшее совершенствование способов глубинного культивирования было
направлено на разработку техники и систем контроля процессов выращивания мик-
робных клеток.
Многоциклическое культивирование - это способ культивирования микроорганиз-
мов , в котором простой периодический процесс выращивания популяции клеток
(цикл) является одним из звеньев многоэтапного метода и повторяется много-
кратно с однократной стерилизацией биореактора.
Зависимость концентрации микроорганизмов и удельной скорости роста от вре-
мени в каждом из циклов многоциклического культивирования имеет тот же харак-
тер , что и в периодическом процессе.
Многоциклическое культивирование осуществляется по-разному. Его можно про-
водить в одном биореакторе, многократно повторяя полный цикл развития культу-
ры. Особенность такого культивирования - в отсутствии стерилизации оборудова-
ния при завершении процесса. Наоборот, после разгрузки ферментера в нем ос-
тавляют часть культуральной жидкости с клетками (инокулят) в качестве затрав-
ки для следующего цикла. Затем в рабочий объем вносят свежую питательную сре-
ду, и процесс запускается снова. Этот подход позволяет сократить затраты на
постоянное поддержание посевного материала.
В одном ферментере можно повторять и укороченный цикл, заканчивая его, на-
пример, экспоненциальной фазой роста.
Циклы культивирования, проводимые в одном ферментере, называются односта-
дийными (рис. 28). Такие процессы часто используются при получении биомассы
патогенных бактерий в технологиях приготовления вакцин или других биопрепара-
тов .
AAA A
f f If 4 I
1 I I | f I f I I i T
1 f
Рис. 28. Изменение объема среды в биореакторе в процессе многоцикли-
ческой ферментации. Стрелки вниз указывают загрузку свежей среды в
начале цикла, а стрелки вверх - разгрузку аппарата; V - объем куль-
туральной жидкости в биореакторе; t - время культивирования.
Однако возможны и многостадийные многоциклические процессы, основанные на
принципе повторного и последовательного периодического культивирования, про-
текающего в нескольких ферментерах, соединенных в батарею. Один из наиболее
известных вариантов многоциклического многостадийного культивирования заклю-
чается в следующем: культура доращивается в первом биореакторе до экспо-
ненциальной стадии своего развития. Когда популяция клеток достигает заданной
фазы роста, из нее отбирается часть (инокулят) для засева питательной среды
во втором биореакторе (в первом культура продолжает доращиваться). Когда
культура во втором реакторе достигает экспоненциальной фазы, из нее также от-
бирается инокулят для засева среды в третьем ферментере, и т. д.
Поскольку культура все время пересевается в экспоненциальной фазе, не про-
исходит ее старения и вырождения, а также существенно сокращается непродук-
тивная фаза адаптации. Помимо этого, отмечается значительный выигрыш во вре-
мени всего процесса, так как одновременно работает батарея ферментеров.
Применение данного метода позволяет в несколько раз сократить затраты на
производство целевого продукта по сравнению с периодическим способом.
Многоциклические процессы культивирования микроорганизмов применяют для по-
лучения и биомассы, и продуктов микробного синтеза - токсинов, антибиотиков,
внеклеточных ферментов, аминокислот.
Продленное периодическое культивирование
Переход от экспоненциальной фазы роста к стационарной и продолжительность
всего срока жизни периодической культуры, как указывалось ранее, определяются
двумя основными причинами: недостатком питательных веществ и избытком токсич-
ных метаболитов. Однако, снижая в системе культивирования давление на клетки
данных факторов, можно увеличить время активного существования популяции мик-
робных клеток и перевести периодический процесс в продленно-периодический. В
таком процессе экспоненциальная стадия развития удлиняется либо за счет вне-
сения в биореактор дополнительного количества субстрата (периодическая или
непрерывная подпитка), либо за счет удаления продуктов метаболизма, угнетаю-
щих развитие клеток (диализная культура).
Продленный периодический процесс культивирования, как и периодический, пре-
дусматривает одноразовую загрузку и разгрузку ферментера, однако зависимость
концентрации микроорганизмов и удельной скорости роста от времени в нем более
растянуты. При этом продлевается как вся экспоненциальная фаза, так и фаза
линейного роста.
Периодическая культура с добавлением субстрата (подпитка)
Культура с добавлением дополнительных источников питания - это один из ме-
тодов получения роста, лимитированного субстратом. При этом экономический ко-
эффициент в такой культуре существенно выше по сравнению с простой периодиче-
ской.
Характер осуществления подпитки во многом определяется зависимостью удель-
ной скорости роста от количества субстрата. У некоторых культур микроорганиз-
мов такая зависимость описывается кривой насыщения, т. е. до определенного
верхнего предела увеличение концентрации субстрата обусловливает увеличение
удельной скорости роста популяции клеток. Однако по достижении этого предела
как бы количество субстрата ни повышалось, удельная скорость роста увеличи-
ваться не будет (рис. 29). В таком варианте процесса культивирования с под-
питкой исходную концентрацию субстрата изначально задают высокой (в пределах
плато, где влияние субстрата на скорость роста биомассы невелико или вообще
отсутствует) . И до тех пор, пока концентрация субстрата не снизится до мини-
мального уровня, подпитку можно не производить.
Если же зависимость удельной скорости роста биомассы от концентрации суб-
страта характеризуется экстремумом (что характерно для большинства культур),
то подпитка требуется уже с самого начала культивирования для поддержания его
на оптимальном уровне.
Подпитка может производиться по-разному: импульсно или по каплям на протя-
жении всего процесса. Импульсное внесение субстрата можно осуществлять одно-
кратно (например, в середине процесса или ближе к его окончанию) или несколь-
ко раз.
На практике чаще всего проводят подпитку с начала и до окончания культиви-
рования. Для обеспечения экспоненциального роста клеток скорость внесения до-
полнительного субстрата должна возрастать во времени по экспоненте. И концен-
трация биомассы будет расти по экспоненте из-за почти постоянной удельной
скорости роста при постоянной концентрации субстрата. Такие культуры иногда
называют расширенными или экспоненциальными.
i
i
■ W.
0 *р *
Рис. 29. График зависимости скорости роста от концентрации субстра-
та: р. - максимальная скорость роста микроорганизмов в данных услови-
ях; S - концентрация субстрата; SKp - верхний предел концентрации
субстрата, влияющий на удельную скорость роста.
Существует несколько способов управления подпиткой, например:
1. Заранее рассчитывается программа изменения подпитки во времени, и суб-
страт подается в аппарат без информации о том, с какой скоростью его по-
требляет культура. Основной недостаток данного способа: в биореакторе мо-
жет возникать как избыток, так и недостаток субстрата.
2. Субстрат подается в биореактор по одному из косвенных регистрируемых па-
раметров, связанных с ростом культуры (например, кислотность среды, кон-
центрация растворенного кислорода или активность дыхания клеток). Лучше
всего, конечно, контролировать концентрацию субстрата, но на практике это
крайне сложно.
И все же поддерживать путем подпитки экспоненциальный рост популяции мик-
робных клеток бесконечно долго невозможно, потому что биореактор имеет фикси-
рованный рабочий объем, который может переполниться. Следовательно, надо либо
прекращать процесс, либо переходить к культивированию с повторяющимися под-
питками (repeated fed-batch). Данный метод предполагает чередование отбора
части культуральной жидкости из ферментера с продолжением прерванной подпитки
между отборами.
Однако и этот способ не решает проблему жизнеобеспечения периодической
культуры. В среде накапливаются токсичные продукты метаболизма, клетки испы-
тывают голодание по тем пищевым субстратам, которые отсутствуют в подпитке
(подпитка обычно ведется одним субстратом, например, источником углерода и
энергии). При достижении культуральной системой такого состояния процесс вы-
ращивания популяции клеток приходится останавливать, как и в случае простой
периодической культуры.
Периодическая культура с диализом
Еще один вариант продленного оптимизированного периодического процесса -
диализная система, применяемая для удаления токсичных продуктов клеточного
метаболизма и способствующая тем самым увеличению концентрации биомассы и по-
вышению выхода целевого продукта микробного синтеза.
Диализ - исторический первый метод очистки - был предложен Т. Грэхемом в
1861 г. для удаления из системы низкомолекулярных веществ.
Суть диализного метода в том, что культура развивается в пространстве, ог-
раниченном полупроницаемой мембраной: низкомолекулярные токсичные продукты ее
жизнедеятельности диффундируют во внешний раствор, а питательные вещества по-
ступают к клеткам. Таким образом происходит очистка культуральной жидкости от
соединений, угнетающих развитие культуры, и обеспечение ее необходимыми суб-
стратами. Этот способ выращивания микроорганизмов можно назвать диффузионным
культивированием, поскольку в основе процесса диализа лежит избирательная
диффузия (движимый градиентом концентраций процесс разделения растворенных
молекул).
Диализ более удобен для выращивания клеточных культур по сравнению с други-
ми мембранными технологиями (микрофильтрация, ультрафильтрация и др.), по-
скольку в этом случае происходит наименьшее засорение мембраны.
В обеспечении наибольшей продуктивности процесса диализа основную роль иг-
рают диализные мембраны. Для культивирования микроорганизмов традиционно ис-
пользуют три основных типа мембран:
1. Собственно диализные с номинальным диаметром пор ^10 нм, способные задер-
живать клетки и макромолекулы, но проницаемые для мелких молекул основных
питательных компонентов;
2. Фильтрующие мембраны (мембранные фильтры) с номинальным диаметром пор
^100 нм, задерживающие клетки, но проницаемые для относительно низкомоле-
кулярных макромолекул;
3. Мембраны, не имеющие пор и проницаемые для газов, растворимых в мембран-
ном материале (например, в резине или поликарбонате).
При культивировании микроорганизмов в диализных системах применяются мем-
браны с различным диаметром пор органической или неорганической природы (пер-
гаментные , целлофановые, ацетатцеллюлозные, нитроцеллюлозные, полиамидные,
поликарбонатные, кремниевые и др.) . Современные диализные мембраны могут
представлять собой кассеты из большого количества микротрубок, помещенных в
так называемый модуль с общим входом и выходом.
Материалы, используемые для изготовления диализных мембран, должны характе-
ризоваться некоторыми свойствами: выдерживать стерилизацию автоклавированием;
иметь определенный размер пор; быть химически инертными и проницаемыми (что,
в свою очередь, обусловлено их пористостью, емкостью и толщиной); обеспечи-
вать высокий уровень отсечки (селективность) и наибольший экономический коэф-
фициент . Такие мембраны имеют небольшую толщину и площадь поверхности, доста-
точную для обеспечения эффективной диффузии. При этом объем диализной жидко-
сти (питательная среда) должен быть значительно больше объема диализуемой
культуры, или диализную жидкость следует периодически заменять.
В некоторых случаях необходимо удаление из системы не всех низкомолекуляр-
ных веществ, а только их части. Тогда используют компенсационный диализ, при
котором диализный раствор заменяют раствором низкомолекулярных веществ, кото-
рые необходимо сохранить в культуральной жидкости.
К преимуществам использования диализной системы при культивировании микро-
организмов относятся:
■ удлинение экспоненциальной стадии роста периодической культуры (получение
высокой плотности биомассы);
■ удлинение стационарной стадии (увеличение продукции вторичных метаболи-
тов) ;
■ снижение ингибирующего действия токсичных метаболитов за счет их удаления
или уменьшения концентрации;
■ установление состояния равновесия с высоким уровнем метаболизма (длитель-
ное образование целевых продуктов);
■ получение метаболитов, свободных от клеток, и, наоборот, клеток, свободных
от макромолекул среды;
■ изучение взаимодействия между популяциями микробных клеток;
■ работа в мягких условиях температуры и рН;
■ отсутствие органических растворителей и др.
Однако диализные культуры имеют некоторые недостатки:
■ возможность обрастания диализных мембран микроорганизмами, приводящего к
забиванию пор и остановке процесса;
■ низкую скорость диализа, определяемую молекулярной диффузией.
Последнего недостатка диализа можно избежать за счет применения процесса
электродиализа, который был предложен Ч. Доре еще в 1910 г. В этом случае па-
раллельно мембранам накладывается электрическое поле, в результате чего анио-
ны и катионы из раствора диффундируют через диализные мембраны к аноду и ка-
тоду, а биополимеры или клетки остаются в растворе. В простейшем случае элек-
тродиализатор состоит из трех камер, отделенных друг от друга полупроницаемы-
ми мембранами - центральной для обрабатываемого раствора, а также для пермеа-
та в зоне анода и пермеата в зоне катода по обеим сторонам от центральной ка-
меры. Мембраны при катоде и при аноде могут быть выполнены из разных материа-
лов , селективных для катионов и анионов. Существенный недостаток метода элек-
тродиализа - выделение при высоком напряжении большого количества тепла, что
может привести к негативным, а иногда и необратимым изменениям в живых систе-
мах.
В настоящее время разработаны различные типы конструкций диализаторов - ап-
паратов для проведения диализа. Все они организованы по общему принципу: диа-
лизируемая культуральная жидкость, содержащая микробные клетки («внутренняя
жидкость»), отделена полупроницаемой мембраной от питательной среды или дру-
гого растворителя («внешняя жидкость»).
Самым простым и дешевым вариантом конструкции обладают диализаторы объемно-
го типа, предложенные еще Т. Грэхемом и представляющие собой «мешок» из диа-
лизной мембраны, погруженный в питательную среду. Однако такие аппараты имеют
существенные недостатки: это малая удельная поверхность и большая толщина
мембран для обеспечения их механической прочности, определяющие низкую ско-
рость диализа. В таких диализаторах культивирование микроорганизмов можно
вести в целлофановых мешках, погруженных в питательную среду. Данный способ
был разработан и использован для получения высокоактивных препаратов грибных
экзотоксинов. Однако широкого практического применения метод не получил из-за
сложности масштабирования.
В аппарате змеевикового типа полупроницаемая мембрана имеет вид свернутой в
спираль (змеевик) трубки, погруженной в емкость с питательной средой. Внутри
змеевика располагается подлежащая очистке культуральная жидкость. В данной
конструкции появляется возможность использования мембран меньшей толщины и
большей площади, что обусловливает увеличение интенсивности диффузии.
Достаточно просто устроены и диализаторы типа «фильтр-пресс» с плоскокамер-
ными фильтрующими элементами, позволяющими применять мембраны малой толщины.
Однако данная конструкция имеет некоторые недостатки: использование ручных
операций при их сборке и разборке, высокая металлоемкость, относительно низ-
кая плотность укладки мембран в единице объема, сложность герметизации от-
дельных узлов.
К продленным периодическим процессам можно отнести культивирование микроор-
ганизмов в диализной системе с протоком среды, удлиняющим время существования
микробной популяции. Несмотря на проточный режим подачи питательной среды,
данная система относится к периодическим из-за отсутствия оттока биомассы.
Микробная биомасса будет увеличиваться до тех пор, пока концентрация клеток
не затруднит ее дальнейшее перемешивание, т. е. до достижения максимально вы-
сокой плотности.
Диализные системы культивирования могут применяться и in vitro, и in vivo,
и в периодическом, и в непрерывном режимах или при их сочетании. В лаборатор-
ной и производственной практике диализные культуры используются в основном в
трех случаях:
1. Для концентрирования недиффундирующего продукта;
2 . Для уменьшения концентрации диффундирующего токсического продукта;
3. Для накопления и отделения от клеток диффундирующего продукта.
Полунепрерывное культивирование
Данный метод, как и периодическое культивирование, предполагает однократную
загрузку и разгрузку биореактора, однако через некоторые промежутки времени,
определяемые состоянием процесса культивирования, производят отбор из фермен-
тера части культуральнои среды с клетками, сопровождающийся внесением равного
объема свежей питательной среды. Таким образом, функционирует отъемно-
доливная (сливно-доливная) система, которая характеризуется частотой и объе-
мом отбираемой выросшей культуры и добавлением питательной среды.
Такой способ культивирования уже значительно ближе к непрерывному процессу,
поскольку его установившиеся рабочие режимы характеризуются относительным по-
стоянством средней удельной скорости роста популяции, обусловливающей относи-
тельное постоянство концентрации биомассы.
Полунепрерывное культивирование способствует систематическому обновлению
периодической культуры и в несколько раз отдаляет ее гибель.
Принципиальное отличие функционирующей отъемно-доливной системы от периоди-
ческой культуры с подпиткой заключается в полном возобновлении всего состава
питательной среды, а не только его отдельного компонента (подпитка). Однако
это преимущество, определяющее более эффективное развитие микробной культуры,
ограничивает использование метода при получении вторичных метаболитов в каче-
стве целевых продуктов микробного синтеза.
Полунепрерывное культивирование микроорганизмов осуществляется в открытой
динамической гомогенной одностадийной системе в любом ферментере для периоди-
ческого культивирования, оснащенном системой перемешивания и аэрации.
Графическое отображение концентрации клеток при данном способе культивиро-
вания приобретает вид гребенки (рис. 30).
с
1
т
7
т
т
f
W
I Г
Рис. 30. Изменение объема жидкости (V) во времени (t) в отъемно-
доливном процессе культивирования. Стрелки указывают момент за-
грузки свежей среды.
Разработаны также технологии полунепрерывных процессов с подпиткой субстра-
том - гибриды отъемно-доливных и подпиточных систем, обеспечивающие получение
в одном биореакторе значительно больших количеств культуральнои жидкости и
биомассы, чем при использовании других методов.
Различные варианты полунепрерывных систем используются в производстве био-
массы дрожжей, водорослей и в других технологиях.
Преимущества и недостатки периодических и полунепрерывных процессов
Преимущества:
■ максимальное удобство для получения ограниченных количеств целевых продук-
тов (включая биомассу);
■ низкая стоимость оборудования и систем управления;
■ гибкость использования - возможность получения в одном биореакторе разных
целевых продуктов;
■ возможность изменения времени культивирования;
■ меньшая склонность к контаминации, мутациям и автоселекции микробных кле-
ток из-за отсутствия протока среды и относительно малой длительности про-
цессов ;
■ возможность оптимизации условий культивирования как в экспоненциальной
(получение биомассы), так и в стационарной фазе роста (биосинтез вторичных
метаболитов). Это важно, поскольку на разных стадиях оптимальные условия
могут быть различны.
Недостатки:
■ необходимость частого приготовления посевного материала;
■ длительное непродуктивное время процесса;
■ более быстрое изнашивание измерительных приборов (например, датчиков рН) в
связи с необходимостью частой стерилизации;
■ меньшая производительность по биомассе и целевому продукту, чем в непре-
рывных процессах;
■ трудность поддержания необходимых параметров;
■ опасность для человека вследствие более частых контактов с ми-
кроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности.
Непрерывно-проточное
культивирование
микроорганизмов
Непрерывно-проточный метод в промышленную микробиологию пришел из химиче-
ской технологии. В отличие от периодического культивирования (в различных его
вариантах и модификациях) в непрерывных процессах подача питательной среды в
биореактор осуществляется непрерывно, и так же непрерывно с равной скоростью
происходит удаление из системы биомассы и продуктов ее жизнедеятельности.
Следовательно, данную технику культивирования можно назвать выращиванием мик-
роорганизмов на протоке питательной среды.
По такому принципу организуются две разновидности процессов: процессы пол-
ного (идеального) смешения, или хемостатные, и процессы полного (идеального)
вытеснения, или тубулярные.
Непрерывное культивирование проводится в открытой динамической системе (как
гомогенной, так и гетерогенной), способной к эксплуатации в течение длитель-
ного времени. Следовательно, к оборудованию, используемому в такой техноло-
гии, предъявляются очень строгие требования.
Любой периодический процесс можно перевести в непрерывно-проточный.
Системы полного смешения, или хемостатные процессы
Непрерывно-проточное культивирование определяет возможность поддержания на
постоянном уровне условий, оптимальных для развития популяции микроорганиз-
мов . Причем на протоке можно создать систему, в которой только один желаемый
фактор будет ограничивать (контролировать, лимитировать) клеточный рост. Если
таким лимитирующим клеточный рост фактором является химическое вещество (ком-
понент питательной среды, например источник углерода и энергии, источник азо-
та или кислород и т. п.) , то процесс культивирования называют хемостатным. И
хотя в развивающейся популяции осуществляется метаболизм многих питательных
субстратов, скорость роста «идеальной культуры» определяется скоростью по-
требления только одного субстрата.
Установившиеся режимы хемостатных процессов непрерывного культивирования
характеризуются постоянством удельной скорости роста популяции и концентрации
микроорганизмов.
Хемостатные процессы теоретически можно вести неограниченно долгое время,
что обеспечивает им несомненное технологическое преимущество по сравнению с
другими культуральными системами. В производственных условиях хемостатные
процессы обычно останавливаются либо в результате отказа оборудования, либо в
связи с контаминацией культуры посторонней микробиотой.
Особенность непрерывных хемостатных процессов состоит в отсутствии необхо-
димости постоянного поддержания посевного материала для инокуляции питатель-
ной среды на входе в ферментер. Засев производится однократно при запуске
системы, а в дальнейшем культура должна поддерживаться в биореакторе само-
стоятельно , без дополнительных подсевов.
Существуют два основных типа хемостатных процессов непрерывного культивиро-
вания: хемостат, в котором регулируется скорость протока среды, определяющая
рост и количество биомассы, и турбидостат, в котором регулируется концентра-
ция биомассы, в зависимости от которой устанавливается скорость подачи пита-
тельной среды.
Теоретически взаимосвязь между концентрацией биомассы (удельной скоростью
роста клеток) и скоростью поступления питательной среды подчиняется одним и
тем же правилам и в хемостате, и в турбидостате, однако методы управления
процессами различны.
По количеству ферментеров (стадий, ступеней) хемостатные системы могут быть
одностадийными, двухстадийными и многостадийными.
Гомогенные одностадийные хемостатные системы
В проточной системе достаточно просто получать желаемую концентрацию био-
массы: изменение скорости подачи питательной среды в биореактор (скорость
протока) определяет изменение концентрации лимитирующего рост фактора, что, в
свою очередь, приводит к изменению плотности популяции микробных клеток. Так,
при медленном протоке среды культура клеток испытывает лимитацию (голодание)
по данному субстрату и достаточно долго контактирует с токсичными продуктами
собственного метаболизма, следовательно, удельная скорость роста клеток и
концентрация биомассы низкие. При быстром протоке среды, т. е. при достаточ-
ном снабжении клеток питательными веществами, степень их голодания слабая,
приближающаяся к условиям экспоненциального роста, и сами клетки недолго под-
вергаются воздействию угнетающих их развитие метаболитов. Удельная скорость
роста увеличивается, и возрастает концентрация биомассы.
Таким образом, изменяя скорость протока питательной среды, в ферментере
можно создать условия, соответствующие любой точке кривой роста (при быстром
протоке - близкие к состоянию экспоненциальной фазы, при медленном - стацио-
нарной) . А обеспечение постоянства скорости входящего в биореактор потока
среды (фиксация) определяет постоянство удельной скорости роста популяции
клеток и постоянство концентрации ее биомассы. Следовательно, установившиеся
режимы непрерывного культивирования характеризуются постоянством основных ре-
гистрируемых в системе параметров.
Для гомогенной системы полного смешения характерна выравненность условий во
всем объеме культуральной среды одинакового состава. Поэтому клетки микробной
популяции в каждый конкретный момент времени находятся в одном и том же фи-
зиологическом состоянии, т. е. в состоянии установившегося динамического рав-
новесия (steady state). При этом культура способна автоматически подстраи-
ваться к изменениям условий, приобретая свойства саморегулирующейся системы.
В первую очередь это относится к изменению скорости протока среды, на которое
культура микроорганизмов адекватно реагирует уменьшением или увеличением ко-
личества биомассы. Если изменение условий временное, то по возвращении к ис-
ходным условиям устанавливается первоначальное состояние клеточной популяции.
Следовательно, на изменение условий культура реагирует не выходя из стацио-
нарного состояния.
Основной аппарат для выращивания непрерывной гомогенной культуры - фермен-
тер полного смешения с устройствами для подачи среды (насос) и слива культу-
ры , поддерживающими постоянный объем культуральной жидкости. Предполагается,
что концентрации субстрата, биомассы и продуктов биосинтеза в любой точке
внутри ферментера и в вытекающей жидкости одинаковы.
В установившемся фиксированном режиме (X = const) скорость протока среды,
отнесенная к единице объема культуры в биореакторе, называется коэффициентом
разбавления или скоростью разбавления, обозначается символом D и равняется
удельной скорости роста клеточной культуры р.:
р = f/V = D
где F - скорость протока среды; V - объем культуры в биореакторе.
Это означает, что удельная скорость роста популяции клеток определяется ко-
эффициентом разбавления.
В такой системе концентрация субстрата (S) также остается постоянной, по-
скольку равномерно расходуемый субстрат возобновляется с подачей свежей пита-
тельной среды, осуществляемой с одинаковой скоростью. При получении биомассы
в проточных условиях процесс стараются вести при максимально возможной скоро-
сти подачи среды, однако она не должна быть очень высокой, чтобы клетки за
время пребывания в ферментере успели в полной среде использовать доступный
питательный субстрат. Так обеспечивается наибольший экономический коэффициент
процесса культивирования.
Графически количественные зависимости между концентрацией биомассы (X) ,
концентрацией лимитирующего субстрата (S) и скоростью разбавления (D) выража-
ются в виде хемостатной кривой (рис. 31). Оценивая хемостатную кривую X(D),
можно заметить, что концентрация биомассы резко снижается при увеличении ско-
рости разбавления. Когда же скорость разбавления достигает определенного зна-
чения DKp, количество биомассы становится равным нулю и остается таковым при
дальнейшем ускорении разбавления. Концентрация субстрата при этом возрастает.
Это самый существенный недостаток функционирующего одностадийного хемоста-
та, означающий полное физическое вымывание культуры из биореактора. Поскольку
теоретически DKp = iamax, для предотвращения вымывания клеток процесс их куль-
тивирования в хемостате можно вести при удельной скорости роста, только при-
ближающейся к максимальной, но не достигающей ее.
Для борьбы с вымыванием культуры можно использовать разные конструкции хе-
мостатов с возвратом (рециркуляцией) биомассы, например комплекс «ферментер-
сепаратор», в котором выходящая из биореактора клеточная суспензия сгущается
на сепараторе, и часть сгущенного потока непрерывно возвращается в ферментер.
и
s
Остальная часть обрабатывается как товарный продукт. Основные направления ис-
пользования рециркуляции - повышение производительности системы непрерывного
культивирования и более полное потребление субстрата из среды.
^ W
й
Рис. 31. Хемостатные кривые X(D) и S(D) в стационарном состоянии.
Одностадийный гомогенный хемостат - один из наиболее часто используемых ти-
пов промышленного оборудования при получении микробной биомассы или тех про-
дуктов микробного синтеза, кинетика накопления которых повторяет кинетику
роста биомассы. Он также применяется в других технологиях, предполагающих вы-
ращивание микроорганизмов. В лабораторной практике хемостатный способ культи-
вирования в строго контролируемых условиях применяют для изучения физиологии,
биохимии микробных клеток и других их свойств, а также для моделирования in
vitro природных условий (например, водоем, пищеварительный тракт и др.) и
т.п.
Гетерогенные многостадийные хемостатные системы
Помимо гомогенных одностадийных систем, параметры которых характеризуются
постоянством, непрерывные процессы могут быть и гетерогенными многостадийны-
ми.
При гетерогенно-непрерывном культивировании используют батарею биореакторов
(несколько соединенных ферментеров) (рис. 32). Такая система считается гете-
рогенной, поскольку в каждом из ферментеров условия культивирования отличают-
ся от таковых в других стадиях, входящих в батарею.
Рис. 32. Батарея ферментеров.
Типичным примером функционирующей гетерогенной системы служит двухстадийный
(двухступенчатый) хемостат.
Если использование одностадийного хемостатнохю процесса позволяет воспроиз-
вести на протоке среды любую скорость роста популяции клеток, кроме макси-
мальной, то двухстадийное культивирование открывает возможность не только
приближения к максимальной для данных микроорганизмов удельной скорости рос-
та , но и достижения ее.
Двухстадийное культивирование проводят в двух последовательно соединенных
ферментерах. При этом в первом биореакторе культивирование микроорганизмов
ведется при скорости протока среды, меньшей максимально возможной удельной
скорости роста, а во второй биореактор подается культуральная жидкость с
клетками, выходящая из первого ферментера (рис. 33).
%
7*
ЗД
*
со
^^2
*2
Рис. 33. Схема функционирования двухстадийного хемостата: So - кон-
центрация свежего субстрата в подаваемой среде; Si, S2 - концентрация
субстрата в ферментерах; Xi, X2 - концентрация клеток в ферментерах.
Для двухстадийного хемостата характерны следующие особенности:
Удельная скорость роста популяции клеток во втором биореакторе меньше,
чем скорость разбавления (в одностадийном хемостате эти параметры равны).
Однако в таком случае происходит вымывание культуры из-за ее непрерывного
поступления из первого ферментера, и, следовательно, процесс культивиро-
вания можно вести при любой скорости разбавления. Это обусловливает воз-
можность повышения удельной скорости роста клеток и экономического коэф-
фициента .
Концентрация субстрата во втором биореакторе всегда меньше, чем в первом,
поскольку клетки используют питательные вещества, поступающие из первого
биореактора во входящем потоке. Такой принцип является определяющим в тех
технологиях, где важна химическая чистота целевого продукта, т. е. отсут-
ствие в нем примесей остаточного субстрата. Например:
■ если конечный продукт производства - неочищенная биомасса клеток;
■ при очистке сточных вод, когда цель самой технологии в снижении остаточ-
ного количества субстрата.
Количество биомассы во втором ферментере всегда выше, чем в первом, по-
скольку к культуре, поступающей из первого биореактора, прибавляется био-
масса, выросшая во втором.
Большая концентрация биомассы обусловливает более интенсивное аэрирование
во втором биореакторе.
Двухстадийный хемостат эффективнее использовать при промышленном произ-
водстве продуктов микробного синтеза, а не клеточной биомассы, например,
при получении различных вторичных метаболитов (антибиотики и др.), по-
скольку это двухфазные процессы, а оптимальные условия для каждой фазы
могут значительно отличаться.
В некоторых случаях для оптимизации работы двухстадийного хемостата произ-
водят дополнительное внесение свежего питательного субстрата во второй биоре-
актор (рис. 34).
Описанные особенности и принципы работы двухстадийного хемостата применимы
также для характеристики функционирования батареи ферментеров, объединяющей
более двух аппаратов, - многостадийных систем (рис. 35).
S*
s,
Ч—.
*
^2-^2
Рис. 34. Схема двухстадийного хемостата с подпиткой: So - концентра-
ция свежего субстрата в подаваемой среде; Si, S2 - концентрация суб-
страта в ферментерах; Xi, Х2 - концентрация клеток в ферментерах.
I
зд
п
*2
^2
III
Sj-^з
Рис. 35. Схема функционирования трехстадийного хемостата:So - концен-
трация субстрата в подаваемой среде; Si, S2, S3 - концентрация суб-
страта в ферментерах; Xi, Х2, Х3 - концентрация клеток в ферментерах.
Использование многостадийного культивирования в батарее последовательно со-
единенных ферментеров так же, как и в двухстадийном хемостате, позволяет при-
менять принцип дифференцированных режимов выращивания микроорганизмов. Эф-
фективность работы батареи биореакторов может оптимизироваться дополнительным
внесением свежей питательной среды или ее отдельных компонентов (подпитка) в
промежуточные аппараты, рециркуляцией биомассы из последующих аппаратов в
первый и т. п.
Многостадийные системы обычно используются для получения вторичных продук-
тов микробного синтеза, накопление которых в той или иной степени отстает от
кинетики роста биомассы. Батарея ферментеров применяется также для переработ-
ки высоких концентраций субстрата при получении продуктов, как первой, так и
второй фазы роста.
Однако необходимо помнить, что батарея биореакторов - сложная в управлении
и дорогостоящая установка. В настоящее время многостадийные хемостаты помимо
указанных областей в основном используют в различных технологиях утилизации
отходов и очистки сточных вод.
Турбидостат
Турбидостатное культивирование основано на применении турбидиметрического
способа измерения концентрации биомассы микроорганизмов, т. е. на определении
поглощения светового потока клеточной суспензией. При таком методе выращива-
ния микробных клеток подача субстрата в ферментер осуществляется по команде
фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры:
оптический прибор через электрическую схему связан с насосом для ввода пита-
тельной среды (рис. 36).
Сигнал
а-
Воздух^
СО
тл
XS,
Свегн
□е
Рис. 36. Схема работы турбидостата: So - концентрация субстрата в
подаваемой среде; S± - концентрация субстрата в вытекающей куль-
туре ; X - концентрация клеток.
Постоянный уровень концентрации микробной биомассы поддерживается управляе-
мым изменением скорости протока среды, устанавливаемой в зависимости от за-
данной плотности популяции. Следовательно, при турбидостатном культивировании
фиксируется оптическая плотность клеточной суспензии, т. е. концентрация био-
массы. Этим турбидостат принципиально отличается от хемостата с фиксированной
скоростью протока среды, в соответствии с которой устанавливается концентра-
ция биомассы.
Если концентрация клеток (оптическая плотность) поддерживается на заданном
уровне, питательная среда в ферментер подается с постоянной скоростью. Увели-
чение концентрации клеток в биореакторе сопровождается повышением скорости
протока питательного субстрата, что определяет вымывание лишней биомассы. А
при уменьшении количества клеток скорость подачи питательной среды также по-
нижается (или приостанавливается).
Поскольку турбидостатное культивирование, как правило, используют в ситуа-
циях, когда отсутствует необходимость в лимитирующих концентрациях ростового
субстрата или лимитирующий фактор вообще не определен, появляется возможность
избыточного снабжения клеток питательными веществами. Это обусловливает ста-
бильное функционирование турбидостата даже при удельной скорости роста попу-
ляции клеток, близкой к максимальной (ртах), обеспечиваемой скоростью раз-
бавления, близкой к критической (DKp) .
Указанная особенность - еще одно существенное отличие турбидостата от хемо-
стата. В турбидостате возможно ведение процесса культивирования на высокой
скорости протока среды, поскольку для поддержания большой плотности биомассы
необходима подача достаточного количества питательного субстрата. Более того,
сама система наиболее стабильна при удельной скорости роста микробной культу-
ры, близкой к максимальной.
Поскольку в турбидостате удельная скорость роста популяции клеток не фикси-
рована, при избытке субстрата и постоянных условиях среды в культуре могут
отбираться формы, характеризующиеся более высокими удельными скоростями роста
(автоселекция). Турбидостат также можно использовать для получения штаммов,
устойчивых к ингибирующим рост факторам1, антибиотикам и др.
Турбидостатному культивированию свойственны некоторые недостатки, главный
из которых - прилипание клеток к поверхности оптического элемента в случае их
длительного роста, что приводит к получению искаженных данных. Помимо этого
турбидостатная система характеризуется недостаточно полным истощением пита-
тельных субстратов.
Сигналом, определяющим интенсивность подачи питательной среды в биореактор,
помимо оптической плотности может служить любой параметр, который изменяется
в культуральнои системе, характеризует физиологическое состояние клеток и для
которого существует датчик. В настоящее время разработаны различные варианты
непрерывного культивирования микроорганизмов, функционирующие по принципу
турбидостата - рН-стат, оксистат, СОг-стат, теплостат, респиростат, ви-
скозистат и т. д., названия которых соответствуют управляющему параметру.
Чаще применяются респиростат, оксистат, рН-стат, теплостат. В респиростате
управление процессом культивирования основано на использовании в качестве
датчиков газоанализаторов кислорода или углекислого газа, измеряющих интен-
сивность дыхания клеток, которая пропорциональна концентрации биомассы. По-
этому, регулируя интенсивность дыхания, можно регулировать и концентрацию
биомассы, а следовательно, скорость подачи субстрата (D). В оксистате подачу
питательной среды в аппарат (скорость разбавления D) осуществляют таким обра-
зом, чтобы поддерживать постоянное, относительно малое значение концентрации
растворенного кислорода в среде, поскольку при минимальной концентрации рас-
творенного кислорода достигается максимальная величина его потребления клет-
ками микроорганизмов. Принцип работы рН-стата основан на том, что активный
рост микроорганизмов часто сопровождается закислением культуральнои среды, в
то время как замедление роста при недостатке субстрата вызывает защелачива-
ние. Следовательно, величина рН может служить параметром, определяющим подачу
в аппарат питательной среды. В теплостате температура устанавливается само-
произвольно на уровне, при котором скорость биологического тепловыделения
равна скорости отвода тепла в окружающую среду. Данный уровень обычно выше
оптимального, что может замедлять процессы метаболизма. Способ управления ис-
пользуется, если по определенным причинам ценный целевой продукт выделяется
при повышенных температурах.
Управляющими могут быть не только индивидуальные, но и комплексные парамет-
ры, например содержание кислорода и углекислоты в отходящем воздухе, характе-
ризующие дыхательный коэффициент, и др.
Преимущества и недостатки непрерывных процессов
Преимущества:
■ возможность поддерживать рост микробных культур неопределенно долгое вре-
мя;
■ исключение влияния физических или химических факторов на развитие микроор-
ганизмов и образование ими целевых продуктов при постоянной скорости рос-
та;
1 Можно, но сложно, поскольку при скоростях подачи питательной среды, свойственных
турбидостату, происходит интенсивное вымывание мутантов (Печеркин М.П. Управление
скоростью роста в турбидостате действием ингибиторов. (1988) Канд. дисс.). Впрочем,
этот процесс свойственен и хемостату с его низкой скоростью подачи питательной сре-
ды. Отъемно-доливная система для этого лучше подходит.
■ возможность поддержания постоянной концентрации биомассы;
■ получение клеточного роста, лимитированного заданным субстратом, и изуче-
ние влияния лимитирования на состав клеток и их активность;
■ оптимизация состава среды методом импульсных добавок;
■ удобство определения кинетических констант и выхода биомассы;
■ получение более надежных и воспроизводимых результатов и постоянство каче-
ства целевых продуктов;
■ высокая производительность и относительно малое непродуктивное время
(только при запуске системы);
■ относительно невысокий износ измерительных приборов при стерилизации;
■ снижение опасности контакта обслуживающего персонала с микроорганизмами.
Недостатки:
■ меньшая гибкость, осуществимость регулирования лишь некоторых параметров
(скорость разбавления, концентрация кислорода, температура);
■ более высокие требования к постоянству качества сырья;
■ большие капитальные вложения (непрерывная стерилизация среды, автоматиза-
ция и т . д.) ;
■ трудность обеспечения непрерывного дозирования нерастворимых твердых суб-
стратов ;
■ существенная опасность контаминации из-за большей длительности культивиро-
вания ;
■ сложность обеспечения оптимального выхода продуктов метаболизма, не свя-
занных с ростом;
■ возможность вырождения культуры из-за большего времени культивирования
(например, за счет автоселекции);
■ опасность вымывания культуры из аппарата;
■ трудность культивирования в непрерывном режиме мицелиальных культур из-за
их вязкости и гетерогенности;
■ повышенные требования к надежности оборудования.
ГЛАВА 3. СИНХРОННЫЕ
КУЛЬТУРЫ МИКРООРГАНИЗМОВ
Культуры микроорганизмов, даже отобранные в одно время из одного посева,
представляют собой совокупность клеток, находящихся на разных стадиях индиви-
дуального развития. Это приводит к получению средних данных при изучении их
физиологических свойств и метаболической активности. Модель изолированной жи-
вой клетки также не позволяет получать точные результаты, поскольку имеет ма-
лое количество биомассы и не отражает поведение и особенности жизнедеятельно-
сти клетки, находящейся в условиях популяции.
Необходимость получения популяций, все клетки которых в данный момент нахо-
дятся в одной фазе развития (т. е. рост всей популяции соответствует росту
отдельных клеток), привела к разработке методов синхронизации культур микро-
организмов, позволяющих раздельно и поэтапно изучать физиологические и биохи-
мические процессы, протекающие на разных стадиях развития клетки.
Сущность методов синхронизации заключается в том, что путем различных воз-
действий микробная популяция искусственно приводится в однородное физиологи-
ческое состояние, наиболее явным показателем которого служит одновременное
(синхронное) деление большинства клеток культуры.
Синхронизации деления подвергались различные микроорганизмы: грибы, бакте-
рии, гетеротрофные протисты, микроскопические водоросли, а также клетки куль-
туры ткани и т. п. Среди бактерий синхронное размножение изучалось на популя-
циях Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Corynebacterium diphtheriae и
др. (рис. 37) .
Для синхронизации деления обычно используют популяции клеток, находящиеся в
фазе экспоненциального роста, когда они наиболее однородны по продолжительно-
сти периода генерации.
Рис. 37. Синхронный рост популяции бактериальных клеток (N - ко-
личество клеток).
Степень участия клеток популяции в синхронном делении называется степенью
синхронизации, которая, в свою очередь, выражается значениями индекса синхро-
низации. Этот параметр характеризует уровень однородности популяции и, что
очень важно, позволяет сравнивать эффективность различных синхронизирующих
воздействий.
Для определения степени синхронизации часто используют индекс синхронизации
Шербаума (Is) , вычисляемый по формуле
Is = (Ni/No - 1) (1 - T/g) ,
где N0 - число клеток непосредственно перед взрывом синхронного деления; Ni
- число клеток после синхронного деления; Т - время, в течение которого про-
исходит синхронное деление; g - продолжительность одной генерации.
Способы, вызывающие синхронное деление, весьма разнообразны и многочислен-
ны. В зависимости от характера воздействия на популяцию клеток их можно раз-
делить на три большие группы:
1) основанные на механическом отборе;
2) основанные на воздействии физических факторов;
3) основанные на химико-биологических воздействиях.
Методы, основанные на механическом отборе однородных по некоторым признакам
клеток из асинхронно делящейся популяции, называются естественными или селек-
тивными, потому что не оказывают жесткого воздействия на клетки и не нарушают
протекания их метаболических процессов. Суть данных методов синхронизации за-
ключается в механическом отборе из популяции клеток в зависимости от их объе-
ма или массы с использованием методов фильтрации, фракционирования, центрифу-
гирования. Отбор также можно производить, основываясь на определенной форме
существования микроорганизмов (например, эндоспоры бактерий). Применение се-
лективных методов базируется на предположении, что такие свойства, как объем
и масса клеток, отражают в известной мере определенное физиологическое со-
стояние .
В микробиологических исследованиях наиболее широкое распространение получи-
ли следующие способы механического отбора: фракционное фильтрование, диффе-
ренциальное центрифугирование и др.
Наиболее распространенные способы физической синхронизации - температурные
воздействия. Синхронизация клеточных популяций с помощью изменения температу-
ры культивирования может достигаться по-разному, например, путем действия на
клетки популяции более высокой или более низкой температуры по сравнению с
оптимальной для данного вида микроорганизмов. Такие воздействия могут быть
однократными (шок) или многократными (сдвиги температуры между двумя уровня-
ми) . В результате блокируется процесс деления клеток, но не останавливаются
их рост и развитие, что в конечном итоге приводит популяцию в однородное со-
стояние. После снятия шока от 70 до 90 % клеток делится синхронно. Этот вид
воздействия в основном применяется для синхронизации бактерий, протистов и
клеток культуры ткани.
К физическим воздействиям, применяемым для синхронизации клеточного деле-
ния, также можно отнести обработку клеток сублетальными дозами рентгеновских
лучей и периодическую смену света и темноты, используемую для получения син-
хронного деления фототрофных микроорганизмов (метод считается наиболее есте-
ственным, так как основан на цикличности развития фототрофов в связи с суточ-
ной фотопериодичностью).
Использование химико-биологических воздействий, вызывающих синхронное раз-
множение, основано на изменениях состава питательной среды за счет введения
ингибиторов клеточного деления или лишения среды веществ, необходимых для де-
ления .
Один из наиболее распространенных методов синхронизации этой группы - так
называемый метаболический шок. Можно получить эффект синхронизации, применяя
«голодные» среды, из которых полностью удалены важнейшие компоненты или зна-
чительно снижено их содержание. Последующее добавление недостающих веществ
или перенесение клеток в полноценную среду вызывает взрыв синхронного деле-
ния.
Несмотря на разнообразие методов, способных привести культуру к синхронному
делению, не всегда удается синхронизировать популяцию клеток в достаточной
степени. В таких случаях принято сочетать действие различных методов.
Общий и весьма существенный недостаток периодических синхронных культур -
быстрая потеря синхронности (десинхронизация), наступающая через 2-3 генера-
ции.
Причина подобного явления может заключаться в том, что не все клетки попу-
ляции делятся, достигнув одного и того же размера, возраста или момента вре-
мени , прошедшего после предыдущего деления. Принято считать, что решающая
роль принадлежит фазе развития исходной синхронизируемой культуры. Десинхро-
низация наступает быстрее при воздействии синхронизирующим агентом на культу-
ру , находящуюся в фазе замедления роста, т. е. более гетерогенную в отношении
продолжительности генерации индивидуальных клеток.
С середины 1960-х гг. началась разработка методов получения син-
хронизированных культур на протоке среды. Такой способ известен как непрерыв-
но-синхронный, или фазовый, метод культивирования, гарантирующий поддержание
синхронного деления клеток неограниченно долгое время. Необходимо отметить,
что техника обеспечения синхронного деления при этом основана на применении
отъемно-доливной системы: из ферментера регулярно отбирают половину объема
выросшей культуры через промежутки времени, равные одной генерации, и одно-
временно добавляют такое же количество свежей питательной среды.
Данный прием обеспечивает импульсную подачу источников питания. При этом
состав среды подбирается таким образом, чтобы при удвоении биомассы происхо-
дило полное исчерпание питательных веществ, приводящее к приостановке клеточ-
ных делений. Добавление же свежей среды обеспечивает восстановление клеточно-
го роста. Следовательно, синхронизация деления достигается голоданием клеток
по питательным субстратам. Лимитирующими факторами могут служить источники
азота, углерода, минеральных солей и т. д.
Имеются также данные, свидетельствующие о том, что синхронное деление кле-
ток в непрерывных процессах культивирования может быть индуцировано изменени-
ем рН среды, температуры и других условий культивирования, оказывающих воз-
действие на метаболические процессы клеток.
двигатель
окно
наблюдения*
система
перемешивания
охлаждающая
рубашка ^-
подача
холодной-
воды
_ контроллер
кислотности
А
4
вывод
продукта
{
вывод
жидкостных
и газовых
/ потоков
культуральныи
бульон
барботер
(стерилизатор
питательной
среды)
Устройство ферментеров.
Лабораторный ферментер.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Химичка
АФФИНАЖ ЗОЛОТА
В предыдущей статье1 было описано выделение серебра из сплавленных кусков
металла, которые образовались в результате пожара. После растворения серебра
в азотной кислоте остался фиолетовый на просвет осадок, который содержал зо-
лото, а также различные неблагородные примеси. Чтобы выделить из этого осадка
золото, его нужно растворить в царской водке - смеси концентрированных азот-
ной и соляной кислот. Для этого поместил осадок в кварцевую кастрюльку, к
осадку прибавил 7 мл азотной кислоты и 20 мл соляной кислоты. Включил нагрев.
Фиолетовый осадок растворился с образованием зеленовато-желтого раствора, в
котором осталась твердая фаза. Твердая фаза не содержит золота - ее отделил
фильтрованием, осадок на фильтре несколько раз промыл водой, фильтрат присое-
динил к основному раствору (чтобы уменьшить потери золота).
Далее налил раствор в кварцевую кастрюльку, поставил на газовую плиту и
включил нагрев. Задача - упарить раствор (а также - удалить остатки азотной
кислоты: иначе они будут мешать на стадии восстановления золота), время от
времени прибавлял к раствору порции соляной кислоты. Поскольку мы имеем дело
с парами едких кислот, процесс нужно вести на открытом воздухе, либо под хо-
рошей вытяжкой.
Содержимое кастрюльки перенес на фильтр с помощью промывалки с водой. После
фильтрования образовался прозрачный зеленовато-желтый раствор. Это - золото-
хлористоводородная кислота Н[АиС14] (она же - тетрахлороаурат(III) водорода,
или золотохлороводородная кислота), которую еще нужно восстановить до метал-
лического золота.
1 Выделение серебра - Домашняя лаборатория 2025-02
Для восстановления золота часто используют гидразин, реже - другие восста-
новители . Но гидразин - не только хороший восстановитель, он еще дорогой и
нестабильный. Воспользовался более дешевым восстановителем - сульфатом железа
(II) в присутствии соляной кислоты. Данное вещество продается в садоводческих
магазинах под названием "железный купорос".
Прилил раствор железного купороса (с избытком соляной кислоты) к полученно-
му раствору золотохлористоводородной кислоты Н[АиС14] - сразу же выпал темный
осадок металлического золота. Дал осадку отстояться, отделил раствор деканти-
рованием. Теперь нужно проверить полноту осаждения (восстановления) металли-
ческого золота - не осталась ли часть золота в растворе. Тут пригодиться как
раз гидразин. Добавляю немного раствора гидразина к декантированному раство-
ру: признаков реакции (образование осадка, выделение газа) не наблюдается.
Значит, восстановление прошло полностью.
Осадок промываю водой, добавляю немного соляной кислоты и переношу на бу-
мажный фильтр. Теперь - восстановительная плавка золота в корнеплоде картош-
ки. Золото вместе с фильтром переносится внутрь специально подготовленного
клубня и сплавляется с помощью газовой горелки2.
В результате был получен слиточек золота весом 0.96 г. Среди предметов, ко-
торые пострадали от пожара, было только одно золотое кольцо массой от 2 до 3
грамм 500 пробы (другие предметы не содержали золота). На основании этого по-
тери золота можно оценить от 0.04 до 0.5 г.
Остаток после растворения сплавленных кусков металла в азотной кислоте.
2 С клубня картошки срезается верхняя треть (выбрасывается), внутри оставшейся части
вырезается углубление. Можно еще сделать плоское дно, чтобы ровнее стоял. Теперь об-
жигаем горелкой верх (не сильно, только подсушить) водружаем фильтр с порошком ме-
талла (или все что угодно еще) и вперед, плавить. Получается превосходный, углерод-
ный тигель. К нему не липнет ни металл, ни бура. Превосходная теплоизоляция, для не-
го не нужны щипцы: нижняя часть его всегда холодная, я могу в любой момент взять ее
руками.
Химичка
30
Zn
2
18
ЦИНК
65,39
3d 4s
ПОЛУЧЕНИЕ ЦИНКА ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА
Теоретически цинк можно вытеснить из водного раствора его соли более актив-
ными металлами, например алюминием или магнием. На практике это невозможно,
т.к. несмотря на больший электродный потенциал алюминия или магния цинк легко
растворяется даже в слабокислой среде, а выделение водорода становится преоб-
ладающим процессом. Даже никель с трудом выделяется из раствора - мешает вы-
деление водорода (в кислой среде) и выпадение основных солей никеля и метал-
ла-восстановителя (в нейтральной среде). Таким образом, задача становится
вроде неразрешимой, но мы не ищем легких путей!
В промышленности имеется способ получения цинка из раствора его соли (обыч-
но - сульфата) методом электролиза, но в этом случае необходимо соблюдать
множество условий. Например, очень хорошо очищать электролит от менее актив-
ных металлов (железа, никеля, меди), поддерживать определенную кислотность
среды (добавляется оксид цинка), обеспечивать постоянную циркуляцию электро-
лита от катода к аноду... Довольно трудоёмкое мероприятие.
На нижеописанный способ получения цинка меня натолкнула методика гальвани-
ческого покрытия алюминия и его сплавов, точнее методика подготовки поверхно-
сти алюминия для нанесения того или иного металла. Суть данного метода заклю-
чается в цинковании поверхности алюминия в щелочном растворе цинката натрия и
одновременном удалении оксидной пленки.
Почему бы не использовать несколько модифицированный процесс для получения
весомых количеств металла?
В предполагаемом процессе будут происходить следующие реакции:
ZnS04 + 4KOH = K2[Zn(OH)4] + K2S04 (l)
3K2[Zn(OH)4] + 2A1 = 3Zn + 2K[A1(0H)4] + 4KOH (2)
2KOH + 2A1 + 6H20 = 2K[A1(0H)4] + 3H2 (3)
Zn + 2H20 + 2KOH = K2[Zn(OH)4] + H2 (4)
Алюминиевый комплекс гораздо более устойчив (порядок Кнест для цинкового -
примерно 10~17, для алюминиевого - 10~33) , к тому же в щелочной среде имеется
перенапряжение выделения водорода на цинке. Цинк сам по себе реагирует со ще-
лочью довольно медленно, в этом легко убедиться, бросив в раствор щелочи (да-
же концентрированный и горячий) кусочек цинка - водород будет выделяться до-
вольно медленно. Таким образом, реакция (2) идет намного интенсивней реакции
(4), поэтому выделение цинка становится возможным.
Алюминий реагирует с растворами щелочей весьма бурно, с сильным разогревом.
Так как используется большой избыток щелочи, то нужно принять меры для охлаж-
дения реакционного сосуда (или брать небольшие навески).
Запомните, что работать со щелочами нужно очень аккуратно! В ходе экспери-
мента выделяется едкий аэрозоль (от пузырьков водорода по реакциям 3 и 4) -
защищайте органы дыхания от него (закрывайте горло сосуда мокрой тряпкой или
ватой, тяга, свежий воздух), и особенно берегите глаза!
Теория - теорией, посмотрим, как всё это будет выглядеть на практике.
Потребуется: соль цинка, раствор щелочи, емкости для проведения реакций,
гранулы алюминия и кусок алюминиевого провода. Как-то так:
Сульфат цинка, гидроксид калия, алюминий.
Наливаю в банку 100 мл раствора сульфата цинка, концентрация его
неизвестна, зато известно, что там есть примеси - кальций, желе-
зо и никель.
*ч_ •*. %л
Растворяю щелочь в воде, раствор сильно греется.
Реакция сульфата цинка и гидроксида калия.
Результат реакции: в растворе - K2[Zn(OH)4], на дне гидроксиды
металлов-примесей.
Решено было поступить следующим образом: отлить примерно 100 мл полученного
раствора и поместить в него кусок алюминиевого провода (толщина около 1 см) ,
а остальной раствор разбавить и добавить туда мелкие обрезки тонкой алюминие-
вой проволоки.
v
. > ч'-
Реакция алюминия и цинката калия K2[Zn(OH)4]. С начала реакции
прошло около 1 часа
Вата - чтобы не летел аэрозоль.
Остальной раствор налил в колбу на 1 л и разбавил. Добавил об-
резки проволоки.
Цинк выделяется серым налетом.
Выделяется водород, но не очень активно. В банке с алюминием бы-
ла какая-то грязь, которая теперь плавает сверху.
Впоследствии я решил заменить гранулы на кусок алюминиевого провода, так
как с гранул очень неудобно отмывать металл, надо ждать, что бы алюминий
внутри цинковой пленки растворился, а это происходит очень медленно. Цинковая
пленка обладает пластичностью и просто так с гранул не снимается, а с куска
провода её можно легко счистить. Поэтому перелил раствор из колбы в банку и
оставил на сутки.
Реакция алюминия и цинката калия K2[Zn(OH)4] - через 24 часа (не-
разбавленный раствор).
Снял образовавшийся цинк.
Банка с разбавленным раствором. Разницы почти никакой.
Заснял образование цинковых кристаллов в банке с разбавленным раствором
(примерно через 5-6 часов от начала реакции), в случае неразбавленного рас-
твора кристаллы не росли!
Кристаллы цинка.
Снял металл с проволоки, промыл водой до нейтральной реакции.
Цинк с провода снялся чехлом.
•г\
3 • >
Измельчил, промыл.
Промыл 2 раза спиртом, несу сушить,
Алюминиевый провод после реакции.
В банку с разбавленным раствором снова опустил кусок провода. При этом на-
блюдал весьма интересное явление - цинковые водоросли. Цинка в растворе оста-
лось мало, поэтому преобладающим процессом стал процесс выделения водорода.
Выделяющийся цинк уже не налипал толстой коркой на проводе, а выделялся в ви-
де мельчайших сцепленных кристаллов, которые поднимались пузырьками водорода
наподобие водорослей.
"Цинковые водоросли": алюминиевый провод опустили в раствор по-
сле того, как большая часть цинка уже выделилась.
Полученный металл высушил в чашке при температуре около 120 градусов и
взвесил.
Сухой цинк.
6.25г. Неплохо! Почти 0.1 моль! Попробую вычислить концентрацию исходного
раствора. Допустим, что при различных операциях потерялось 30% металла (см
комментарии), тогда:
100% металла - 8. 9г
nZnS04 = 0,136 моль, масса сульфата = 21.9 г, т.е. примерно 22 г.
В 100 мл раствора содержится 22 г сульфата цинка, допустим, плотность рас-
твора = 1.1 г/см3 тогда
С(раствора) = 20%
Расчет, естественно, примерный.
Комментарии
Насчет примесей в растворе сульфата цинка
Данный раствор остался после экспериментов по разложению латуни на состав-
ляющие металлы. От меди я его очищал порошком цинка в нейтральной среде и без
доступа воздуха, от железа - окислением и последующим гидролизом, от никеля -
обработкой гидроксидом кальция. Потом извлекал цинк электролизом. После экс-
периментов раствор долго стоял в открытой банке и нахватался пыли.
Как видно на фотографиях - осадок после добавления щелочи белый, это каль-
ций, который в условиях сильнощелочной среды образовал гидроксид. Через неко-
торое время осадок окрасился в слегка коричневый цвет - это окислилось желе-
зо.
Аналогичный эксперимент по получению цинка я проводил и с чистым сульфатом
цинка, тогда никаких осадков при добавлении щелочи не образовывалось.
Насчет концентрации раствора
Установить истинную концентрацию не представляется возможным, т.к. некото-
рая часть раствора после добавления щелочи была слита вместе с осадком (не
фильтровал). Так же некоторая часть металла выделилась на гранулах алюминия
(обрезках тонкой проволоки) , его я не стал отмывать и отделять от алюминия
(это практически невозможно) и просто выкинул. Немного полученного цинка ушло
в канализацию при промывании осадка металла, особо я над этим не думал. При
реакции алюминий дает примеси (в виде оксида или обезвоженных алюминатов),
которые увеличивают вес полученного металла. Часть цинка остается в растворе,
сколько бы ни лежал там кусок алюминия. Поэтому и такое допущение - 30% ме-
талла выделить не удалось.
Насчет применения полученного цинка
Я с успехом применял данный продукт для очистки растворов от меди, получе-
ния оксида цинка и получения никеля из аммиачного раствора. Высушенный цинк
легко растирается в ступке с образованием подобия цинковой пыли и может в ря-
де случаев её заменить.
Насчет хранения
Не рекомендую хранить такой цинк в пакетах и коробках с доступом воздуха.
Остатки не отмытой щелочи, влага воздуха и кислород могут привести к воспла-
менению! Храните в банке с плотной крышкой.
Химичка
НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Триптамин из
триптофана
Триптамин — моноаминный алкалоид, производное индола, химическое название:
2-(1Н-индол-3-ил)этанамин. Триптамин обнаруживается в растениях и организмах
животных. Химически схож с аминокислотой триптофаном. Производные триптамина
играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов. Игольчатые кристаллы
кремового цвета. Температура плавления 114 С.
Триптамин
Триптофан
Триптамин является промежуточным звеном при биосинтезе большинства индоль-
ных алкалоидов и алкалоидов группы хинина. Также предполагается, что трипта-
мин играет роль неиромедиатора и неиротрансмиттера в головном мозге млекопи-
тающих.
Большинство производных триптамина обладают психоактивными свойствами. Од-
ним из известных производных триптамина является серотонин, важнейший нейро-
медиатор и гормон.
Природные триптамины
Сокращённое
наименование
Серотонин
DMT
Мелатонин
Буфотенин
5-MeO-DMT
Псилоцин
Псилоцибин
Rcc
н
н
Н
Н
Н
Н
Н
R4
Н
Н
н
н
н
ОН
ОР03Н2
R5
он
н
ОСН3
он
ОСН3
н
н
R-N1
н
СН3
СОСНз
СН3
СН3
СН3
СН3
R-N2
н
СН3
Н
СН3
СН3
СН3
СН3
Полное наименование
5-гидрокситриптамин
N,N-диметилтриптамин
5-метокси-N-ацетилтриптамин
5-гидрокси-N,N-диметилтриптамин
5-метокси-N,N-диметилтриптамин
4-гидрокси-N,N-диметилтриптамин
4-фосфорилокси-N,N-диметилтриптамин
Синтетические триптамины
Сокращённое
наименова-
ние
АЕТ
АМТ
DET
DiPT
DPT
5-МеО-АМТ
Этоцин
Ипроцин
Мипроцин
5-MeO-DiPT
Суматриптан
R«
СН2СН3
СН3
Н
Н
Н
СН3
Н
Н
Н
Н
н
R4
н
н
н
н
н
н
он
он
он
н
н
R5
н
н
н
н
н
ОСН3
н
н
н
оснз
S02NHCH3
Rni
н
н
CH2CH3
СН(СН3)2
CH2CH2CH3
н
CH2CH3
СН(СН3)2
СН(СН3)2
СН(СН3)2
СН3
Rn2
н
н
СН2СНз
СН(СН3)2
СН2СН2СНз
н
СН2СНз
СН(СН3)2
СН3
СН(СН3)2
СН3
Полное наименование
а-этилтриптамин
а-метилтриптамин
N,N-дизтилтриптамин
N,N-диизопропилтриптамин
N,N-дипропилтриптамин
5-метокси-сх-метил триптамин
4-гидрокси-N,N-дизтилтрипта-
мин
4-гидрокси-N,N-
диизопропилтриптамин
4-rnflpoKcn-N-H3onporaui-N-
метилтриптамин
5-метокси-N,N-
дииз опропилтриптамин
Б-метиламиносульфонил-N AN-
диметилтриптамин
+ СО-
Этап 1: декарбоксилирование.
Заливаем в колбу 150 мл ацетофенона. Магнитная мешалка.
Добавляем 20 г L-триптофана.
Обратный холодильник.
Реакция идет минимум 4 часа.
Отгоняем ацетофенон под вакуумом.
Дистиллят желтый - это нормально.
Механизм реакции в целом.
В колбу добавляем 150 мл ацетона.
12 г бензойной кислоты растворяем в 100 мл
диняем в большей колбе.
ацетона и все объе-
Охлаждаем колбу в холодильнике.
Отгоняем ацетон под вакуумом.
Охлаждаем остаток в холодильнике и отфильтровываем.
Промываем ацетоном.
Выход 19 rl г.
Заливаем водой.
Добавляем 4 г NaOH в растворе.
Нагреваем...
.до растворения.
Отфильтровываем через ватный фильтр.
После кристаллизации (охлаждение) фильтруем.
Выход: 3 г триптамина (19%)
Pictet-Spengler
реакция
Помещаем в колбу 2,1 г триптамина.
Добавляем 1 г винной кислоты.
Добавляем 1,52 мл p-anisaldehyde (анисовый альдегид).
Заливаем небольшим количеством воды.
Добавляем 1,1 мл конц. НС1 (37%).
«~*
Затем еще 45 мл воды.
Бросаем магнитную капсулу и включаем мешалку.
Реакция завершена на следующий день,
Отфильтровываем.
Промываем водой.
Сушим. Выход 0,9 г (22%).
Химичка
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ РЕАКТИВЫ
Борнеман Г.
СВИНЕЦ
Желтая окись
свинца РЬО
Обыкновенная окись свинца, поступающая в продажу под названием глета, полу-
чается при окислении свинца при высокой температуре. При застывании из рас-
плавленного состояния она получается кристаллической; обыкновенно окись быва-
ет окрашена в желто-красный цвет, иногда в желтый. Желтую окись свинца можно
получить аморфной и кристаллической. Она представляет собою неустойчивую при
обыкновенной температуре модификацию и постепенно переходит самопроизвольно в
красную; при 720 С она является, наоборот, более устойчивой формой, в которую
переходит при этой температуре красная окись. Может быть, обе формы окиси
свинца представляют собою полимеры.
Аморфная окись свинца (массикот)
Название этого вещества происходит от слов la masse и 1а сate — край, пото-
му что при трейбовании свинца в печи по краям образуется желтая окись свинца.
Массикот получают, нагревая достаточно сильно гидрат окиси свинца или угле-
кислый свинец, но при этом плавления следует избегать. Гидрат окиси свинца
разлагается уже при 140 углекислый свинец приблизительно при 400 С. Плавится
окись свинца при 880—906 С. Температуру, при которой происходит разложение,
следует сохранять постоянной довольно долго; беря отдельную пробу, устанавли-
вают , выделилась ли вся вода или весь углекислый газ.
Массикот представляет собою аморфный, лимонно-желтый порошок; в воде он за-
метно не растворяется, но сообщает ей щелочную реакцию. В горячей щелочи рас-
творяется . Из воздуха массикот медленно притягивает углекислый газ.
Кристаллическая желтая окись свинца
Это вещество получают главным образом двумя способами. Первый способ пред-
ложен Гейтером. 7 вес. ч. КОН растворяют в .14 вес. ч. воды, нагревают рас-
твор до кипения и прибавляют к нему 1 вес. ч. гидрата окиси свинца. Нагревают
до полного растворения и быстро фильтруют. При медленном охлаждении фильтрата
выпадают, начиная приблизительно с 75 С, крупные, прозрачные кристаллические
пластинки ромбической системы чисто желтого цвета и сильно блестящие.
Аналогично получает этот препарат и Ditte. В 20—25%-ный раствор КОН вносят
гидрат окиси свинца до насыщения. Затем нагревают и фильтруют горячую жид-
кость через стеклянную вату в сухой стакан. При медленном охлаждении выпадают
желтые листовидные кристаллики; если раствор щелочи был слишком разбавлен,
кристаллы окрашены в зеленовато-желтый цвет; при слишком концентрированном
растворе они буровато-желтого цвета. В обоих случаях получается сначала плум-
бит щелочного металла:
РЬ(ОН)2 + 2КОН = РЬ(ОК)2 + 2Н20,
который затем самопроизвольно разлагается:
РЬ(ОК)2 + Н20 = 2КОН + РЬО.
Окись свинца должна растворяться в уксусной кислоте без остатка и без выде-
ления газа. Она не должна содержать ни Си, ни Fe, ни солей свинца, ни солей
щелочных металлов.
Сернистый
свинец PbS
Приблизительно полунасыщенный водный раствор свинцового сахара
РЬ (СН3СОО) 2'ЗН20 или азотнокислого свинца РЬ(Ж)з)2, при обыкновенной темпе-
ратуре, насыщают газообразным H2S. Выпадает черный (несколько буроватый) оса-
док. Пробу фильтрата испытывают на полноту осаждения (выделяют посредством
кипячения H2S, прибавляют разбавлен ной H2S04; выпадает белый PbS04) . Осадку
дают осесть, сливают раствор и промывают посредством декантации сероводород-
ной водой, фильтруют и снова промывают при отсасывании чистой водой. Осадок
сушат при 100 С.
Сернистый свинец растворяется в разбавленной горячей HN03, плавится при 930
С и при этом частично испаряется.
Хлористый
свинец РЬС12
Готовят при низкой температуре почти насыщенный раствор уксуснокислого или
азотнокислого свинца и осаждают, сохраняя низкую температуру, эквивалентным
количеством конц. НС1 или концентрированным раствором NaCl. Выпадает РЬС12 в
виде белого кристаллического порошка. Дают осесть, сливают жидкость и взбал-
тывают с небольшим количеством ледяной воды. После нового отстаивания и де-
кантации РЬС12 кипятят с водой, которую берут в количестве, необходимом для
растворения при нагревании (100 ч. воды растворяют при 100 С 3 РЬС12. Когда
все растворится, раствору дают медленно охлаждаться. Выпадают блестящие ром-
бические иглы РЬС12, которые отсасывают после полного охлаждения раствора.
Если осаждали соляной кислотой, промывать осадок лучше всего спиртом. Осадок,
полученный посредством осаждения раствором поваренной соли, следует промывать
возможно малым количеством ледяной воды или перекристаллизовывать из горячей
воды.
РЬС12 весьма мало растворим в холодной воде; в кипящей воде растворяется в
четыре раза больше хлористого свинца, чем при 0 С. Лучше, чем в воде, РЬС12
растворяется в растворах хлористых солей, в горячей конц. НС1 или НЫОз. В аб-
солютном спирте или эфире РЬС12 практически не растворим. При 510 С хлористый
свинец плавится и застывает из расплавленного состояния в виде кристалли-
ческой массы. Если плавление происходит при свободном й продолжительном дос-
тупе воздуха, соль превращается частично в основную и окрашивается в желтова-
тый цвет. Приблизительно при 900 С она испаряется.
Азотнокислый
свинец Pb(N03>2
Исходят из свинца или окиси свинца (можно брать и углекислый свинец). Сви-
нец растворяют, нагревая его с конц. HN03. При охлаждении Pb(N03)2 выпадает в
виде белого кристаллического порошка; в случае избытка конц. HN03 весь свинец
переходит в осадок. Окись свинца растворяют при нагревании в 30%-ной НЫОз, а
РЬСОз в холодной разбавленной НЫОз. Раствор (если нужно, его фильтруют) кон-
центрируют и преципитируют или дают ему кристаллизоваться; в последнем случае
обыкновенно получаются молочно-белые непрозрачные кристаллы. Из разбавленных
слабо кислых растворов азотнокислого свинца выпадают при медленном испарении
при обыкновенной температуре бесцветные, прозрачные, очень блестящие и сильно
светопреломляющие мелкие кристаллы. Препарат очищают, если это необходимо,
перекристаллизовывая его из горячей воды.
Pb(N03)2 кристаллизуется в виде кубов и октаэдров, часто в виде комбинаций.
Односторонне развитые крупные кристаллы имеют часто на той плоскости, на ко-
торой они лежат, рисунок, похожий на железный крест. Соль довольно легко рас-
творяется в воде, раствор имеет кислую реакцию. В спирте и конц. HN03 соль
нерастворима. Сухая соль выше 375 С плавится с разложением
Pb(N03)2 = РЬО + О + 2N02.
Испытывают соль, главным образом на присутствие меди.
Средняя и основная
углекислая соль свинца
Средняя углекислая соль свинца РЬСОз
Раствор азотнокислого или уксуснокислого (свинцовый сахар) свинца осаждают
избытком, углекислых или кислых углекислых щелочей, не содержащих хлористой и
сернокислой соли. При осаждении избегают сильного нагревания, потому что
РЬСОз при кипячении с водой медленно превращается в основную соль. При работе
с избытком нейтральных углекислых щелочей всегда вместе с преобладающим коли-
чеством средней соли получается и некоторое количество основного углекислого
свинца.
Чтобы очистить углекислые щелочи, можно на разбавленный их раствор подейст-
вовать несколькими см3 раствора свинцового сахара. При этом сернокислая соль
щелочного металла удаляется полностью, хлористая частично, нерастворимый же
PbS04 и трудно растворимый РЬС12 осаждаются вместе с РЬСОз • Если работа велась
со средней углекислой солью, очищать можно при кипячении; в случав же двууг-
лекислой соли можно работать на холоду. Фильтрат служит в этом случае для
осаждения РЬС03.
Уравнение реакции:
Pb(N03)2 + Na2C03 = 2NaN08 + РЬС03
или
Pb(N03)2 + 2NaHC03 = 2NaN03 + H20 + C02 + PbC03.
Для получения 100 г РЬС03 надо взять следующие эквивалентные количества:
123,95 г Pb(N03)2 или 141,95 г РЬ (СН3СОО) 2ЗН20; 39,67 г Na2C03; 62,89 г NaHC03;
приблизительно 44 г продажного углекислого аммония.
Раствор углекислой соли, которую берут в избытке, равном 10—20%, вносят при
помешивании в раствор соли свинца. Выпавшему осадку дают осесть, отделяют
раствор декантацией и промывают осадок теплой, но не кипящей водой посредст-
вом декантации. Наконец, отсасывают и сушат при температуре не выше 100 С, а
лучше между листами фильтровальной бумаги при обыкновенной температуре. На
протяжении всей работы следует следить за тем, чтобы в воздухе не было H2S,
потому что все соли свинца очень легко реагируют с H2S и окрашиваются в жел-
тый, бурый и черный цвета. Углекислый свинец имеет вид белого порошка, кото-
рый в воде, даже содержащей С02, практически нерастворим; при действии же го-
рячей воды РЬСОз постепенно превращается в основную соль. В уксусной кислоте
он должен растворяться нацело. Если слабо азотнокислый раствор был нацело
осажден сероводородом, фильтрат не должен давать осадка при пересыщении рас-
твором соды.
Основная углекислая соль свинца, свинцовые белила
Состав соли в идеальном случае может быть выражен формулой 2РЬС03,РЬ (ОН) 2.
Так называемый французский способ. Сначала готовят свинцовый уксус (liquor
plumbi acetici) . Для этой цели 3 ч. свинцового сахара РЬ (СН3СОО) 2'ЗН20, расти-
рают с одной частью глета РЬО, прибавляют 1/2 ч. воды и нагревают смесь в за-
крытом сосуде на водяной бане до тех пор, пока она не сделается равномерно
белой или красновато-белой. После этого прибавляют постепенно 9,5 ч. воды;
должно произойти полное или почти полное растворение. Дают осадку осесть в
герметически закрывающемся сосуде, вообще во время всей работы должен быть
устранен по возможности доступ воздуха, потому что при действии углекислого
газа воздуха будет выпадать РЬС03. После выпадения осадка его быстро отфильт-
ровывают. Свинцовый уксус содержит основной уксуснокислый свинец, для которо-
го предложены были разные формулы, например, 2РЬ(СН3СОО)2 + РЬ(ОН)2 или
(СН3СОО) 3РЬ2ОН или 2СН3СООРЬОНРЬ (ОН) 2 и т. д. Если мы примем последнюю форму-
лу г реакция может быть выражена уравнением
21[РЬ(СН3СОО)2-ЗН20] + 12РЬО =
20СН3СООН + 31Н20 + 11[2(СН3СОО)РЬ(ОН) РЬ(ОН)2] ,
и выход свинцового уксуса составит по теории 23,83% основной уксуснокислой
соли; содержание окиси свинца 19,75%. В свинцовый уксус пропускают чистый уг-
лекислый газ до прекращения выпадения осадка:
[2(СН3СОО)РЬ(ОН) РЬ(ОН)2] + 2С02 = 2СН3СООН + [2РЬС03РЬ (ОН) 2] .
Дают осадку осесть, промывают горячей водой, отсасывают и сушат при 100 С.
Выход составляет 70—80% теоретического. Из 100 г свинцового уксуса должно по-
лучиться по теории 22,9 г свинцовых белил.
Свинцовые белила представляют собою белый аморфный порошок; в воде он едва
растворим, в уксусной кислоте растворяется, давая прозрачный раствор. Так как
при осаждении углекислого свинца из свинцового уксуса действием углекислого
газа выделяется свободная уксусная кислота, осаждение бывает неполным.
Двуокись
свинца РЬО
Называется также перекисью свинца. Для получения двуокиси свинца мокрым пу-
тем имеются три главных способа:
1. Осаждают раствор свинцового сахара хлорной известью.
2. Осаждают раствор свинцового сахара содой и пропускают хлор.
3. Пропускают хлор в раствор плумбита натрия.
Во всех трех случаях РЬ02 получают в виде темно-бурого порошка, который
промывают посредством декантации горячей водой, отсасывают и сушат в сушиль-
ном шкафу.
Способ Бётгера (Buttger)
В 100 см воды растворяют 50 г свинцового сахара. Затем растирают 100 г
хлорной извести в ступке со 100 см3 воды в однородную смесь, прибавляют еще
150 см3 воды, фильтруют через гладкий фильтр и промывают небольшим количест-
вом воды. Раствор свинцового сахара нагревают до кипения, после чего посте-
пенно прибавляют раствор хлорной извести и, наконец, кипятят до исчезновения
запаха уксусной кислоты. Проба фильтрата при кипячении с раствором хлорной
извести не должна давать никакого осадка. Уравнение реакции:
РЬ(СН3СОО)2 + 2[СаС1С10Н20] = Са(СН3СОО)2 + СаС12 + 2Н20 + С12 +РЬ02;
Са(СН3СОО)2 + Н20 + С12 = СаС12 + О + 2СН3СООН.
Если бы состав хлорной извести в точности соответствовал формуле СаС120, на
50 г свинцового сахара было бы необходимо взять 88,229 г хлорной извести;
хлорной извести, содержащей 35% активного хлора, нужно взять 53,5 г. Мы берем
100 г, следовательно, работаем с большим избытком. Выход 90—98%.
Свинцовый сахар, сода и хлор
Свинцовый сахар и соду растворяют в отдельных стаканах в воде, растворы,
если необходимо, фильтруют, нагревают до кипения и смешивают в колбе. Получа-
ется густая масса, главной составной частью которой является основной угле-
кислый свинец. После охлаждения в эту густую массу пропускают хлор. Через час
берут пробу фильтрата и испытывают на полноту осаждения. Если полнота осажде-
ния достигнута, нагревают колбу на водяной бане и дают осадку осесть. Декан-
тируют и обливают осадок 24—25%-ной НЫОз (на 100 г свинцового сахара берут
100 см3 кислоты). При этом разлагается оставшийся углекислый свинец еще в не-
котором количестве РЬС03. После продолжительного взбалтывания сливают раствор
и промывают горячей водой. Уравнения реакции:
РЬ(СН3СОО)2 + Na2C03 = 2NaCH3C002 + РЬС03;
РЬС03 + H20 + С12 = С02 + 2HC1 + РЬ02;
2NaCH3C002 + 2НС1 = 2НС1 + 2NaCl + 2CH3COOH.
На 100 г свинцового сахара по теории, надо 27,95 г Na2C03; берется же 30—35
г. Выход 90—95%.
Плумбит натрия + хлор
100 г свинцового сахара растворяют в 500 см3 воды и прибавляют к этому рас-
твору 500 см3 20%-ного раствора NaOH (уд. веса 1,227) при нагревании. Получа-
ется сильно щелочной раствор плумбита натрия, более или менее мутный. После
охлаждения пропускают хлор до тех пор, пока в пробе фильтрата свинца уже не
будет. Во время пропускания хлора часто взбалтывают. Уравнения реакции:
РЬ(СН3СОО)2 + 2NaOH = 2CH3COONa + РЬ(ОН)2;
Pb(OH)2 + 2NaOH = Pb(ONa)2 + 2H20;
Pb(ONa)2 + Cl2 = 2NaCl + Pb02.
По теории на 100 г свинцового сахара необходимы 4,2 г NaOH: но в 500 см3
20%-ного раствора NaOH содержатся 122,7 г NaOH. Этот избыток щелочи и присут-
ствие поваренной соли делают промывание осадка более затруднительным. Выход
80-90%.
РЬ02 не растворяется в разбавленной HN03 на холоду, но, если прибавить
NaN02, происходит растворение, и раствор делается прозрачным:
РЬ02 + NaN02 + 2HN03 = Pb(N03)2 + NaN03 + Н20.
Кроме этой пробы на чистоту, делают еще пробу на присутствие хлористой со-
ли, сернокислой, азотнокислой, на присутствие марганца, меди, при первом спо-
собе на кальций, при остальных способах на едкие щелочи.
Свинцово-хлористо-водородныи
аммоний (NH4)2PbCl6
Двуокиси свинца соответствует четырех хлористый свинец РЬС14 и хлоргидрат
этого соединения РЬС14'2НС1 = Н2РЬС1б, называемый также свинцово-хлористо-
водородной кислотой. Известна аммониевая соль этой кислоты, которая, по
Friedrich1у, готовится следующим образом.
30 г чистого хлористого свинца вносят в 600 г дымящей НС1, и пропускают
хлор при 10—15 С. Получается темно-желтая прозрачная жидкость, содержащая
Н2РЬС1б- Если некоторое количество РЬС12 осталось нерастворенным, добавляют
НС1 и снова пропускают хлор. Когда раствор сделается совершенно прозрачным, к
нему прибавляют раствор нашатыря (растворяют 12 г нашатыря в 120 см3 воды) .
Раствор нашатыря и желтую жидкость, содержащую Н2РЬС1б охлаждают льдом и при
охлаждении смешивают. Выпадает желтый с зеленоватым оттенком кристаллический
осадок. Через четверть часа сливают раствор и отсасывают осадок через охла-
ждаемую воронку, промывают охлажденными льдом абсолютным спиртом или содержа-
щею хлор соляною кислотою, отжимают между листами фильтровальной бумаги и су-
шат на воздухе. Получают приблизительно 30 г соли, что составляет 72,2%.
Соль не гигроскопична, но водою она сейчас же разлагается на Pb02 + 4HC1.
При нагревании сухой соли, начиная со 120 С происходит разложение ее на хлор,
нашатырь и хлористый свинец. Если свинцово-хлористо-водородныи аммоний внести
в холодную как лед, концентрированную серную кислоту, выпадают желтые капель-
ки РЬС14 очень неустойчивого соединения.
СУРЬМА
Трехокись
сурьмы Sb203
Окись сурьмы получают сухим способом, сжигая металлическую сурьму. Сурьма
испаряется при накаливании до красного каления; пары загораются на воздухе и
сгорают бледным пламенем в белый дым. Этот последний конденсируется на холод-
ных частях прибора в виде блестящих ромбических игл. Реакцию ведут в неплотно
закрытом тигле, который нагревают на паяльной горелке. В верхней его части
происходит конденсация пара. Почти всегда при этой реакции получается еще не-
которое количество четырехокиси сурьмы Sb204. Выход приблизительно 90%.
При получении препарата мокрым способом исходят из соляно-кислого и винно-
кислого раствора треххлористои сурьмы или из водного раствора винного камня
CHOHCOO(SbO) СНОНСООК1/2Н20. Раствор осаждают аммиаком или содой.
Твердую треххлористую сурьму растворяют в соляной кислоте, к которой на ка-
ждый г SbCl3 прибавляют 0,5—0,6 г винной кислоты. Таким образом получают со-
ляно-кислый раствор сурьмяно-винной кислоты [СНО(SbO)COOH]2, который можно
сильно разбавить. Можно также применять раствор треххлористои сурьмы, приго-
товленный из сернистой сурьмы. Раствор переносят в чашку, которая должна быть
наполнена менее чем на половину, нагревают и прибавляют, продолжая нагревать
постепенно прозрачный раствор соды:
2SbCl3 + 3Na2C03 = 6NaCl + 3C02 + Sb203.
Количество соды должно быть рассчитано таким образом, чтобы она нейтрализо-
вала всю свободную кислоту и еще присутствовала в умеренном избытке. После
окончания прибавления соды кипятят до полного выделения углекислого газа;
раствор над осадком должен иметь щелочную реакцию. Дают осесть, сливают рас-
твор и кипятят с водой до тех пор, пока сливаемая вода не будет больше давать
щелочную реакцию и не будет содержать поваренную соль. После этого фильтруют,
испытывают осадок на содержание NaCl и промывают, если это необходимо, горя-
чей водой, после чего сушат в паровом сушильном шкафу. Выход 85 — 90%.
Sb203 — тонкий белый порошок, который должен растворяться в теплой соляной
кислоте или в растворе винной кислоты, давая прозрачный раствор. Плавится при
красном калении, при более высокой температуре испаряется, при нагревании на
воздухе получается Sb204. Если треххлористая сурьма, служившая исходным веще-
ством для получения препарата, содержала хлорное железо, окись сурьмы также
будет содержать железо.
Трехсернистая
сурьма Sb2S3
Соединение это образует две модификации, одну темно-серую, почти черную,
кристаллическую, которая имеется в природе (сурьмяный блеск, антимонит) и
другую — оранжево-красную, аморфную; первая модификация получается сухим спо-
собом, вторая — мокрым способом.
Кристаллическая Sb2S3
Сплавляют сурьму с серой. 1 г сурьмы по теории соответствует 0,4 г серы.
Если сера будет взята в избытке, этот избыток по окончании реакции следует
удалить испарением. Смесь, растертую в тонкую пыль, быстро сплавляют в тигле.
Выход 90%.
Черную сернистую сурьму можно получить из красной, нагревая ее в токе азо-
та, углекислого газа или сероводорода до 210—220 С. В этом случае можно рабо-
тать я в тигле Розе.
Расплавленная черная сернистая сурьма застывает в лучисто-кристаллическую
массу; она окрашена в темно-серый цвет и имеет металлический блеск в то вре-
мя, как в порошке она черного цвета. Температура плавления 540—550 С; при
сильном красном калении происходит испарение.
Аморфная Sb2S3
Красную сернистую сурьму получают, осаждая раствор треххлористой сурьмы се-
роводородом или серноватисто-кислым натрием. Осаждают всегда из раствора, со-
держащего винную кислоту, потому что без прибавления винной кислоты получает-
ся некоторое количество сульфохлорида (например, Sb2SCl4) , который не реаги-
рует до конца с сероводородом и не может быть полностью удален посредством
промывания.
Готовят раствор, в котором на каждый 1 г треххлористой сурьмы имеются 8 г
концентрированной соляной кислоты и 4 г винной кислоты. Этот раствор вливают
в колбу, нагревают его приблизительно до 50 С и пропускают сероводород. На-
гревание способствует образованию более зернистого и хорошо фильтрующегося
осадка. Но температуру не следует повышать слишком сильно, потому что в этом
случае осадок трехсернистой сурьмы будет окрашен не в такой яркий красный
цвет, а в более коричневатый. Чтобы определить, окончено ли осаждение, берут
пробу фильтрата и испытывают ее на содержание сурьмы. Если фильтрат не содер-
жит более сурьмы, дают осадку осесть, сливают раствор и промывают декантацией
горячей водой до полного удаления кислоты, отсасывают и испытывают на присут-
ствие винной кислоты (при осаждении из раствора рвотного камня остается неко-
торое количество виннокислой соли); если таковая присутствует, промывают еще-
сначала слабым раствором поташа, а затем чистой водой. Отсосанный осадок пе-
реносят на пористую пластинку (например, на неглазурованную фарфоровую таре-
лочку) и сушат при обыкновенной температуре на воздухе или в вакуум-
эксикаторе . Когда высушивание хотят ускорить, отсосанный осадок сначала про-
мывают спиртом, спирт вытесняют эфиром и, наконец, дают эфиру свободно испа-
ряться, оставляя вещество на воздухе. Высушивания при нагревании следует из-
бегать, потому что как только препарат высохнет, он сейчас же начинает окра-
шиваться в темный цвет. При правильном приготовлении сухой препарат представ-
ляет собою сухой порошок, окрашенный в красивый оранжевый цвет; он более ре-
акционноспособен, чей кристаллическая форма. При продолжительном кипячении с
водой он превращается частично в трехокись. Выход 80—90%.
Чтобы получить сурьмянистую киноварь, по Strohlfio поступают следующим обра-
зом. Растворяют 5 вес. ч. треххлористой сурьмы в 25 г воды. К этому раствору
прибавляют раствор 6 г серноватисто-кислого натрия (Na2S203'5H20) в 25 см3
воды. Смесь нагревают до кипения, выпадает сурьмянистая киноварь:
2SbCl3 + 9Na2S203 = Sb2S8 + 3Na2S406 + 3Na2S03 + 6NaCl.
Цвет этого препарата походит на цвет возогнанной киновари. Осадок промывают
сначала разбавленной НС1 для удаления примеси хлорокиси; затем следует обыч-
ное промывание водой и, наконец, высушивание при 100 С. Иногда препарат со-
держит еще серу, почему его после высушивания экстрагируют CS2.
Треххлористая
сурьма SbCl3
SbCl3 получают при взаимодействии сурьмы и хлора, при разложении сернистой
сурьмы НС1, а также при растворении SbCl3 в НС1. Препарат очищают посредством
дестилляции и возхювки.
Из сернистой сурьмы
Чаще всего применяют природную сернистую сурьму (сурьмяной блеск, антимо-
нит) . Ее растирают в возможно тонкий порошок, после этого отмучивают и, нако-
нец, нагревают с конц. соляной кислотой:
Sb2S3 + 6HC1 = 2SbCl3.
На 1 г Sb2S3, по теории, необходимы 0,64 г НС1, получается 1,34 г SbCl3. 100
г порошкообразного сурьмяного блеска обливают в большой чашке 500 см3 техни-
ческой НС1 с уд. весом = 1,15 (29,57% НС1 в случае чистой кислоты). Происхо-
дит вспенивание, и выделяется сероводород. Когда выделение H2S прекратится,
нагревают и прибавляют на кончике ножа хлорновато-кислого калия или несколько
см3 27—28%-ной HN03. Время от времени выделяющиеся пары испытывают на содер-
жание H2S при помощи свинцовой бумажки. Если появляется бурое окрашивание,
прибавляют приблизительно 20 см3 технической НС1; если после этого не проис-
ходит более выделения H2S, реакцию можно считать оконченной. При нагревании
никогда не должно происходить продолжительного кипения. Осадку дают осесть и
сливают раствор через фильтр из стеклянной ваты в выпаривательную чашку, ко-
торую ставят на паровую или водяную баню. Осадок также переносят на фильтр;
обыкновенно фильтрат приходится профильтровывать через один и тот же фильтр
несколько раз, прежде чем он сделается прозрачным. После этого прибавляют
фильтрат к главной массе вещества, находящейся в чашке, и выпаривают до мас-
лянистого состояния; испаряется вода и хлористый водород. Иногда при выпари-
вании выпадают белые кристаллики РЬС12; в этом случае после охлаждения следу-
ет еще раз профильтровать. В противном случае, следует сейчас же горячий си-
ропообразный раствор перелить в реторту, которая должна быть наполнена самое
большее на половину. Целесообразно бросить в жидкость несколько кусочков
стекла (капилляры или бусы), чтобы при нагревании не было сильных толчков.
Реторту соединяют с коротким холодильником, который соединяют с приемником.
Нагревают медленно и равномерно. Сначала перегоняется только соляная кислота,
а затем небольшими количествами треххлористая сурьма. Когда температура под-
нимется до 120—180 С и содержимое реторты сильно убавится, жидкость перелива-
ют в ректификационную колбу соответствующей величины со вставленным термомет-
ром и соединяют ее посредством тонкостенной, не очень длинной трубки с прием-
ником. Если во время дистилляции температура поднимется до 215—220 С, это бу-
дет указывать на то, что остаток состоит из хлористой сурьмы, и во многих
случаях им пользуются без дальнейшей очистки; при охлаждении он застывает в
похожую на масло, мягкую, белую, кристаллическую массу. Выход приблизительно
80%. О дальнейшей очистке (см. ниже). Соляно-кислый дистиллят с того момента,
как он будет давать при разбавлении водой реакцию гидролиза, собирают от-
дельно; по окончании работы из него осаждают водой хлорокись сурьмы.
Вместо сурьмяного блеска для работы можно взять чистую осажденную сернистую
сурьму (серую или красную); препарат получается более чистый и выход лучше. В
этом случае берут двойное, по сравнению с теоретическим, количество чистой
НС1, не слабее 25%.
Из сурьмы. Способ Генсгена
Трубку приблизительно 15 мм ширины и 60—70 см длины (тонкостенную, она мо-
жет и не быть тугоплавкой) вытягивают на одном конце так, чтобы получить
трубку приблизительно 8 мм в просвете. Этот конец сгибают под углом приблизи-
тельно 135°, делают в узком месте рыхлую пробку из стеклянной ваты и насыпают
в широкую трубку, по крайней мере, до половины ее длины, кусочки сурьмы вели-
чиной с боб. Узкий конец трубки соединяют при помощи пробки герметично с гор-
лом перегонной колбы, объемом на 500 см3. Через вводную трубку колбы вводят
хлор. Хлор сейчас же реагирует с сурьмой; при этом выделяется такое количест-
во тепла, что получающаяся треххлористая сурьма плавится и стекает по каплям
в колбу. Часть треххлористои сурьмы превращается при действии избытка хлора в
жидкую пятихлористую сурьму. Ток хлора регулируют таким образом, чтобы из ши-
рокой трубки не выделялось свободного хлора. Когда сурьмы остается уже немно-
го, работу прерывают, убирают трубку и бросают в колбу кусочек сурьмы, при
чем, в случае необходимости, содержимое колбы поддерживают посредством слабо-
го нагревания в жидком состоянии; через некоторое время прибавляют на кончике
ножа еще порошок сурьмы, но делают это осторожно, потому что иногда происхо-
дит воспламенение и сильное разогревание. Повторным прибавлением сурьмы дос-
тигается двоякая цель: 1) восстанавливается пятихлористая сурьма:
3SbCl5 + 2Sb = 5SbCl3
и 2) хлорное железо превращается в нелетучую хлористую соль:
3FeCl3 + Sb = SbCl3 + 3FeCl2.
Когда реакция закончится, колбу закрывают пробкой с термометром и перегоня-
ют, как описано в способе ниже. Выход 90—95%.
Дистилляция и дальнейшая очистка
Перегонную колбу, снабженную термометром, в которой находится треххлористая
сурьма, соединяют или с умеренно длинной тонкостенной трубкой и приемником,
или непосредственно с приемником, конечно не герметично. Если к треххлористои
сурьме не была еще прибавлена сурьма для восстановления FeCl3, это может быть
сделано теперь. Можно также производить фракционированную перегонку: в первой
фракции находится, обыкновенно почти все присутствовавшее хлорное железо. Пе-
регонка происходит при 216—233 С, поэтому колбу лучше всего поставить на воз-
душную баню (например, из асбестового картона), чтобы легче достигнуть желае-
мой температуры, и чтобы нагревание колбы производилось равномерно. SbCl3,
застывающую уже в отводной трубке и в трубке холодильника, расплавляют, осто-
рожно нагревая так, чтобы она стекала в приемник. Когда хотят получить SbCl3
в виде хорошо образованных кристаллов, перегонку производят из дистилляцион-
ной колбы объемом на 0,5—1 л, следя за тем, чтобы половина колбы оставалась
совершенно свободной от SbCl3. Колбу эту помещают на кольцо водяной бани та-
ким образом, чтобы горло ее было косо направлено вниз, а свободная часть кол-
бы вверх. Горло колбы соединяют герметично с небольшим приемником, отводную
трубку соединяют также герметично с хлоркальциевой трубкой, чтобы воздух, по-
падающий в колбу, был совершенно сухой. Верхнюю часть колбы охлаждают, проще
всего, положив на нее влажный лоскуток (например, фильтровальной бумаги), ко-
торый часто смачивают холодной водой. Нагревают водяную баню до кипения так,
чтобы пар охватывал нижнюю часть колбы, в которой находится SbCl3. Происходит
медленная возгонка хлористой сурьмы, и в верхней холодной части колбы осажда-
ются красивые бесцветные или белые иглы SbCl3, в то время как менее летучие
примеси остаются в осадке. Иногда пары выделяются из колбы и сгущаются в при-
емнике. По окончании возгонки дают охладиться, убирают осторожно приемник и
хлоркальциевую трубку, вынимают колбу из водяной бани, сушат ее и высыпают,
осторожно постукивая, кристаллы через горло в баночку. Возгонка вообще гово-
ря, может быть прервана во всякое время и затем снова продолжена; во время
перерыва следует присоединять хлоркальциевую трубку.
SbCl3 очищают, перекристаллизовывая ее из CS2.
Свойства треххлористой сурьмы
Бесцветные, большею частью игловидные, ромбические кристаллы, слабо дымящие
во влажном воздухе. Температура плавления 72—73,8 С, температура кипения 216—
233 С. Расплывается во влажном воздухе и обугливает многие органические веще-
ства, при чем окрашивается в красноватый, буроватый и, наконец, в черный
цвет. Действует на кожу разъедающе. 1 вес. ч. SbCl3 растворяется в 0,08—0,12
вес. ч. воды; при большем количестве воды происходит гидролиз и получается
хлорокись сурьмы. В растворе винной кислоты и в соляной кислоте легко раство-
ряется; растворяется в горячем спирте, в горячем сероуглероде (при этом полу-
чается как будто некоторое количество хлористой серы), в хлороформе и ацето-
не.
Пятиокись
сурьмы Sb205
Сурьму, растертую в возможно тонкий порошок (например, так называемую сурь-
мяную чернь, представляющую осажденную сурьму) нагревают с конц. HN03 до тех
пор, пока новое прибавление HN03 уже не будет вызывать реакции
Sb + 5HNO3 = Н20 + 5NO2 + H3Sb04 (ортосурьмяная кислота) .
Жидкость выпаривают на водяной бане досуха, приливают еще HN03 и снова вы-
паривают. После этого нагревают на песчаной бане при 275 С до разложения ки-
слоты :
2H3Sb04 = 3H20 + Sb205.
Если сурьма для работы была взята нечистая, то, конечно, и полученная из
нее Sb205 будет также содержать примеси. Поэтому лучше приготовить из сурьмы
SbCl5, влить ее в 20—25-кратное весовое количество холодной воды, и осадок,
после того как он осядет, отфильтровать и промыть. Но, так как, вообще гово-
ря, соль легко переходит, когда будет отмыта вся соляная кислота, в коллоид-
ный раствор, промывание не следует доводить до конца. Осадок (сурьмяную ки-
слоту) сушат и обезвоживают сначала в сушильном шкафу, а затем на песчаной
бане при 275 С. Работу можно считать оконченной, когда будет достигнут посто-
янный вес (Vaniho).
Бледно-желтый порошок во влажном состоянии окрашивает синий лакмус в крас-
ный цвет. Растворяется в конц. НС1. Не плавится, но, начиная с 300 С, разла-
гается :
Sb205 = Sb204 + 0;
с большой скоростью эта реакция идет только при 800 С.
Пятисернистая
сурьма Sb2S5
Готовят раствор сульфосурьмянокислого натрия (соль Schlippe) и разлагают
его кислотой.
Когда исходят из соли Schlippe, ее растворяют в четверном по весу количест-
ве воды при обыкновенной температуре и, если это необходимо, фильтруют.
Фильтрат разбавляют таким количеством воды, чтобы получился 3—6%-ный раствор.
Разбавляют и раствор, который готовят из сернистой сурьмы. Затем раствор соли
сульфосурьмяной кислоты вливают в 4—5%-ную серную кислоту, находящуюся в за-
крывающейся склянке; серной кислоты берут на 20—25 % больше, чем следует по
теории:
2(Na3SbS49H20) + 3H2S04 = Sb2S5 + 3Na2S04 + 3H2S + 18H20.
Во время разложения следует охлаждать. Когда выделение H2S будет окончено,
закрывают склянку и оставляют ее стоять в темноте. Затем сливают или отделяют
при помощи сифона отстоявшуюся жидкость и промывают Sb2S5 холодной водой по-
средством декантации до удаления серной кислоты и сернокислой соли (для этой
цели можно применить 1%-ный раствор соды, которую затем следует отмыть во-
дой) . Промытый осадок отсасывают и сушат между листами фильтровальной бумаги
или в эксикаторе без доступа света. Высшая допускаемая температура 50 С. Оса-
док, растертый в порошок, должен быть окрашен в огненно-красный цвет; некото-
рое количество присутствующей серы удаляют сероуглеродом. Выход 90—95%.
В последнее время неоднократно указывалось на то, что пятисернистая сурьма,
приготовленная вышеописанным способом, в действительности представляет собою
Sb2S4 или смесь Sb2S3 + Sb2S5 или Sb4S7. Kirchhof различает оранжевую Sb2S4 или
Sb4S7 и темную карминово-красную Sb2S3 (сурьмяная киноварь) . Чистая золотая
сера, по данным этого автора, представляет собою Sb111 (SbvS4) , т. е. сурьмяную
соль сульфосурьмяной кислоты и получается по уравнению
2Na3SbS4 + 6HC1 = 6NaCl + 3H2S + (Sb2S4 + S) ;
получающаяся смесь (Sb2S4 + S) содержит 8% S и имеет в среднем формулу
Sb2S5. Если при разложении натриевой соли сульфосурьмяной кислоты соляной ки-
слотой получается сурьмяная кислота, она восстанавливается выделяющимся серо-
водородом так, что в осадке будет Sb2S3. Золотая сера, почти не содержащая
свободной серы, получается при реакции
Na3SbS4 + SbCl3 = 3NaCl + Sb2S4
Свойства
Оранжево-красный порошок; более крупные куски окрашены в буровато-красный
цвет. Имеет слабый запах, сладкий вкус. Во влажном состоянии, особенно на
воздухе, неустойчива и изменяется уже при обыкновенной температуре. При 100—
110 С теряет всю воду, при чем на воздухе происходит частичное окисление; на-
чиная со 120 С, отщепляется сера. Изменяется при действии света. При 170 С
получается черно-серая, содержащая серу, трехсернистая сурьма.
Натриевая соль
сульфосурьмяной
кислоты
(соль Schlippe)
Na3SbS49H20
Эта соль была получена впервые Schlippe в 1821 г. (сухим способом). Он
сплавлял сурьмяный блеск с Na2S04 и углем, обрабатывал сплавленное вещество
водой и кипятил водную вытяжку с серой (молекулярные количества были прибли-
зительно: 5Sb2S3 + 24Na2S04 + 70C + 13S) .
Затем эта соль была получена Mitscherlichfот (1840) мокрым способом. Он ки-
пятил сурьмяный блеск с раствором соды, избытком извести и серы (количества:
10Sb2S3 + 21Na2C03 + 44CaO + 19S) . Liebig работал по тому же способу, и он
брал другие количественные соотношения (2Sb2S3 + 3Na2C03 +6CaO + 2S) .
В настоящее время, когда требуется получить соль, вместо ЫагСОз + СаО берут
едкий натр. Количества реактивов берутся при этом следующие: на 100 г Sb2S3
берут 18—19 г S + 46—125 г NaOH. По уравнению реакции:
4Sb2S3 + 8S + 18NaOH = 5Na3SbS4 + 3NaSb03 + 9H20
надо было бы взять: 100 вес. ч. Sb2S3 + 18,9 вес. ч. S + 53 вес. ч. NaOH =
177 вес. ч. (Na3SbS4'9H20) . Если NaOH берется больше, чем это необходимо для
образования соли, избыток его не входит в реакцию и делает раствор сильно ще-
лочным, но щелочная реакция благоприятна для увеличения устойчивости соли по
отношению к С02 воздуха. Большого избытка, тем не менее, следует избегать,
потому что он затрудняет кристаллизацию сульфосурьмяной соли.
Сухим способом, а)
Тщательно смешивают 8 вес. ч. безводного Na2S04 с 3 вес. ч. порошка древес-
ного угля и сплавляют смесь в гессенском тигле до спокойного плавления. Гото-
вят затем смесь из 6 ч. растертой в тонкий порошок трехсернистой сурьмы
(сурьмяного блеска) и 1,2 ч. серного цвета и вносят эту смесь в вплавляемое
вещество, мешая предварительно нагретой стеклянной палочкой. Затем снова за-
крывают тигель и нагревают до тех пор, пока будет достигнуто спокойное плав-
ление, и серый цвет сернистой сурьмы будет незаметен. Следует избегать пере-
гревания. По окончании плавления тиглю дают немного остыть и выливают его со-
держимое на каменную пластинку или на лист железа. Когда вещество остынет,
его разбивают на куски величиною с боб. Эти куски кипятят с 10-кратным по ве-
су количеством воды.
Сухим способом, Ь)
Сплавляют смесь из 100 г сернистой сурьмы, 94—95 г кальцинированной соды и
62 г серы в закрытом тигле при умеренном нагревании до спокойного плавления.
Когда исчезнет серый цвет Sb2S3, выливают содержимое тигля и дальше поступа-
ют, как и в способе а).
В обоих случаях полученный раствор оставляют отстояться и потом фильтруют.
Осадок промывают не слишком большим количеством горячей воды. Если раствор не
закристаллизовывается, его концентрируют. Если при этом выпадает красно-бурый
осадок Sb2S5, прибавляют некоторое количество разбавленного раствора NaOH. С
кристаллов, которые выпадают при охлаждении, дают стечь раствору; преципитат
отсасывают. Промывают небольшим количеством 9—10%-ного раствора NaOH, затем
спиртом и сушат при обыкновенной температуре; преципитат отжимают между лис-
тами фильтровальной бумаги. Из маточного раствора при дальнейшем его концен-
трировании получают еще кристаллы; рекомендуется подействовать на них перед
выпариванием некоторым количеством NaOH, чтобы ослабить разлагающее действие
С02 воздуха. Остающийся по окончании работы маточный раствор разлагают, чтобы
получить золотую серу.
Мокрый способ, а)
По Rust1 у, растворяют 27 г кристаллической соды в 136 см3 воды и гасят 9 г
извести 27 см3 воды. Гашеную известь и раствор соды смешивают, прибавляют к
смеси 18 г растертой в тонкий порошок сернистой сурьмы и 3 г серного цвета и
нагревают до кипения при помешивании. Кипятят до тех пор, пока серый цвет
жидкости изменится в желто-красный. Испаряющуюся воду добавляют. По окончании
реакции фильтруют и кипятят осадок еще раз с 60 см3 воды; отстоявшуюся жид-
кость сливают через фильтр. С фильтратом работают дальше, как описано было
при сухом способе.
Мокрый способ, b)
Смешивают 100 г сернистой сурьмы с 19 г серного цвета; затем растворяют 60—
70 г едкого натра в четверном по весу количестве воды. Сернистая сурьма долж-
на быть растерта в тонкий порошок; если для работы был взят сурьмяный блеск,
его очень тщательно растирают в тонкий порошок, затем отмучивают и берут
только легко отмучиваемые частички. Им дают осесть, воду сливают возможно
полнее и сушат осадок на паровой бане. Раствор едкого натра нагревают в чашке
до кипения и затем вносят в него постепенно при помешивании и не прекращая
кипячения смесь из сернистой сурьмы и серы. Когда жидкость сделается красно-
бурой, ее фильтруют, лучше всего через стеклянную вату, так как щелочная жид-
кость разъедает фильтровальную бумагу. Осадок промывают декантированием при-
близительно 250 см3 кипящей воды; он должен быть серого цвета; фильтрат дол-
жен быть совершенно прозрачным. При охлаждении происходит обильное выделение
кристаллов. Из маточного раствора, посредством его концентрирования, получают
еще некоторое количество соли Schlippe. Дальнейшая работа с кристаллами или с
преципитатом, если таковой будет получен, уже была описана. Выход 160—170 г.
Свойства
Натриевая соль сульфосурьмявой кислоты образует светло-желтые тетраэдры,
которые во влажном, содержащем С02, воздухе, покрываются красно-бурой пяти-
сернистой сурьмой. Поэтому хорошо образованные кристаллы быстро высушивают
фильтровальной бумагой и оставляют их сохнуть до конца в эксикаторе над едким
натром или известью. Сохранять кристаллы лучше всего в запаянной стеклянной
трубке или в спиртовом растворе едкого натра; кристаллы прозрачны. Соль рас-
творяется при 0 С в 4 вес. ч., при 15 С — в 2,9 вес. ч. и при температуре ки-
пения — в 1 вес. ч. воды; в спирте она не растворяется. На воздухе выветрива-
ется, при нагревании в токе водорода может быть получена в безводной состоя-
нии; при этом происходит плавление в кристаллизационной воде. Щелочные рас-
творы довольно устойчивы на воздухе.
Калийная соль
сурьмяной кислоты
Препарат, применяемый в качестве реактива на натрий, должен иметь формулу
K2H2Sb207 с 6, 4 или ЗН20. Среднее значение кажется наиболее верным. Продажная
соль представляет собою Ksb03'xH20; с водой она переходит в соль пиросурьмяной
кислоты:
2KSb03 + Н20 = K2H2Sb207. .
Способ Fremy
Сурьму растирают в порошок и просеивают через самое тонкое проволочное си-
то ; для работы берется только та часть, которая проходит через сито. Порошок
сурьмы смешивают с четырехкратным по весу количеством калийной селитры, всы-
пают смесь в гессенский тигель, который должен быть ею наполнен только на 3/4
объема. Тигель нагревают в течение часа до светло-красного каления. Вещество
делается вязким и не может вылиться. Поэтому ему дают застыть в тигле и раз-
мягчают потом водой. Осадок промывают сначала декантацией, а затем на фильтре
холодной водой до тех пор, пока фильтрат не перестанет давать реакцию на KN03
и KNO2. Чтобы сделать пробу, около 2 см3 фильтрата наливают в пробирку, под-
кисляют разбавленной H2S04, отфильтровывают выпадающей обычно белый осадок
(сурьмяную кислоту) и испытывают фильтрат на HN03. Промытый осадок помещают в
колбу, соединенную о обратным холодильником, и кипятят приблизительно со 150
— 180-кратным весовым количеством воды до тех пор, пока все почти растворит-
ся. После этого фильтруют; фильтрат большею частью слабо опалеспирует и может
быть непосредственно применен как реактив на натрий. Когда хотят получить
твердый сурьмяно-кислый калий, к фильтрату прибавляют КОН до сильно щелочной
реакции и концентрируют до тех пор, пока пробная капля, взятая из чашки и по-
мещенная на холодную стеклянную пластинку, будет застывать в кристаллическую
массу. Дают охладиться и получают кристаллическое вещество, которое отжимают
на неглазурованной тарелке. Когда вещество сделается почти сухим, его промы-
вают холодной водой до удаления щелочи и затем сушат при температуре ниже 100
С. При продолжительном промывании холодной водой всегда растворяется значи-
тельное количество соли и выход получается плохой (40—60% теоретического).
В качестве очень проблематичного уравнения этой реакции можно принять сле-
дующее :
4Sb + 19KN03 = 11KN02 + 8N02 + 50 + 2K4Sb207;
K4Sb207 + 2Н20 = 2K0H + K2H2Sb207
Способ Раммельсберга (Rammelsberg)
Поступают, как в способе выше, но на 1 вес. часть сурьмы берут 6 вес. ч.
хлорновато-кислого калия. Промывание холодной водой в этом случае продолжают
до тех пор, пока раствор не будет более давать реакцию на хлор. Выход получа-
ется несколько лучше, чем в способе выше. Возможное уравнение реакции следую-
щее:
2Sb + 12КС103 = 8КС1 + 2С12 + 290 + K4Sb207 и т. д.
Способ Schou
Кипятят в продолжение получаса 3 вес. ч. сурьмяного блеска с раствором 3
вес. ч. КОН в 50 вес. ч. воды и 4 вес. ч. окиси меди, фильтруют и фильтрат
сильно концентрируют. После охлаждения к концентрированному раствору прибав-
ляют равный объем спирта, который осаждает сурьмяно-кислый калий. Осадок про-
мывают на фильтре небольшим количеством 50%-ного спирта (во время реакции вы-
падает сернистая медь). Простейшим уравнением, которое, правда, не соответст-
вует применяемым количествам (приблизительно Sb2S3 + 5,6CuO + 6K0H) , будет
следующее:
Sb2S3 + 6CuO + 4K0H = 2Cu2S + CuS + 2H20 + K4Sb207
Свойства
Белый зернистый порошок. Соль с 6Н20 растворяется на холоду в 250 ч. воды,
а при температуре кипения, в 90 ч. воды. 100 г воды при 20 С растворяют 2,81
г безводной соли. При действии раствора на раствор поваренной соли сейчас же
выпадает осадок; при действии на раствор нашатыря, осадка не получается. Если
испарять раствор, насыщенный при нагревании, получается KSb03'xH20; раствор
этой соли осаждает соли аммония.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Электроника
РЕКВИЕМ ПО РАДИОЛАМПАМ
Мир радиоламп стремительно уходит, уступая микросхемам и транзисторам. Ос-
ваивая конструирование электронных систем, вы можете оставить за бортом эти,
некогда очень широко распространенные устройства.
Оказывается, несмотря на колоссальный прогресс в полупроводниковых техноло-
гиях, до сих пор можно встретить работающие устройства с радиолампами. В наше
время радиолампы применяются в аудиоаппаратуре, в военной и авиационной тех-
нике, в науке, в радиолюбительских конструкциях, в старой, но все еще рабо-
тающей медицинской технике.
Радиолампы применяются вместо микросхем и транзисторов в усилителях низкой
частоты (УНЧ) и микрофонах высочайшего класса. Аудиофилы ценят теплый и «лам-
повый» звук, а также завораживающий вид светящихся радиоламп (рис. 1).
Рис. 1. Усилитель низкой частоты на радиолампах.
В военной и авиационной области радиолампы ценят за высокую устойчивость к
электромагнитным импульсам. Эти устройства могут сохранить работоспособность
даже в условиях ядерного взрыва (не в эпицентре, конечно, но на расстоянии
точно — там, где транзисторы не справятся).
Многие военные радиостанции, разработанные еще в СССР, были созданы с при-
менением так называемых стержневых радиоламп, отличающихся надёжностью и
очень малыми размерами. На рис. 2 показаны малогабаритные лампы — одна из них
стержневая.
Рис. 2. Малогабаритные радиолампы, в том числе стержневая (вто-
рая справа).
Без радиоламп не обходится и наука. До сих пор у радиолюбителей или в неко-
торых лабораториях можно встретить осциллографы с электронно-лучевыми трубка-
ми. Технологии вакуумных ламп используются, например, в спектрометрах и фото-
электронных умножителях (ФЭУ), способных регистрировать отдельные фотоны, в
видиконах (рис. 3).
Рис. 3. Фотоэлектронные умножители и видикон.
Радиолампы и связанные с ними технологии применяются и в ускорителях заря-
женных частиц — это клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны. Здесь на
первый план выходят способность этих устройств генерировать очень высокие
мощности, а также устойчивость к радиации.
Что касается медицинского применения, то можно упомянуть, например, рентге-
новские трубки.
Наверное, почти каждый из вас имел дело с магнетронами, разогревая продукты
в микроволновке.
Разбирая старые ламповые телевизоры и радиоприемники, вы можете извлечь из
них так называемые пальчиковые радиолампы (рис. 4).
Рис. 4. Пальчиковые лампы из старого телевизора.
Практически для всех радиоламп, кроме стержневых, нужны специальные панель-
ки. Как пример, на рис. 5 показаны керамические 9-контактные панельки для ра-
диоламп .
Рис. 5. Керамические 9-контактные панельки для пальчиковых радиоламп.
Просматривая каталоги интернет-магазинов и прилавки радиорынков, вы можете
увидеть довольно мощные радиолампы, предназначенные для стабилизации напряже-
ния , для выходных каскадов мощных усилителей и радиопередатчиков. На рис. 6
показаны примеры таких ламп, причем еще не самых мощных, и стабилитрон.
Рис. 6. Мощные радиолампы и стабилитрон (первый слева).
Если разобраться с радиолампами, то можно собрать на мощных лампах, напри-
мер, генератор Тесла, передатчики и другие подобные устройства.
Приобретая бывшие в употреблении радиолампы, следует учитывать одно важное
обстоятельство.
Дело в том, что срок службы радиоламп ограничен и может составлять, напри-
мер, всего 1000 часов. Если вы покупаете лампу, бывшую в употреблении или
хранившуюся много лет, то ее параметры могут деградировать. Но бывает и так,
что радиолампы остаются вполне исправными и после многолетнего хранения.
Внутри колбы исправной радиолампы должен быть вакуум. Если в колбе появи-
лись микротрещины, и туда попал воздух, лампа выйдет из строя. Для проверки
убедитесь, что на стекле есть характерный зеркальный слой специального веще-
ства (геттера) на основе бария. Если этот слой потемнел, стал тусклым или во-
обще исчез, это означает что герметичность баллона была нарушена. В результа-
те окисления кислородом воздуха геттер исчезнет, а для вас это будет озна-
чать , что лампу можно выбрасывать.
Эволюция в мире
электронных ламп
Электронные лампы развивались не один десяток лет. Вначале появились так
называемые диоды, потом триоды, за ними тетроды и, наконец, пентоды. Прежде
чем мы приступим к экспериментам, расскажу о том, как устроен и как работает
вакуумный диод и триод. А также о том, что такое тетрод и пентод.
Итак, как устроен и как работает вакуумный диод. Схематично устройство дио-
да показано на рис. 7.
Рис. 7. Устройство диода.
Диоды, как и многие другие радиолампы, чем-то напоминают матрешку. Снаружи
находится стеклянная или металлическая колба, внутри которой поддерживается
вакуум. На внутреннюю поверхность колбы нанесен слой геттера — специального
вещества на основе бария. По внешнему виду геттера можно судить о наличии ва-
куума внутри колбы (если, конечно, колба стеклянная, а не металлическая).
Внутри колбы можно видеть цилиндрический анод, притягивающий электроны. Эти
электроны вылетают из катода — еще одного цилиндра, покрытого специальным ве-
ществом .
И, наконец, в самой середине матрешки находится нить накала. Она подогрева-
ет катод, в результате чего из него вылетают отрицательно заряженные электро-
ны. Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, то
электроны будут притягиваться анодом и в результате через диод потечет ток
(рис. 8).
Нить накаливания
\/^
*6.3В
Катод
4j
1 i
- 0— 1
0 —
0 —
Л
[ Анод j
\/\ G\
\ КУ
+
_
120 В
Рис. 8. Схема работы диода.
Если же на анод подать отрицательное напряжение, он будет толкать электроны
обратно к катоду, и ток через диод не пойдет.
Вакуумный диод можно использовать для выпрямления переменного тока, в каче-
стве детектора амплитудно-модулированного сигнала и в других аналогичных при-
менениях, где сейчас используют полупроводниковые диоды.
Обычно нити накаливания питаются переменным током, но с целью снижения на-
водок иногда применяют и постоянный.
Металл представляет собой кристаллическую решетку из ионов, между узлами
которой бродят свободные электроны. Они, однако, не могут самостоятельно по-
кинуть эту решетку, так как притягиваются положительно заряженными ионами ме-
талла .
Но если нагреть металл (например, металл из которого сделан катод вакуумной
лампы) до определенной температуры, то некоторые электроны разгоняются до
очень высокой скорости. В результате они могут вылететь за пределы решетки
наружу, как космический корабль, разогнанный до второй космической скорости
(11,2 км/с), вылетает за пределы области притяжения Земли.
Таким образом, вокруг катода, подогретого нитью накаливания, возникает об-
лако отрицательно заряженных электронов. Процесс выброса электронов с поверх-
ности металла называется термоэлектронной эмиссией.
Чтобы облегчить выход электронов, или, как говорят, уменьшить работу выхо-
да, на поверхность катода наносят специальное покрытие, например, из оксида
бария или стронция.
Сегодня полупроводниковые диоды уже практически везде вытеснили вакуумные.
Однако если речь идет о выпрямлении тока напряжением порядка десятков кило-
вольт при токах в десятки килоампер, то здесь до сих пор используются так на-
зываемые ртутные выпрямители (рис. 9) и мощные тиратроны с водородным напол-
нением .
Рис. 9. Ртутный выпрямитель.
Такие напряжения и токи встречаются в мощных выпрямительных устройствах,
электроприводах, электросварочных устройствах, тяговых и выпрямительных под-
станциях .
Обычный вакуумный диод может лишь выпрямлять переменный ток. Добавим в нашу
матрешку между катодом и анодом сетку, и в результате получим так называемый
триод (рис. 10), на базе которого можно делать усилители и генераторы.
Рис. 10. Устройство триода.
Схема работы триода представлена на рис. 11.
120 В
Рис. 11. Схема работы триода.
Здесь на пути от катода к аноду электроны должны преодолеть сетку, которая
может помогать или мешать движению электронов.
Если подать на сетку положительное напряжение относительно катода, она бу-
дет пропускать электроны к аноду и перехватывать определенное количество
электронов, снижая анодный ток. Такой перехват нежелателен для эффективной
работы лампы, поэтому в рабочих режимах на сетку подается небольшое отрица-
тельное напряжение относительно катода.
Изменяя величину напряжения на сетке, можно управлять силой анодного тока,
поэтому сетка называется управляющей. Отрицательное напряжение на управляющей
сетке будет препятствовать движению электронов, в результате чего анодный ток
будет уменьшаться.
Важно, что небольшие изменения напряжения на сетке вызовут значительное из-
менение анодного тока. Поэтому триоды могут использоваться для усиления элек-
трического сигнала.
Когда триоды попытались использовать для усиления сигналов высокой частоты,
проявился так называемый эффект Миллера, связанный с емкостью между управляю-
щей сеткой и анодом. На низких частотах эта емкость никак себя не проявляет,
а на высоких может вызывать фазовые сдвиги, уменьшение усиления, а также са-
мовозбуждение лампы.
Для ослабления эффекта Миллера в лампу между управляющей сеткой добавляется
еще одна экранирующая сетка. Так в 1919 году появился тетрод — лампа с двумя
сетками.
Оказалось, что в тетродах наблюдается так называемый динатронный эффект.
Если на анод тетрода подано высокое напряжение, то электроны, достигающие
анода, выбивают из него вторичные электроны.
Вторичные электроны притягиваются к экранной сетке, и в результате анодный
ток снижается. Анодный ток падает, если напряжение на экранной сетке выше,
чем на аноде. Эффект падения тока при повышении анодного напряжения выглядит
как отрицательное сопротивление на характеристике.
Для решения проблемы динатроннохю эффекта была добавлена еще одна, подав-
ляющая, сетка. Она блокирует вторичные электроны и не дает им попадать на эк-
ранную сетку. В результате вторичные электроны снова попадают на анод.
Лампу с экранирующей и подавляющей сеткой называли пентодом. Пентод работа-
ет стабильнее тетрода и по сравнению с ним обладает улучшенными характеристи-
ками, в том числе, повышенным коэффициентом усиления.
Несмотря на преимущества пентода, в некоторых случаях все же используют
тетроды. Если разрабатывается низкочастотная аппаратура, которая должна быть
недорогой и простой, и если нужна высокая выходная мощность на низких часто-
тах, то можно применить тетроды.
На рис. 12 показано обозначение диода, триода, тетрода и пентода на принци-
пиальных схемах.
Диод Триод Тетрод Пентод
Рис. 12. Обозначение радиоламп разного типа на принципиальных схемах.
Чтобы определить возможные рабочие напряжения триода и его коэффициент уси-
ления, используются так называемые анодные и анодно-сеточные характеристики.
В качестве подопытного образца мы возьмем двойной триод 6Н17Б-В (рис. 13).
я\
7
s
ч
3
z
1
~4
ft I
у
S
1<*
fa
Ce
SM176-8
V„~6,3B
л
(Л
fty\
Jt
■/л
Ф
:A
"sjr\
Щ
1 ' 1— 1 ■■■ -
6Н17Б-8
ин~б\ъв
Is
He
1.
Щ
M 1
m
M
VI
4J
10
9
a
7
6
0 ¥0 80 П0160 200 280 360 в
Анодные характеристики
S-3,5-3 -2,5-2 -1,5-1 -0,5 О
Анодно-сеточные
характеристики
Рис. 13. Анодные и анодно-сеточные характеристики лампы 6Н17Б-В.
Как видите, анодные характеристики показывают зависимость анодного тока от
напряжения на аноде для разных значений напряжения на сетке. Анодно-сеточные
характеристики показывают анодный ток в зависимости от напряжения на сетке
для разных значений напряжения на аноде.
Соберем схему, пригодную для снятия этих характеристик (рис. 14).
Рис. 14. Схема для снятия характеристик триода.
Здесь в качестве источника анодного напряжения и напряжения накала мы ис-
пользуем лабораторные источники питания. Анодный ток измеряем мультиметром.
Чтобы подавать регулируемое напряжение на сетку, были использованы две ба-
тарейки и реостат из детского конструктора. Сеточное напряжение измеряется
вольтметром из того же конструктора (рис. 15).
Для статьи мы ограничились снятием только одной анодно-сеточной характери-
стики при напряжении на аноде, равным 120 В (рис. 16).
Рис. 15. Схема для снятия анодной и анодно-сеточной характери-
стики триода.
Напряжение на аноде 120 В
16,00
<
3
г
о
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
4,00
>00
-2,00
-1,50
-1,00
0,00
43,50 0,00
0,50 1,00
Напряжение на сетке, В
1,50 2,00 2,50 3,00
Рис. 16. Анодно-сеточная характеристика для лампы 6Н17Б-В.
Как видите, она нелинейна, что вполне соответствует приведенным выше графи-
кам из даташита.
Теперь немного о том, как была подключена лампа 6Н17Б-В.
Мне удалось купить горсть миниатюрных радиоламп и тиратронов на Митинском
радиорынке (рис. 17).
Рис. 17. Миниатюрные радиолампы и тиратроны.
Выбрав из этой кучи нужную лампу двойного триода 6Н17Б-В, мы осторожно рас-
правили ее выводы, защитили термоусадочными трубочками и смонтировали на ос-
новании из плотного картона (рис. 18).
Рис. 18. Монтаж лампы на плотном картоне.
Определенная трудность — сопоставить выводы и их нумерацию. Во многих опи-
саниях упоминается черная метка возле первого вывода, однако на лампе 6Н17Б-В
такой метки нет. Вам, однако, поможет штампованная прямоугольная метка, рас-
положенная между выводами анодов с номерами 1 и 5 (рис. 19).
4 8
Рис. 19. Разводка лампы 6Н17Б-В.
После монтажа лампы на картонное основание мы наклеили возле каждого вывода
метку, содержащую номер вывода и его назначение.
Например, выводы накала обозначены как 4:НК и 8:НК, выводы катода, сетки и
анода первого триода как 6:К1, 7:С1 и 1:А1, соответственно. Для второго трио-
да это 2:К2, 3:С2 и 5:А2. Разумеется, вы можете выбрать любое другое обозна-
чение .
Собираем
ламповый
электроскоп
Давайте соберем на базе лампового триода 6Н17Б-В очень чувствительный элек-
троскоп, способный обнаруживать наэлектризованную об волосы расческу на рас-
стоянии порядка полуметра.
Схема электроскопа очень простая, но для нее нам потребуется микроамперметр
с диапазоном изменения тока порядка 50-100 мкА (рис. 20).
т
Рис. 20. Электроскоп на триоде.
Здесь мы подключили источник анодного напряжения через микроамперметр к
сетке, а не к аноду.
Что же касается анода, то мы подключили к нему провод-антенну небольшой
длины (рис. 21).
Рис. 21. Электроскоп на триоде в сборе.
После включения напряжения накала (6,3 В) и анодного напряжения даже не-
большой величины микроамперметр покажет значение тока порядка десятков микро-
ампер. Чтобы не повредить микроамперметр, увеличивайте анодное напряжение по-
степенно от нуля.
Если поднести к сетке-антенне наэлектризованную расческу, можно наблюдать
уменьшение тока. Отрицательный заряд, попадающий на анод, отталкивает элек-
троны от сетки, в результате чего анодный ток уменьшается.
УНЧ на стержневых лампах
с низковольтным питанием
Обычно если речь идет о ламповых устройствах, то предполагается питание
анодных цепей от высокого напряжения, порядка 150-250 В или даже выше. Одна-
ко можно сделать вполне работоспособные устройства с анодным питанием от ба-
тарей с безопасным напряжением всего 12 В.
Давайте соберем двухламповый усилитель низкой частоты (УНЧ) на стержневых
пентодах 1П24Б, которые легко найти в продаже.
В стержневых радиолампах управление потоком электронов осуществляется не с
помощью сеток, а с помощью электростатических линз, изменяющих фокусировку
электронного потока. Такие лампы очень надежны к ударам и вибрациям. У них
стабильные параметры, они долговечны и устойчивы к радиации. В прошлом эти
лампы широко применялись в военной и космической радиоаппаратуре. В частно-
сти, лампы 1П24Б использовались в выходном каскаде военных и специальных пе-
редатчиков , созданных в СССР.
В макете УНЧ мы будем подавать питание на нить накала с обычной батарейки
формата АА, а на анодные цепи — с лабораторного блока питания. Для более
серьезных применений можно использовать аккумуляторы или собрать специальный
блок питания для конструкций на стержневых лампах1.
На рис. 22 показана принципиальная схема двухкаскадного УНЧ на стержневых
пентодах 1П24Б.
^—*
С1
100 нФ
R1
100 кОм
R3
10 Юм
т
R2
100 кОм
СЗ
100 нФ
R4'
2.2 кОм
I
R5
100кОм
I
С2
ЮмкФ
Сб
100 мкФ
\ Sw2
R6'
2.2 кОм
I
I—I
С4
ЮмкФ
т
Пентоды 1П24Б прямонакальные, поэтому нить накала играет роль катода. Обра-
тите внимание, что напряжение накала подается на соединенные вместе выводы 2
и 4 лампы (катод), а также на вывод 1.
Согласно техническим характеристикам, при таком включении напряжение накала
должно находиться в пределах 1,2 В, а ток накала — 190±20 мА. Вы также можете
подавать напряжение накала 2,4 В между выводами 2 и 4, используя вывод 1 в
качестве катода.
Для того чтобы вывести лампы на рабочий линейный режим, используются катод-
ные резисторы R4 и R6 сопротивлением 2,2 кОм. Мы зашунтировали их электроли-
тическими конденсаторами емкостью 10 мкФ и рабочим напряжением 50 В.
На схеме обозначения резисторов R4 и R6 отмечены звездочкой. Это предпола-
гает изменение номинала резисторов в процессе настройки для установки нужного
режима работы радиолампы.
Управляющие сетки ламп соединены с землей через сопротивления 100 кОм. Вто-
рая сетка подключена к анодному питанию, а третья — заземлена.
Анод первой лампы VI подключен к анодному питанию через резистор 10 кОм,
анод второй лампы V2 — к согласующему трансформатору динамика.
На первую сетку первой лампы VI подается входной сигнал с потенциометра R1.
Первая сетка второй лампы V2 подключена к аноду первой лампы через раздели-
тельный конденсатор СЗ емкостью 0,1-0,5 мкФ.
В качестве разделительных конденсаторов лучше всего использовать такие, ко-
торые выдерживают анодное напряжение и обладают малыми токами утечки. Это
конденсаторы с фторопластовой, полистирольной и полипропиленовой изоляцией.
1 https://www.radiostation.ru/home/PS-lP24B.html
Не рекомендуется использовать разделительные керамические конденсаторы, так
как в диапазоне звуковых частот они могут вносить нелинейные искажения.
Для стержневых ламп не нужны панельки, поэтому мы собрали УНЧ на обычной
макетной плате, не требующей пайки (рис. 23).
Рис. 23. Собранный УНЧ на макетной плате.
Основная сложность при сборке — идентифицировать выводы стержневых ламп.
Первый вывод отмечен черной меткой, далее если повернуть лампу выводами к се-
бе , то нумерация пойдет по часовой стрелке.
Идентификацию лучше всего начинать с выводов нити накаливания. Вывод 1 от-
мечен меткой, следом за ним идет вывод 2 нити накаливания. Вывод 6 нити нака-
ливания расположен диаметрально противоположно относительно вывода 2 (рис.
24) .
mi
|НГ ^ — *—лгп
iHI Выбоды 4, 5,6 обрезаны
Рис. 24. Выводы пентода 1П24Б.
Обратите также внимание, что выводы 3, 9 и 7 расположены по прямой линии.
При этом 9 — это вывод первой сетки, а 7 — вывод третьей сетки. Выводы 4, 5 и
6 могут присутствовать или нет, но в любом случае их не надо никуда подклю-
чать .
<*1
Чтобы избежать короткого замыкания выводов лампы, на них нужно надеть тру-
бочки, например, из материала с термоусадкой.
На рис. 25 показан полностью собранный макет УНЧ с подключенным накальным и
анодным питанием, генератором низкой частоты, осциллографом, выходным транс-
форматором и динамиком.
Рис. 25. Собранный макет УНЧ.
Для запуска УНЧ сначала включите питание накала, а затем подайте анодное
напряжение. В качестве входного сигнала УНЧ, помимо генератора FY6900, мы
пробовали использовать выход небольшого радиоприемника, предназначенный для
наушников.
На выходе генератора FY6900 было установлено выходное напряжение 100 мВ, а
частота изменялась в пределах звукового диапазона.
Перед подключением осциллографа установите делитель в положение 1:10, а
также сделайте вход открытым. Это защитит вход осциллографа от слишком боль-
шого напряжения на анодах, особенно при напряжении питания в несколько десят-
ков вольт.
Работа этого усилителя была испытана при анодном напряжении в диапазоне 12-
60 В. Если вы будете проводить такой эксперимент, можете настроить сопротив-
ление катодных резисторов для достижения максимальной линейности и усиления
при выбранном значении анодного напряжения.
Расчет УНЧ на
двух лампах
Создавая усилитель звуковой частоты на лампах, вы можете либо повторить ка-
кую-либо уже рассчитанную и отлаженную схему, либо сделать собственный рас-
чет.
В результате расчета нужно определить номиналы анодных и катодных сопротив-
лений, емкости переходных и шунтирующих конденсаторов, а также параметры вы-
ходного трансформатора. Правильный расчет позволяет добиться эффективного и
качественного усиления сигнала в заданном диапазоне частот, а также обеспе-
чить долговечность и стабильность работы устройства при изменении напряжения
питания и температуры.
Рассмотрим пример расчета УНЧ, схема которого представлена на рис. 22.
Прежде всего, рассчитаем анодное сопротивление R3 и катодное сопротивление
R4. Для этого нужно выбрать желаемое анодное напряжение и анодный ток лампы
1П24Б при питающем напряжении 12 В. Выбранная рабочая точка должна обеспечи-
вать линейность и максимально возможное усиление сигнала.
Чтобы выбрать рабочую точку, рассмотрим анодные характеристики 1П24Б (рис.
26) .
на
20
16
12
в
1П24-6
\
\
\
i j
1 if \^
i/ш:
Ia
L
--J
^
^1
§s
L^4
^ ч
► ^
r-^
^ ъч
M
^UMI
t-z
YJ66
ш
Ш
Г"""""
206
i^_™
Ш
—
0
20 40
60 60 WO 120 (40 (/q.6
Рис. 26. Анодные характеристики стержневой лампы 1П24Б.
В стандартных режимах рабочую точку выбирают по анодным характеристикам ис-
ходя из анодного напряжения и напряжения на сетке. Выбор делается таким обра-
зом, чтобы попасть на линейный участок характеристики для минимизации искаже-
ний.
Для ламп 1П24Б стандартный режим предполагает величину анодного напряжения
150 В, однако у нас есть только 12 В. Поэтому мы будем использовать нестан-
дартный режим2 и проводить эксперименты.
Если использовать номиналы R3 и R4, показанные на рис. 22, то при напряже-
нии питания 12 В получим следующие значения:
■ напряжение на аноде — 7,25 В;
■ анодный ток —0,6 мА
Заметим, что максимальный ток анода для лампы 1П24Б составляет 18±6 мА и
его не следует превышать, чтобы не сокращать срок службы радиолампы.
Подключим на вход первого каскада генератор FY6900, а к аноду первой лампы
— закрытый вход осциллографа Hantek. Проверим, при каких значениях переменно-
го входного напряжения появятся искажения на выходе, и какой при этом полу-
чится коэффициент усиления первого каскада.
Если подать на вход первого каскада сигнал амплитудой 0,5 В, на выходе по-
лучим 2,5 В без искажений (рис. 27).
Рис. 27. Сигнал на выходе первого каскада без искажений.
Теперь увеличим входное напряжение до 0,9 В, после чего на выходе первого
каскада появятся искажения сигнала (рис. 28).
Если мы используем усилитель, например, для сигнала с выхода радиоприемника
или другого устройства, рассчитанного на головные телефоны, то таких характе-
ристик будет вполне достаточно.
2 http://musicangel.ru/messl38.htm
Рис. 28. Искажения сигнала на выходе первого каскада.
Теперь перейдем ко второму каскаду. Здесь в качестве трансформатора вы мо-
жете использовать выходной трансформатор от лампового приемника или даже се-
тевой трансформатор, понижающий напряжение с 220 В до нескольких вольт. Одна-
ко для эффективной работы второго каскада нужен расчет выходного трансформа-
тора3 .
В нашем случае при анодном напряжении 12 В и токе анода 4 мА второго каска-
да анодное сопротивление будет равно 3 кОм. Исходя из этих данных, а также
сопротивления динамика (мы использовали динамик с сопротивлением 8 Ом) нужно
рассчитать необходимый коэффициент трансформации.
Коэффициент трансформации вычисляется как квадратный корень из отношения
анодного сопротивления и сопротивления звуковой катушки динамика. В нашем
случае получится значение, равное 19.
Вы можете попробовать использовать те трансформаторы, которые у вас есть,
например, после разборки лампового телевизора или радиоприемника.
В одной статье4 описано применение трансформатора ТВЗ-1-9. Также вы можете
попробовать использовать звуковой трансформатор ИП4.730.015 и ТВК-110-Л-2 из
блока кадровой развертки старых ламповых телевизоров.
Утилитарный
ламповый
усилитель
Собран из неспециальных, простых и дешёвых, оказавшихся под рукой, компо-
нентов . В том числе и для использования имевшегося запаса выходных пентодов
6П18П. Оформление прибора наипростейшее, традиционное — на деревянном шасси с
крупными и греющимися элементами поверх, и основным монтажом с мелочью в не-
глубоком подвале. В конструкции, вопреки обычному сверхтрепетному подбору до-
3 http://www.comsoft.ru/index.php?_t8=37
4 https://random2008-12.narod.ru/index/0-5
рогущих именитых элементов, применены старые разношёрстные ёмкости-
индуктивности со свалки — усилитель-сарказм, да. Впрочем, железо для транс-
форматоров взято с запасом, а намотаны они вдумчиво и с тщанием — в целом иг-
рает на удивление хорошо.
R5=R6=R7=R8=10om C5=C7=C9=C11=220MK<fcx350v Дроссели Др 1 иДр2
Все диоды КД226 В,Г С4=С6=С8=С10=1-2мкф 80-100 та 2,5-3,0 Гн
+А первого канала
>
l_L_I± ж? _L_I+
5бГс7Г стоТспГ
IJ L± дм J__l+
TC4~TC5 С8Т"С9Г I
+A второго канала
>
" >
R3=R4=150-200om
11 6,4 v 1.25a
>
ZL
R220-30K
V01 ri { ~[ -смей
№ [^>^-Z] *С2Т Тсз >
Д223А.Б 200-500omJjt1^,^ CU Lr*
Д223А.Б 200-500омЛ^^0мкф
~T+ 50мкф[+ "fl,2-4,7f
7мкф
Рис. 2. Схема принципиальная блока питания (БП) стереоусилителя. На-
пряжения БП не стабилизированы, R5...R8 ограничивают бросок тока при
включении, R3, R4 — т. н. искусственная средняя точка для подавления
фона переменного тока.
> - смещ,36\/
per.
Рис. 3. Схема принципиальная усилительной части одного из кана-
лов . Звезд с неба не хватает, но просто, доступно, повторяемо.
Из особенностей стоит отметить параллельное соединение триодов в
лампе VL1 предварительного каскада — для уменьшения внутреннего
сопротивления, что со сравнительно малой нагрузкой R6 должно от-
части компенсировать искажения каскада выходного. Здесь его ва-
риант с фиксированным смещением. Усилитель не имеет обычной об-
щей отрицательной обратной связи. РВЬ1Х = ^2,2 Вт, при КНИ 0,8...1%,
диапазон частот зависит от применённого выходного трансформатора
и с чуть доработанным ТВЗ 1-9 составляет 35-40...18 000-19 000 Гц
при неравномерности 1,5...2 Дб. Лампа VL2 здесь смело может быть
заменена на 6П18П. Грубая настройка заключается в установке тока
покоя выходного каскада 40...50 мА изменением напряжения смещения
до получения в контрольной точке К.Т. 0,04...0,05 вольт.
В конструкции БП применены два отдельных трансформатора: высокое анодное
удалось набрать соединением обмоток готового фабричного от осциллографа С1-
81, накалы и смещение — перемотанный ТС-80.
Фото 4. Трансформатор разобрал, почистил, смотал все вторичные об-
мотки, посчитав витки, рассчитал число витков на 1 вольт, намотал
нужное число накальных витков с несколькими настроечными отводами
каждая. Исходя из имеющегося диаметра провода сделал отдельный накал
на каждую выходную лампу и общий на две входных. В качестве изоляции
применил малярный скотч и термотрубку, намотка ручная без всяких
приспособлений — провод толстый, витков немного.
Фото 5. Подклеил несколько отслоившихся, потенциально гудящих, пла-
стин сердечника, собрал трансформатор с перемотанными катушками.
Фото 6. Для механического крепления выводов новых вторичных обмоток
пришлось сделать печатную платку с контактными площадками. Закрепил
её на подошве трансформатора, укоротил выводы по месту, распаял,
проверил работоспособность, отмыл места паек от остатков флюса.
Фото 7. Готовый трансформатор тщательно проварил в воскопарафиновои
смеси, а чтобы расплавленный воск не вытек из катушек, выдернул его
из уже остывающей ёмкости. Остатки воска соскрёб деревянной лопаточ-
кой и оплавил строительным феном.
От их исполнения выходных трансформаторов в основном и зависит «качество»
усилителя. Общее правило — меди и стали не жалеть!
Фото 8. Донорами послужили промышленные модули (блоки питания?) с
трансформаторами, габаритами близкими к ТС-80. Вместо предложенного
ТВЗ 1-9, это с запасом, но не повредит — можно заложить крупнее про-
вод, снизив активное сопротивление первичной обмотки и улучшив общие
параметры выходного каскада. Опять же, не слишком тонким проводом
легче мотать.
Фото 9. «Не слишком тонкий провод» определился по наличию и удобству
намотки — от края до края катушек. Меди на анодную обмотку нужно
много, пришлось мобилизовать все имеющиеся запасы провода нового и
б/у, и даже размотать несколько ненужных фабричных трансформаторов.
Взвешиванием катушек определил количество каждого куска, равномерно
рассортировал на оба трансформатора.
Фото 10. Из толстой берёзовой доски выточил несколько катушек
для провода.
Фото 11. На плоской крышке закрепил самодельную выравнивалку с рядом
роликов и пропустил через неё весь смотанный мятый провод.
Фото 12. Катушки трансформаторов-заготовок оказались пропитанными
лаком, пришлось повозиться с удалением трофейной намотки. Из карбо-
литовых каркасов повыдёргивал контактные лепестки, зачистил неровно-
сти, притупил острые кромки.
Фото 13. Покупному любительскому приспособлению для намотки (отмечено
на фото) нарастил-заменил вал, закрепил его конец в импровизированной
задней бабке, сделал удобную подставку для катушки с проводом.
Фото 14. Вид на катушку в держателе. Комок ветоши — подтормаживание.
13
1L
9_
8_
7_
5
2
Анодная
113 бит.
1 С Л 00.
/YYYYYYYYrt
Анодная
542 бит. 4 слоя.
j^vvvyvvvvv>l
Анодная
845 бит. 6 слоеб.
5 слоеб
^5 бит 12
95 бит 10
4 слоя
3 слоя
95 бит 4
z слоя
Фото 15. Схема намотки одной из катушек двухкатушечнохю выходного
трансформатора на ПЛ-сердечнике. Первичная (анодная) обмотка — про-
вод 0 0,3 мм, вторичная — 0 0,8 мм. Межслойная изоляция — 1 слой
чертёжной кальки, межобмоточная — несколько (см. эскиз) слоев той же
кальки. Межобмоточная изоляция выполнена с нарастанием числа витков,
для компенсации неравномерной ёмкости между обмотками — по мере на-
мотки она нарастает из-за увеличения диаметра катушки. В общем слу-
чае трансформатор универсален — в зависимости от включения частей
обмоток на обеих катушках, может работать в однотактнои и двухтакт-
ной схеме с разными нагрузками.
Фото 16. Межслойная изоляция — хрестоматийная калька с нарезанной
маникюрными ножницами бахромой по краям, чтобы не западали крайние
витки. Концы намотки фиксировал на катушке нетонкими х/б нитками,
ими же полностью заполнял слой, в тех случаях, когда между проводом
и щёчкой катушки оставался зазор.
Фото 17. Старый б/у провод в лаковой изоляции, для относительно вы-
соковольтных катушек с тысячами витков — дело ненадёжное, тем более
в однотактной схеме, с её потенциальным броском напряжения самоин-
дукции при обрыве нагрузки — для залечивания дефектов старой изоля-
ции и повышения электрической прочности, катушки послойно пропитывал
воскопарафиновой смесью. Действовал так: слой провода прогревал
строительным феном и натирал палочкой воска (на фото), оставшиеся
хлопья снова оплавлял горячим воздухом, при этом расплавленный воск
капиллярными силами затягивало внутрь обмотки, в том числе и пропи-
тывая разделительную бумагу внизу. Двух повторений обычно хватало,
чтобы культурно залить свеженамотанный слой провода.
Фото 18. Наплывы тёплого воска удалял деревянной лопаточкой.
Фото 19. Пара готовых катушек одного из выходных трансформаторов,
Маркировка выводов очень помогает разобраться при сборке.
Фото 20. Один из выходных трансформаторов в сборе. Части первичной
обмотки соединены последовательно, части вторичной — последователь-
но-параллельно, соответственно сопротивлению нагрузки — АС. В нашем
однотактном варианте не забываем о немагнитной прокладке в сердечни-
ке, для токов 40...50 мА это может быть слой принтерной бумаги (^0,1
мм) . Бандаж сердечника не перетягиваем. Правильность соединения об-
моток проверяем, включив первичную обмотку в сеть и проконтролировав
вольтметром небольшое напряжение, согласно выбранному коэффициенту
трансформации, на обмотке вторичной.
Фото 21. Прикинув размеры, вырезал заготовки, собрал на столярный
ПВА и мелкие гвоздики. Рамка-подвал из хвойных дощечек, верхняя па-
нель из 10 мм фанеры.
Фото 22. Отделка деревяшек виделась как этакая состаренная древесина
или старинный, чуть реставрированный прибор. Было много покраски ак-
рилом, контрастной декоративной шпатлёвки-шлифовки. В конце концов,
остановился на некоем промежуточном варианте, пока не испортил всё
окончательно.
Фото 23. Монтаж, начало. Ламповые панельки — карболитовые для уста-
новки на печатную плату, из старого лампового радио. Выпилил лобзи-
ком по дереву с куском текстолитовой платы, удалил лишние дорожки,
закрепил мелкими шурупами. В центре крупные — блокировочные ёмкости
С5, закреплённые жестяными хомутиками. Монтаж лаконичен и симметри-
чен . Никаких длинных сигнальных проводов и петель, соединения корот-
кие и жёсткие, по возможности собственными выводами элементов, от
входных гнёзд на передней панели (внизу фото), до выходных трансфор-
маторов . Заметим — в однотактном усилителе БП — это тоже цепь сиг-
нальная. По оси корпуса, от входного каскада до БП — шина общего
провода из медного прутка. Потолще, но без фанатизма, чтобы было
удобно паять 150 Вт электропаяльником. Спереди-сбоку установлено ещё
одно гнездо для лампы — оптического индикатора, если захочется зелё-
ного моргания.
Фото 24. Выпрямитель мостового типа, на быстрых диодах, зашунтиро-
ванных небольшими ёмкостями, фильтр питания вопиющий — ёмкости со
свалки, дроссели оттуда же, от ламп дневного света — обрезал пустую-
щую часть корпуса, удалил технологичные, но не слишком надёжные пру-
жинные клеммы, подключился монтажным проводом напрямую к выводам об-
мотки. Индуктивность могла бы быть и побольше, а активное сопротив-
ление поменьше, но работает без фона даже на АС с чувствительностью
под 100 дБ/Вт/м. Чудно. Крупным электролитам пришлось несколько не-
дель наращивать изоляцию — тренировать.
Фото 25. Усилитель в сборе, вид сверху. Сетевые трансформаторы виб-
роизолированны от корпуса системой эластичных прокладок.
Фото 2 6. Усилитель в сборе, вид на монтаж.
В результате проделанной работы получился весьма простой, недорогой и эко-
номный усилитель для мастерской. Громкости нескольких ватт на канал с лихвой
хватает для текущего озвучивания небольшого помещения, при работе с чувстви-
тельной акустикой. Звук тоже приятный, фона переменного тока неслышно совер-
шенно . При применении подобной аппаратуры в помещениях жилых, конечно, следу-
ет позаботиться о защитных кожухах вокруг высоковольтных трансформаторов.
Пропитка выходных трансформаторов повышает их надёжность и уменьшает при-
звуки от паразитных явлений, но несколько снижает полосу воспроизводимых час-
тот сверху из-за увеличения межобмоточной ёмкости. В случае применения нового
обмоточного провода применять здесь пропитку не следует. Послойная пропитка
воском предложенным способом оказалась быстрой, чистой, удобной. Несмотря на
невысокую термостойкость, составы на основе воска приятны в обращении, неток-
сичны , в случае аварии, расплавляясь, способны самостоятельно нейтрализовать
небольшое проблемное место в трансформаторе.
Электроника
ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ДИОДЫ
Полупроводниковый диод был изобретен очень давно, еще в начале 19 века. На
сегодня количество типов диодов исчисляется десятками.
По виду основного материала наиболее известны германиевые и кремниевые дио-
ды, а также диоды из арсенида и нитрида галлия. Что же касается области при-
менения, то это диоды выпрямительные, диоды Шоттки, стабилитроны и светодио-
ды, полупроводниковые лазеры, фотодиоды, варикапы, туннельные диоды, солнеч-
ные элементы, диоды для работы на высоких и сверхвысоких частотах (СВЧ) и так
далее.
Как нетрудно догадаться из названия, полупроводник представляет собой нечто
среднее между проводником и изолятором. Но как на самом деле устроены полу-
проводники?
Наверное, вы знаете, что к полупроводникам относятся такие материалы, как
германий, кремний, арсенид галлия и селен.
Атомы германия и кремния содержат 32 и 14 электронов, соответственно. При
этом четыре электрона в этих материалах валентные. Валентные электроны нахо-
дятся на внешней оболочке атома и участвуют в химических связях с соседними
атомами. Каждый атом германия и кремния связан четырьмя ковалентными связями
с соседними атомами (рис. 1).
\
о>
о,
\°1
Го\
\° 1
[ °*
\у
о
о
Атом кремния
Ш\*и
ЪчШ°
/ °\
[°1.
о ^^^о
/о\
Валентный 1
электрон |
1
О
О
\
W,
j^^p
/~©\
1 о /
^,^^0
Го\
Ковалентная
связь |
Рис. 1. Ковалентные связи в кремнии.
На этом рисунке оранжевыми кружками показаны ядра атомов с внутренними
электронными оболочками, валентные электроны — в виде голубых кружков с бук-
вой «е». Зелеными линиями обозначены ковалентные связи между атомами.
При охлаждении полупроводника до абсолютного нуля все валентные электроны
крепко связаны с атомами, и полупроводник ведет себя как изолятор. Но если
повышать температуру, связь ослабевает и в результате теплового движения ва-
лентные электроны могут покидать свои атомы.
Когда валентные электроны покидают атом, на их месте образуются «дырки».
Тогда возникает положительный заряд, равный заряду электрона. Если к полупро-
воднику приложить напряжение, в эти дырки будут «перепрыгивать» валентные
электроны соседних атомов, образуя новые дырки (рис. 2).
Рис. 2. Валентные электроны заполняют дырки.
В результате через полупроводник пойдет небольшой ток. Такую проводимость
называют собственной, и она невелика. Но если добавить в полупроводник при-
месь , например сурьму или индий, то ситуация изменится.
У атомов сурьмы на внешнем слое пять валентных электронов, а у атомов индия
— три. При избытке валентных электронов в полупроводнике образуется так назы-
ваемая отрицательная электропроводность типа n (negative), а при недостатке,
как в случае добавления индия, — электропроводность типа р (positive). Эта
проводимость называется примесной (в полупроводник добавлены примеси), и она
намного выше собственной проводимости полупроводника.
Добавляя в полупроводники примеси, можно сделать материалы с п- и р-
проводимостью. Если создать бутерброд из этих материалов, получим устройство,
которое называется диодом с р-n переходом (рис. 3).
n p
I о о о I • • • I
I о о о I • • • I
I о о о I # # # I
I о о о I • • • I
Рис. 3. Переход р-n образует диод.
Что будет, если подключить р-n переход к источнику напряжения?
На рис. 4 слева показан результат при подключении положительного контакта
напряжения к полупроводнику с проводимостью типа р, а отрицательного — к по-
лупроводнику с проводимостью типа п.
В этом случае электроны будут продвигаться к плюсу источника напряжения,
заполняя дырки, а дырки будут двигаться навстречу электронам. В результате
через р-n переход пойдет ток.
Но если подключить источник напряжения, как это показано на рис. 4 справа,
то ток через переход не пойдет. Электроны и дырки будут растаскиваться в про-
тивоположном направлении — электроны к плюсу источника напряжения, а дырки к
минусу.
П р П р
1«-о ~о «-о
1-о -о ^о
1^0^-0 «-Q
l^-o^o ^о
•^•^1
•-»•-» •-»!
•-»»-» •-»!
♦**^|
■ 0~* 0_ 0-*
■ о^ О-* О-*
В о~* о~* 0-*
1 о— о— о—
-«-•-•1
-♦-•-•1
♦#-•-•1
******!
Рис. 4. Подключение напряжения к р-n переходу.
Здесь проявляется основное свойство р-n перехода, образующего диод — спо-
собность проводить ток только в одном направлении.
Напомним, что таким же свойством обладает и ламповый диод. Но в отличие от
лампового диода полупроводниковому диоду не нужна нагретая нить накаливания и
высокое напряжение на аноде.
В старых книгах для радиолюбителей сразу после описания р-n перехода обычно
рассказывали о том, как самому сделать детекторный приемник. Я тоже делал та-
кой , когда учился в школе. И хотя без усилителя низкой частоты звук был очень
тихий, я получил много эмоций, услышав музыку в наушниках!
К сожалению, сейчас в диапазонах длинных и средних волн мне не удалось пой-
мать какую-нибудь радиостанцию даже на транзисторный приемник — радиовещание
переместилось в диапазон ультракоротких волн (УКВ) с частотной модуляцией. Но
не буду нарушать традицию и расскажу кратко про детекторные приемники, так
как в них применяются диоды.
Схема несложного детекторного приемника показана на рис. 5.
N/
С1
D1
L1
СЗ
Р1
D
Рис. 5. Схема детекторного приемника.
Для такого приемника нужна достаточно длинная антенна (10-15 метров) и за-
земление . В качестве заземления я использовал батарею центрального отопления.
Антенна улавливает из эфира радиоволны, а колебательный контур, состоящий
из катушки L1 и конденсатора С2 выделяет нужную частоту. Что касается конден-
сатора С1, то он ослабляет влияние антенны на резонансную частоту контура.
Диод D1 выпрямляет радиочастотные колебания с амплитудной модуляцией (AM) ,
выделяя из них низкочастотную составляющую. Конденсатор СЗ фильтрует высоко-
частотные колебания, в результате чего на наушники Р1 поступает только низко-
частотный сигнал.
На рис. 6 показан пример использования AM для наложения низкочастотных ко-
лебаний на колебания более высокой частоты.
Смысл такого наложения в том, что высокочастотные колебания можно переда-
вать через эфир на большие расстояния. При передаче звуковой сигнал наклады-
вается на колебания высокой частоты, а затем этот сигнал передается в эфир.
Приемник принимает такой сигнал и выделяет из него низкочастотную составляю-
щую.
Hantek
ИИ1
0.000s
л л i 11 И Л л i' l ff
Л i\ \*Щ/\ \ M11 I | l| I I |l l| I I |l 1 И I I /l V**^ \ M1I I l| 111 |l I
L1 \ I и I I и/ V и ш и
I I I I I M I I I I I I I I i I I I
и i: а л 1 I I M' M I Л
ii 1 tli|Ji VWi \ ill I ill Hi I i|i Hi I i|i/i
Trigger I
, Type
ОVideo
OPulseOSIope
lOO.T. О A Iter
i Source
OCH1 OCH2
OEXT
ЮАС50
, Slope
lQ\Falling |
О Auto
,— Coup I ing —
OAC
iONoise reject
OHF reject
lOLFreject
EXT/5/
Рис. 6. Амплитудная модуляция.
В самых первых детекторных приемниках в качестве диода выступал кристалли-
ческий детектор (рис. 7).
Рис 7. Детекторный приемник с кристаллическим детектором.
На рис. 8 показан кристаллический детектор «кошачий ус», состоящий из мине-
рального кристалла (галенита или кремния), залитого припоем в металлическую
чашечку.
Рис. 8. Кристаллический детектор «кошачий ус».
Диод образуется из этого кристалла и тонкой проволоки, касающейся поверхно-
сти кристалла. Такой детектор использовался очень давно, примерно с 1906 по
1940 годы.
Чтобы показать, как работает диод в детекторном приемнике, для имитации ра-
диовещательной станции я воспользовался функциональным генератором и самым
обычным полупроводниковым точечным диодом, добытым в старом телевизоре. На
колебания с частотой 2 МГц была наложена амплитудная модуляция сигналом с
частотой 1 КГц (рис. 9).
Рис. 9. Осциллограмма AM сигнала и модулирующего низкочастотного сигнала.
Была собрана схема выпрямителя, аналогичная такому, как используется в де-
текторном приемнике (рис. 10).
Рис. 10. Схема для демонстрации детектирования AM-сигнала.
На первый канал СН1 осциллографа я подал результат детектирования, а на СН2
— модулирующий низкочастотный сигнал.
В верхней части рис. 11 показан результат детектирования, а в нижней — ис-
ходный модулирующий сигнал.
Hantek КЯ
ЛИ
нош.
СН1
,— Coup I i ng
IOdEDC
O^GND
— 20MHz BW —
О Unlitmited
OFine
Probe
JO100X 01000)
Invert
PwOn
Рис. 11. Результат детектирования и исходный сигнал
Вы, конечно, заметили, что в результате детектирования форма сигнала полу-
чилась искаженной. Все это потому, что у диода нелинейная вольт-амперная ха-
рактеристика (ВАХ).
ВАХ диода показывает зависимость тока, проходящего через диод, от приложен-
ного к нему напряжения. На рис. 12 показана такая зависимость для германиевых
и кремниевых диодов.
т 1 а,Л
1—1 М/\
Cf
Gel
Л"
А) „
; i и = о.з 1 в
;U = 0,28B
Рис. 12. ВАХ германиевого и кремниевого диодов,
детекторных при-
но и они вносят нелинейные ис-
Как видите, в режиме прямого смещения (когда диод открыт) , ток растет с
ростом напряжения экспоненциально. В режиме обратного смещения тоже идет ток.
Он очень мал, но может сильно вырасти при достижении напряжения пробоя.
Если диод находится в режиме прямого смещения, ток увеличивается значитель-
но при достижении порогового напряжения —0,3В для германиевых диодов и 0,7
В для кремниевых.
Германиевые диоды позволяют добиться лучших результатов
емниках за счет низкого порогового напряжения,
кажения в исходный сигнал.
Еще лучше здесь будут работать так называемые диоды Шоттки. В этих диодах
вместо р-n перехода используется переход металл-полупроводник. Диоды Шоттки
отличаются малым падением напряжения, высокой скорость переключения и вносят
минимальные искажения при детектировании сигналов.
В отличие от вакуумных диодов, для питания туннельного диода будет доста-
точно источника с напряжением 1,5 В.
Чтобы понять, как работают туннельные диоды, нужно разобраться с туннельным
эффектом. Есть такое определение туннельного эффекта в Википедии:
— Туннельный эффект, туннелирование — преодоление микрочастицей потенциаль-
ного барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании
неизменной) меньше высоты барьера.
Иллюстрация эффекта в сильно упрощенном виде показана на рис. 13.
Рис. 13. Иллюстрация туннельного эффекта.
Здесь из положения А шарик скатывается в углубление, и у него недостаточно
энергии, чтобы преодолеть возвышенность и выкатиться за нее. Однако пред-
ставьте себе, что шарики с определенной вероятностью каким-то непостижимым
образом оказываются в положении В!
Возвращаясь к частицам, например, к электронам, скажем, что хотя у электро-
на и не хватает энергии попасть за барьер, она все-таки с определенной веро-
ятностью попасть туда может. И эта вероятность возрастает с увеличением энер-
гии частицы, с уменьшением ширины и высоты барьера.
На рис. 14 показан баллон с вакуумом, в котором находится два электрода.
/ \
V _^
Рис. 14. Вакуумный баллон с двумя электродами.
Если приложить напряжение к этим электродам, то за счет автоэлектронной
эмиссии в схеме пойдет ток. При этом будет происходить туннелирование элек-
тронов через потенциальный барьер вблизи электрода.
Надо сказать, что при использовании обычных электродов туннельный эффект
появляется только при очень сильных полях, возникающих при напряжениях в де-
сятки миллионов вольт. Уменьшая размеры электродов до десятых или сотых долей
микронов напряжение возникновения автоэлектронной эмиссии можно уменьшить до
сотен или десятков вольт. Но все равно это слишком много для практического
применения.
Туннельный диод, как и обычный, образуется из полупроводников, но есть важ-
ное отличие. Чтобы добиться очень малой ширины р-n перехода для возникновения
туннельного эффекта, используются полупроводники с большой концентрацией при-
месей. На границе полупроводников образуется обедненный слой очень малой ши-
рины (рис. 15).
Обедненный
слой
п р
0
О
О
О
о
о
о
о
0
о
о
о
• • •
• • •
• • •
• • •
Рис. 15. Обедненный слой.
В результате на переходе создается высокая напряженность электрического по-
ля, порядка 108 В/м. Туннельный эффект возникает в этом случае уже при напря-
жении меньше одного вольта.
Особенность вольт-амперной характеристики туннельного диода — наличие на
нем области отрицательного сопротивления. На рис. 16 — это область В.
Рис. 16. ВАХ туннельного диода.
Если постепенно увеличивать напряжение на туннельном диоде, то сначала на
участке А ток будет расти, причем в отличие от обычного диода очень быстро.
Если приложить напряжение обратной полярности, то будем наблюдать такой же
быстрый рост обратного тока.
При достижении определенного уровня повышение напряжения будет приводить к
уменьшению тока. Это потому, что с увеличением прямого напряжения из-за сме-
щения энергетических уровней уменьшается количество электронов, совершающих
туннельный переход.
Область уменьшения тока, обозначенная как В, является областью отрицатель-
ного сопротивления. Именно эта область является рабочей для туннельных дио-
дов.
При дальнейшем увеличении напряжения ток снова начнет расти. Теперь тун-
нельный диод ведет себя уже как обычный диод. Область С не используется как
рабочая, а при значительном увеличении тока в этой области возможно поврежде-
ние туннельного диода.
Хотя сегодня выпуск туннельных диодов очень ограничен, вы все еще можете
купить самые разные туннельные диоды, сделанные во времена СССР. Их можно
разделить на четыре типа:
■ генераторные;
■ переключательные;
■ усилительные;
■ обращенные
Первые три типа подходят для изготовления генераторов, усилителей и пере-
ключающих схем, соответственно. Обращенные диоды можно использовать для де-
тектирования сигналов в схемах СВЧ.
Тип туннельного диода можно определить по его маркировке (рис. 17).
Порядковый
номер
разработки
И306Е
Классификация
по параметрам
Диоды туннельные и
обращенные
1 — усилительные
2 — генераторные
3 — переключательные
4 — обращенные
Рис. 17. Маркировка туннельных диодов.
Первой в обозначении диода идет цифра 1, 2, 3 или 4, либо буква Г, К, А или
И. Диоды с цифрой лучше — они предназначены для военного применения и у них
может быть шире рабочий температурный интервал или улучшены другие характери-
стики .
Вслед за цифрой идет буква — класс полупроводникового прибора. Для туннель-
ного и обращенного диода это буква И.
На третьей позиции находится цифра, обозначающая вид диода.
Далее следует серийный номер (номер разработки), а в конце — буква, обозна-
чающая классификацию по параметрам.
Например:
ЗИ201 — генераторный;
ЗИ402 — обращенный:
ЗИ306 — переключательный;
АИ301 — переключательный;
ЗИ101 — усилительный
В интернете можно найти ссылки и на зарубежные туннельные диоды:
1N2941, 1N2969, 1N2969A, 1N3149, 1N3150, 1N3561, 1N3712, 1N3713, 1N3714,
1N3716, 1N3717, 1N3718, 1N3721, 1N3849, 1N4397, 1N4397A, 1N4398, 40567,
40568, 40571,TD262A, TD263B, TD265A, TD715
Если вы приобрели туннельные диоды, то с ними нужно обращаться очень осто-
рожно. Туннельные диоды могут выйти из строя из-за статического электричест-
ва, при проверке мультиметром (тестером), а также от перегрева.
Чтобы проверить туннельный диод, я собрал схему, показанную на рис. 18.
Рис. 18. Схема для проверки туннельного диода.
При подключении туннельного диода важно соблюдать полярность (рис. 19).
Рис. 19. Полярность туннельного диода.
Положительный вывод диода там, где контакт меньшего диаметра. Кроме того,
этот вывод может быть отмечен зеленой полоской.
По буквам на поверхности отрицательного контакта можно судить о маркировке
туннельного диода. Подробнее об этом можно узнать из документации на диод со-
ответствующего типа.
Вернемся к схеме проверки диода (рис. 18). Здесь в качестве источника тока
мы использовали батарейку типа АА напряжением 1,5 В.
Перед включением устанавливаем максимальное сопротивление переменного рези-
стора R1. Далее постепенно уменьшаем сопротивление, контролируя ток миллиам-
перметром. В качестве миллиамперметра я использовал обычный мультиметр на
пределе 20 тА.
При уменьшении R1 сначала наблюдается возрастание тока. Однако в определен-
ный момент ток резко уменьшится, а затем снова начнет увеличиваться. Если вы
зафиксировали такое поведение, то туннельный диод исправен. Во время испыта-
ний не доводите значение тока до максимально допустимого, чтобы диод не вышел
из строя.
Я попробовал собрать разные генераторы на генераторных и переключательных
туннельных диодах.
Отобрав исправные туннельные диоды, я приступил к сборке генератора ВЧ сиг-
нала (рис. 20).
R2 22 Ом
- D1
Е1
R1 1 кОм
R3
12 0м Т С1 1
Рис. 20. Генератор на туннельном диоде.
Для питания этого генератора вы можете использовать одну или две батарейки
на 1,5 В. В качестве туннельного диода я пробовал все диоды, перечисленные
выше, кроме обращенного. Все они позволяли добиться генерации путем подбора
сопротивления R1.
В качестве колебательного контура я пробовал разные варианты из деталей,
которые нашлись под рукой. На рис. 21 показано использование катушки с ферри-
товым сердечником от старого лампового телевизора и подстроечного конденсато-
ра КПК-МП емкостью 6/25 пФ (рис. 21).
Рис. 21. Собранный генератор на туннельном диоде.
Осциллограф был подключен ко второй катушке, где меньше витков.
Постепенно уменьшая сопротивление R1, добейтесь появления генерации. Когда
генерация только появится, форма сигнала будет далека от синусоидальной (рис.
22) .
Hantek Щ{7Щ Д Т Ы с
I I 0.000s J - I —н
-2oSzBW-
1 J ' ' ' 1 ' ' r ' ' 'О Unlitmited
— Volts/Div-
О Coarse
Probe —
ОЮХ
k 1
\»**^}
ЧЧрИИ'**1^ \J|
JO100X 01000)
, Invert
О wOn
Рис. 22. Большие искажения при малом токе через туннельный диод.
Уменьшая значение R1 еще больше, наблюдайте за изменением формы сигнала. В
итоге я смог добиться относительно правильной синусоидальной формы (рис. 23).
Hantek ЕЭ02]
0.000s
СН2
,— Coup I i ng —
f»c
Oi6 AC
lo-43ND
,— 20MHz BW —
О Unlitmited
i
,—Volts/Div —
О Coarse
, Probe
010X
|оюох о iooo>
, I nvert
:H1V 1
О w0n
Рис. 23. Сигнал с генератора на осциллографе.
Обратите внимание, что амплитуда полученного сигнала исчисляется десятками
милливольт. К сожалению, от генераторов на туннельных диодах можно получить
только слабый сигнал.
Заменив в высокочастотном генераторе (рис. 20) колебательный контур на те-
лефонный наушник типа ТК-67-НТ, можно создать звуковой генератор (рис. 24).
Е1
R2 22 Ом
:ьн=1—*
D1
R1 1 кОм
R3 12 0M
«
С2 100нФ
• •
С1 100 нФ
D
V
ss
АМА
Т1
Рис. 24. Звуковой генератор.
Собранный генератор показан на рис. 25.
Рис. 25. Звуковой генератор в сборе.
Здесь я использовал модуль питания макетных плат, переключив его в напряже-
ние 3,3 В.
Изменяя емкость конденсатора С2, можно генерировать колебания разной часто-
ты . Вы можете вообще не использовать конденсатор С2, но генератор все равно
будет работать.
Звук получился довольно громкий, однако форма колебаний далека от синусои-
дальной (рис. 26) .
Hantek Ш
IViYiWiYiYiMY,
СН2
,— Coupling
Обе DC
Ml MMI MIMMII IMM(MINIII IMI /lIMMII Mlll/l
lO-HBND
— 20MHz BW
|o 2CLimited
.— Volts/Div —
О Coarse
. Probe
010X
pioox о iooo>
. I nvert
CHI J -1
О wOn
Еще одно интересное применение туннельных диодов — создание повышающих пре-
образователей напряжения. Такие преобразователи могут работать от очень низ-
кого напряжения.
На рис. 27 показана схема преобразователя, питающаяся от одной батарейки
напряжением 1,5 В.
R2 22 Ом
R3
12 Ом Т С1 100 нФ
11 А 1
D2 R4 200 Ом
Рис. 27. Схема повышающего преобразователя.
Когда я измерил напряжение питания на батарейке, то получил значение 1,47
В. На конденсаторе С2 напряжение составило уже 2,43 В с нагрузкой в виде све-
тодиода, и 3 В без нагрузки.
Собранная схема показана на рис. 28.
Рис. 28. Преобразователь напряжения на туннельном диоде.
В качестве диода D2 был использован выпрямительный диод 1N4007, а в качест-
ве светодиода D3 — зеленый светодиод из набора модулей для схем на Arduino.
Повышающим трансформатором послужил сетевой трансформатор от старого транзи-
сторного приемника.
Как видите, подключенный к выходу повышающего трансформатора зеленый свето-
диод загорелся. От напряжения 1,5 В он бы гореть не стал.
Конденсатор С2 емкостью 100 мкФ заряжается довольно долго. Чтобы сократить
время заряда, попробуйте уменьшить его емкость, например, до 10 мкФ.
Форма сигнала на выходе повышающей обмотки трансформатора показана на рис.
29.
Подключив осциллограф параллельно конденсатору С2 или светодиоду, можно
убедиться, что фильтр в виде электролитического конденсатора емкостью 100 мкФ
убрал пульсации.
КУРС ПО
ОСНОВАМ
ЭЛЕКТРОНИКИ1
Основные
законы
Разбирая как работает та или иная схема, мы пытаемся определить какие токи
и напряжения возникают в отдельных ее участках, и как они меняются со време-
нем, если меняются. Для этого нам обычно нужны знания как о поведении самих
отдельных элементов (электронных компонент) схемы, так и общие для всех уча-
стков взаимоотношения:
■ Закон Кирхгоффа о Токах - о том, что сумма втекающих токов равна сумме вы-
текающих
■ Закон Кирхгоффа о Напряжениях - о том, что напряжения на последовательных
участках складываются
■ Закон Ома, о том, что на участке цепи U = IR
■ Формула для Мощности - о том, как электричество делает тепло, светло или
механическую работу
Светодиодная
лента
Мальчик Вася пошел в магазин и купил 1 метр светодиодной ленты. Вот такую:
1 Горковенко Р.
Ему продали эту ленту и сообщили следующее:
Лента подключается к напряжению 12 Вольт
Лента потребляет 24 Ватта на 5 метров (она выпускается 5-метровыми катуш-
ками)
Кроме того, провозившись полчаса, Вася смог разобраться подсчитать:
лента (1 метр) состоит из 60 светодиодов
светодиоды соединены в секции по 3 штуки (значит всего 20 секций)
последовательно в каждой секции включен резистор 150 Ом (это на нем напи-
сано)
Вася нарисовал такую схему:
•I
.1
+12В
-12В
20 секций
на метр
Теперь ему интересно, какое напряжение на каждом светодиоде?
Поскольку секции и светодиоды все одинаковые, мы можем считать что ток,
приходящий из источника, по первому закону Кирхгоффа распределяется на все
секции поровну.
Какой же это ток? Мы его не знаем, но знаем общую мощность. Если 5 метров
ленты потребляют 24 Вт, то общий ток равен (по уравнению для мощности):
1полн = Рполн/ипит = 24 Вт /12 В = 2А
Этот ток в 2 Ампера разделяется на 100 секций (по 20 в каждом метре). Зна-
чит ток в секции равен 0.02 А. Повторимся, тут мы использовали первый закон
Кирхгоффа - сколько тока притекло из источника - столько и растеклось по сек-
циям. Из соображений симметрии растеклось поровну.
Ток в секции проходит последовательно через 3 светодиода и резистор. Он
одинаков во всех них (это тоже первый закон Кирхгоффа). И мы можем найти па-
дение на резисторе благодаря закону Ома:
Upe3 = 1секции*1* = 0.02 А * 150 Ом = 3 В
Итак, на резисторе падает 3 Вольта. По второму закону Кирхгоффа мы догады-
ваемся, что на трех светодиодах падает все остальное - разница между напряже-
нием питания и напряжением на резисторе:
исд*3 = ипит - Upe3 = 12 В - 3 В = 9 В
Итак, напряжение на 3 светодиодах равно 9 Вольт. По все тому же 2-му закону
Кирхгоффа оно делится на них троих поровну (если они одинаковы) - т.е. по 3
Вольта на каждом.
Диоды
Диоды - полупроводниковые элементы с двумя выводами, которые проводят ток в
одном направлении значительно лучше, чем в другом - т.е. имеют "асимметричную
проводимость". Эта особенность актуальна, например, для преобразования пере-
менного тока в постоянный, для выделения низкочастотной составляющей в высо-
кочастотном сигнале и т.п.
Кроме этого диоды обладают некоторыми второстепенными особенностями и ха-
рактеристиками - и разработчики полупроводниковых приборов смогли создать
много диодов специального назначения, усилив и выделив эти дополнительные
особенности.
На следующем рисунке изображены условные обозначения и внешний вид некото-
рых типов диодов.
ф.@
ТГ Ц Ч ТТ
.©.
• 1
н ■
ф>
'" Ш
Обозначение в левом верхнем углу соответствует обычному диоду - оно изобра-
жает треугольник поперек проводника, показывающий в каком направлении ток (от
плюса к минусу) может проходить - и поперечную черту у острия треугольника,
обозначающую "преграду" для тока в обратном направлении. Вывод у "основания"
треугольника называется "анодом", а вывод у вершины (и черты) - "катодом".
В правом верхнем углу показаны типичные выводные и SMD-диоды. На всех них
обычно присутствует поперечная черта у одного из выводов - соответствующая
черте у минуса на обозначении диода - т.е. при монтаже понятно, что с этой
стороны находится катод.
Что означает "проводить ток в одну сторону лучше чем в другую?" В идеале
это представляется как "нулевое" сопротивление" при подключении катодом к ми-
нусу и "бесконечное" сопротивление при подключении катодом к плюсу.
На самом деле картина несколько более сложная. Рассмотрим графики зависимо-
сти протекающего тока от приложенного к диоду напряжения (вольт-амперные ха-
рактеристики) .
На рисунке слева изображена "реальная" характеристика диода, на которой
можно отметить следующие особенности:
■ когда напряжение приложено в "обратном" направлении, плюсом к катоду (т.е.
отрицательное) - ток через диод все-таки течет (тоже в обратном направле-
нии) , но очень маленький, единицы микроАмпер - т.е. обычно он пренебрежимо
мал (но он увеличивается с повышением напряжения и температуры);
■ в "прямом" же направлении ток действительно проходит, и он очень резко
возрастает с ростом приложенного положительного напряжения;
■ в то же время, пока положительное напряжение мало - этот прямой ток весьма
незначителен, т.е. диод как будто начинает пропускать ток при прямом на-
пряжении превышающем некоторый ненулевой порог;
■ значительно повысить прямое напряжение на диоде невозможно т.к. экспонен-
циально возрастающий прямой ток выведет диод из строя.
н—h
КА)
Н—¥
U(V)
I I I
КА)
U(V)
С учетом этих особенностей можно рассматривать характеристику диода в "уп-
рощенном" виде, как на втором рисунке:
■ для диода существует некоторое пороговое значение напряжения;
■ если напряжение на диоде меньше порогового (или вовсе отрицательное) то
ток равен нулю;
■ если же через диод (в прямом направлении) все-таки проходит хоть какой-то
ненулевой ток, то на нем создается падение напряжение равное этому порого-
вому значению.
Это пороговое напряжение (прямое падение напряжения) зависит от типа диода.
Для обычных кремниевых диодов оно составляет около 0.7 Вольт. Для светодиодов
- от 1.5 Вольт и выше (в т.ч. в зависимости от цвета). Выпускавшиеся раньше
германиевые диоды имели этот показатель около 0.2-0.3 В, однако сейчас вместо
них используют диоды Шоттки.
Другие важные характеристики диода:
■ макимальный прямой ток (выше которого диод не выдержит, перегреется и сго-
рит) ;
■ максимальное обратное напряжение (напряжение пробоя, выхода диода из
строя);
■ время переключения - насколько скоро при переключении напряжения от обрат-
ного к прямому через диод начинает идти ток (этот параметр ограничивает
применение диодов в высокочастотных схемах).
Светодиодами называются диоды, которые светятся при прохождении через них
тока в прямом направлении. Эта особенность широко используется для создания
индикаторов (а в последние годы и для освещения) . В англоязычной литературе
для них используется аббревиатура LED (Light Emitting Diode) в то время как
соответствующая русскоязычная аббревиатура СИД (светоизлучающий диод) не при-
жилась .
Прямое падение напряжения на светодиодах составляет от 1.5 Вольт (у красных
диодов) до 3 Вольт (у белых).
Обозначение светодиода похоже на диод обведенный в кружок (корпус) с двумя
исходящими стрелками (световой поток) (см. второе обозначение на первой кар-
тинке выше). Кружок, впрочем, часто опускается (т.к. у обычных корпусных дио-
дов он не рисуется).
Внешний вид выводных светодиодов - во втором ряду слева - чаще всего это
скругленные на торце цилиндры из прозрачного (часто окрашенного) пластика.
Основной световой поток испускается именно с торца, и скругление служит лин-
зой. Катодом обычно является более короткий вывод (также основание цилиндри-
ческой линзы может иметь небольшой срез со стороны катода). Существуют также
многоцветные светодиоды с 3 или 4 выводами из линзы (обычно матовой, молочно-
белого цвета).
Небольшие светодиоды для поверхностного монтажа показаны во втором ряду в
центре - примерно прямоугольной формы, с прозрачной пластиковой поверхностью
с одной стороны. Катод определяется по наличию зеленой точки (или двух) у од-
ного из выводов - либо по острию зеленого треугольника с обратной стороны.
Поскольку светодиод нельзя подключить к источнику напряжения напрямую (т.к.
напряжение выше "порогового" вызовет большой ток, который сожжет светодиод) -
светодиод вместо этого подключается к "источнику тока". Простейшим источником
тока является включенный с ним последовательно резистор (см. на второй кар-
тинке, справа). Работает эта конструкция так:
■ напряжение питания не может вызвать в цепи ток больший чем позволит рези-
стор - например с напряжением 5 Вольт и резистором 1 килоОм ток не может
превысить 5 миллиАмпер;
■ такой небольшой ток проходя через светодиод вызывает на нем "прямое паде-
ние напряжения", например 1.5 Вольт;
■ поэтому на долю резистора на самом деле остается не 5 Вольт, а всего 3.5 -
разница между питанием и падением на диоде;
■ соответственно ток оказывается меньше около 3.5 миллиАмпер;
■ но поскольку прямое падение напряжения на диоде почти не зависит от тока
(главное чтобы он был) - можно считать, что оно так и останется около 1.5
Вольт.
Как указывалось выше, обычный диод проводит очень незначительный ток при
приложении обратного напряжения. Если "рабочую часть" диода подвергнуть воз-
действию света, этот ток увеличивается. С обычными диодами такой фокус невоз-
можен так как они заключены в непрозрачный корпус. Однако созданы специальные
диоды - с прозрачным корпусом и "рабочей частью" такой конфигурации, чтобы
максимизировать этот эффект.
Такие фотодиоды используются в качестве датчиков освещенности, а также как
преобразователи световой энергии в электрическую (солнечные батареи). Для
этого они включаются в цепь в одном из двух режимов:
1. Либо мы подаем на фотодиод обратное напряжение и отмечаем возрастающий ток
(например, измеряя падение напряжения на последовательно подключенном ре-
зисторе) ;
2. Либо мы не подаем на фотодиод ничего, а просто измеряем ЭДС, возникающую
на нем при освещении (как напряжение на подключенной к его концам нагруз-
ке, например, тоже резисторе);
Во втором случае мы можем ничего не измерять, а просто потреблять возникаю-
щую ЭДС (если диоды включены в большую матрицу параллельных и последователь-
ных соединений).
В плане схемотехники, физическое устройство диодов не имеет значения. Дос-
таточно представлять что диод составлен из двух разных фрагментов полупровод-
никового материала, условно называемых полупроводниками пр-типап и "п-типа"
(от слов positive и negative). To, как именно носители заряда преодолевают
барьер между этими фрагментами и почему они преодолевают его только в одном
направлении - для нас непринципиально: с одной стороны это достаточно сложный
в описании процесс, с другой стороны в электронике мы не оперируем с отдель-
ными носителями зарядов. Нам важно понимать характеристики диода как прибора,
а не деликатные подробности его внутренних процессов (которые к тому же могут
оказаться гораздо более сложными, чем какое-либо приближенное описание).
Диоды Шоттки, упоминавшиеся выше, обладают более "пологой" характеристикой
в прямом направлении, за счет чего при небольших токах прямое падение напря-
жения на них гораздо меньше чем у кремниевых диодов. Поэтому они актуальны в
схемах со слабыми сигналами или там где желательно уменьшить растрачиваемую
на диоде мощность. Физически они устроены как диоды с барьером не между двумя
типами полупроводников, а между полупроводником и металлом (однако с точки
зрения схемотехники это не имеет значения). Иногда диоды Шоттки используют
специальное обозначение на схеме.
Стабилитроны при включении в обратном направлении, начинают пропускать ток
после достижения некоторого напряжения, при этом не выходя из строя. То есть
они имеют "пороговое напряжение" и в обратную строну, но при большем значении
напряжения - и при этом это напряжение очень мало зависит от тока. Использу-
ются для создания "опорных" напряжений в схемах (например, для сравнения с
напряжениями на датчиках и т.п.)
Варикапы - используют тот факт, что при включении диода в обратном направ-
лении он не проводит ток, а его внутренний "барьер" работает как конденсатор
небольшой емкости. Эта емкость меняется в зависимости от приложенного напря-
жения что позволяет использовать варикап как конденсатор управляемый напряже-
нием.
Диодный
мост
Устройство, с которым мы сталкиваемся в быту каждый день по несколько раз,
хотя об этом и не всегда знаем - диодный мост - входит как выпрямитель пере-
менного тока в состав практически всех блоков питания электронной техники,
адаптеров, зарядных устройств, подключаемых к бытовой сети переменного напря-
жения .
Переменное напряжение, в электротехническом смысле - способ передачи элек-
троэнергии при котором полярность источника меняется много раз в секунду. Два
контакта в розетке попеременно становятся плюсом и минусом.
Если бы мы подключили светодиод с резистором в розетку то могли бы заметить
что он вспыхивает с частотой 50 Гц. То есть в первые 10 миллисекунд он разго-
рается и гаснет, после чего еще 10 миллисекунд не светит совсем (напряжение в
обратную сторону).
В реальности такой эксперимент сложно осуществить, т.к. заметить столь бы-
строе мигание невооруженным глазом нельзя, да и светодиод пробьется обратным
напряжением.
Почему же используется такое странное напряжение? Тут дело связано именно с
необходимостью "передачи" энергии. Дело в том, что переменное напряжение лег-
ко повышать и понижать обратно во много раз с помощью трансформаторов (а для
передачи энергии очень важно повысить напряжение, чтобы уменьшить ток и, со-
ответственно, потери).
На схеме выше, в левой части соединены антипараллельно два светодиода. Они
включены последовательно с резистором. Собрав эту часть, мы можем подключать
ее к питанию 5В (постоянного напряжения) и наблюдать, что в зависимости от
направления подключения питания, светится либо один, либо другой светодиод.
Если теперь собрать и правую половину, содержащую диодный мост, можно обна-
ружить что его светодиод светится независимо от направления питания.
Это происходит потому, что например при подключении плюса к верхней по схе-
ме шине, а минуса к нижней, ток (условно идущий от плюса к минусу) проходит
через диоды VD3-VD5-VD7, а при подключении наоборот - через VD4-VD5-VD6 и та-
ким образом светодиод VD5 светится всегда.
В качестве выпрямительных диодов использованы маломощные 1N4148. Подойдут и
другие. Можно использовать вместо них и светодиоды, но нужно большее напряже-
ние питания (7-10 Вольт) т.к. суммарное падение на трех светодиодах будет
близко к 5В.
Транзисторы
(биполярные)
Транзисторы - усилительные элементы. Они позволяют с помощью слабого управ-
ляющего сигнала контролировать большие токи. Например, транзистор может
управлять током через наушники используя в качестве входного сигнала микро-
вольтовые колебания с антенны - так получается радиоприемник.
Мы в основном будем применять биполярные транзисторы, которые в качестве
входного сигнала используют слабый ток. То есть их функция - ток управляемый
током (запомним это под аббревиатурой ТУТ) . В конце мы упомянем и другие ти-
пы.
На рисунке (слева сверху) приведено схематическое изображение биполярного
транзистора. Его основные выводы - эмиттер и коллектор. Они включаются в раз-
рыв цепи, которой мы собираемся управлять - т.е. так чтобы регулируемый нами
ток шел через коллектор-эмиттерный переход (толстая синяя стрелка).
Б (-J
I64
база
i
3- J
коллектор L
/
R1
|470к
(
\
|эмиттер
Ф:
R2
Ik
Q ;и
В свободном состоянии транзистор закрыт, и никакой ток через него не течет,
т.е. 1к = 0. Однако стоит подать через база-эмиттерный переход слабенький то-
ковый сигнал, в 100 или 1000 раз слабее (он обозначен тонкой стрелкой) как
транзистор приоткроется и начнет пропускать ток от коллектора к эмиттеру. Ве-
личина , насколько открывается транзистор, примерно пропорциональна силе
управляющего тока.
Еще одно свойство, необходимое для расчетов схем с транзисторами - падение
напряжения на управляющем, база-эмиттерном переходе, постоянно и невелико.
Фактически этот переход имеет свойства обычного диода, поэтому мы считаем что
падение напряжения на нем примерно 0.7 В независимо от величины управляющего
тока.
Таким образом мы можем нарисовать "функциональное устройство" транзистора -
см. рисунок слева снизу:
■ база-эмиттерный переход это просто диод
■ колектор-эмиттерный переход, это некая заслонка (которую как в трубе можно
поворачивать пропуская больше или меньше тока);
■ ток через база-эмиттерный диод вызывает приоткрывание коллектор-эмиттерной
заслонки.
Итак, управляемый ток 1к пропорционален управляющему 1б. Коэффициент этой
пропорциональности называется коэффициентом усиления транзистора и обознача-
ется буквой "бета", либо hfe, либо h2i. Запишем же основные соотношения:
IK = beta * 1б
U63 = 0.7 В
Кроме этих формул важными параметрами транзистора являются:
■ максимальный коллекторный ток (больше которого транзистор может сгореть) -
для наших транзисторов обычно 100 мА;
■ максимальное напряжение (в закрытом состоянии) между коллектором и эмитте-
ром (выше него транзистор пробьётся) - обычно 30-60 Вольт;
■ максимальная рабочая частота (выше нее транзистор не успевает переключать-
ся, т.е. на сверхвысокочастотные сигналы просто не реагирует) - обычно до
100 МГц.
Рассмотрим картинку справа на рисунке выше. Здесь показано как транзистор
(согласно нашему описанию) включается в схеме:
■ у нас есть основная цепь, состоящая из светодиода с токоограничивающим ре-
зистором (небольшого сопротивления 1 килоОм);
■ эту цепь мы разрываем и вставляем в нее транзистор, как бы выключателем
(светодиод, значит, не горит);
однако мы с помощью резистора с большим сопротивлением (470 килоОм) пода-
дим сла-а-абенький ток с плюса питания на базу;
этого будет достаточно чтобы открыть транзистор - светодиод загорится.
Допустим, напряжение питания 5 В. Сначала определим управляющий, база-
эмиттерный ток. Мы видим, что между плюсом и минусом включен резистор R1 и
собственно переход транзистора. На база-эмиттерном переходе пропадает только
0.7 В, значит все остальное падает на резисторе:
1б = Iri = URi/Rl = (UnMT - U63)/R1 = (5 - 0.7)/470 = 0.009 мА
Мы помним, что при делении Вольт на килоОмы получаются миллиАмперы. Итак,
управляющий ток всего около 1 сотой миллиампера, даже меньше (9 микроАмпер) .
Пусть коэффициент усиления beta = 150. Найдем, насколько открывается транзи-
стор:
IK = beta*I6 = 150*0.009 = 1.4 мА
Тока в полтора миллиампера вполне достаточен чтобы засветить светодиод.
Важно помнить - рассчитанный нами ток - это лишь максимальный ток, который
транзистор "согласен" пропустить. Если внешняя цепь сделана так, что этот ток
не достигается (например, сопротивление R2 окажется велико, скажем, 10 кОм)
то результирующий ток будет меньше. Транзистор как бы приоткрывает путь для
тока, но не создает его на пустом месте.
С разобранной нами схемой можно провести некоторые эксперименты:
1. Если последовательно с R1 подключить второй светодиод - он не будет све-
титься, ведь ток через него будет меньше 10 микроАмпер (при затемнении все
же можно увидеть слабое свечение). Но транзистор по-прежнему будет открыт,
и первый светодиод будет гореть. Если же теперь этот второй, не светящийся
светодиод выдернуть - первый погаснет.
2. Если убрать или отключить от плюса R1 - светодиод погаснет. Но достаточно
прикоснуться к нему или к базе транзистора пальцем - как светодиод опять
загорится. Что происходит? Наше тело работает как антенна с конденсатором
для всех незримо летающих радиоволн. Они создают небольшие быстро меняю-
щиеся разности потенциалов между разными участками тела. Такой появляющий-
ся и исчезающий потенциал (на уровне нескольких микровольт) при прикосно-
вении к базе будет создавать через нее слабый ток (тоже появляющийся и ис-
чезающий с частотой в сотни килогерц и выше) . Когда этот ток есть - тран-
зистор будет открываться. Фактически, это демонстрация радиоприема или де-
тектирования электромагнитных волн.
Если вместо R1 включить фотодиод (в обратном направлении) то он будет про-
пускать небольшой ток при освещении. Таким образом, мы сможем включать
светодиод светя на него фонариком, лампой или солнцем. Конечно, для управ-
ления освещением нам нужен обратный эффект - мы хотим чтобы светодиод
включался когда темно... Ну, это еще впереди!
Биполярные транзисторы PNP-типа обладают всеми теми же свойствами, но об-
ратной полярностью. На их изображении стрелка внутри транзистора указывает в
середину, а не к краю. Чтобы собрать схему на PNP-транзисторе, нам потребует-
ся изменить полярность подключения питания, а также перевернуть все остальные
полярные элементы (светодиоды, например). PNP-транзисторы используются в ос-
новном тогда, когда схема требует двух транзисторов разной полярности. Обычно
же мы предпочитаем NPN которые более распространены - из-за того что по неко-
торым таинственным причинам они примерно в 2 раза быстрее срабатывают.
Полевые транзисторы - это транзисторы, в которых ток управляется не током,
а напряжением. Одно из удобств - они почти не потребляют тока, то есть у них
высокое входное сопротивление. Поэтому они широко распространены в составе
микросхем (чипов). Однако в качестве дискретных компонент мы не будем их
обычно использовать (поскольку ими несколько труднее управлять - и, кроме то-
го, их схематическое изображение более сложно).
Конденсаторы
Конденсатор - это компонент, который умеет накапливать электрический заряд.
В этом смысле он - простейшее устройство позволяющее запоминать информацию (в
виде некоторого электрического состояния).
Принцип устройства конденсатора - две близко расположенные металлические
пластинки, например, два листка фольги, разделенные непроводящим слоем. При
подключении к ним разности потенциалов, они накапливают разноименные заряды
(притягивающиеся друг к другу через непроводящий слой). В дальнейшем можно
этот конденсатор подключить к какой-нибудь нагрузке, например, резистору - и
эти "разноименные заряды" провзаимодействуют, через нагрузку протечет некий
ток и конденсатор разрядится.
Неполярный и
электролитический
конденсаторы
(обозначение)
*•*
\
\
/
Керамические
неполярные
конденсаторы
малой емкости
ч
Электро- SMD"
литический конденсаторы
(полярный) керамические
конденсатор
На принципиальных схемах конденсаторы изображаются в виде двух поперечных
линий изображающих эти самые пластины. Для конденсаторов, которые необходимо
подключать с соблюдением полярности, одна из пластин обозначается небольшим
плюсиком.
Существуют дополнительные варианты обозначений - обычно, устаревшие или
иностранные - для полярных конденсаторов - иногда пластины изображаются то-
ненькими прямоугольниками (черным и белым), иногда отрицательная пластина не-
много изогнута (выпуклостью наружу) и т.п. Использовать такие обозначения не
следует хотя бы потому что их сложнее воспроизвести.
Основной характеристикой конденсатора является его емкость. Конденсатор на-
капливает заряд (в Кулонах), упрощенно говоря пропорциональный подключенному
к нему напряжению. В этом смысле они сильно отличаются от аккумуляторов и ба-
тареек, напряжение которых остается почти постоянным независимо от заряда.
Емкость является коэффициентом пропорциональности между зарядом конденсато-
ра и напряжением.
Q = С * U
где Q - заряд в Кулонах, U - напряжение в Вольтах, С - емкость в Фарадах.
Например, конденсатор емкостью в 1 Фараду при подключении к напряжению в 1
Вольт накопит заряд в 1 Кулон. А при подключении к 100 Вольтам - в 100 Кулон.
Однако Фарада - это очень большая емкость и гораздо чаще встречаются такие:
■ микрофарада (мкФ) - одна миллионная доля Фарады;
■ пикоФарада (пФ) - одна миллионная доля микрофарады;
■ наноФарада (нФ) - тысячная доля микрофарады - или тысяча пикоФарад.
Заряд накопленный на конденсаторе связан с током, которым этот заряд созда-
ется (или которым он разряжается). Если конденсатор заряжать от источника то-
ка (устройства, обеспечивающего ток заданной величины, несмотря на меняющееся
напряжение) - то заряд будет изменяться пропорционально времени:
dQ = I * dt
где I - ток, которым заряжают конденсатор.
Например, заряжая конденсатор током в 1 Ампер в течение 1 секунды мы полу-
чим заряд в 1 Кулон. Если емкость конденсатора 1000 мкФ (т.е. тысячная доля
Фарады), то значит, на его пластинах появится разность потенциалов в 1000
Вольт.
Те же соотношения действуют и при разрядке. Если конденсатор зарядить, на-
пример, до 1 Кулона и подключить к некой нагрузке потребляющей все время ров-
но 0.01 Ампера, то ее можно будет питать от этого конденсатора в течение 100
секунд. К сожалению, такую постоянную нагрузку сложно создать - например, это
не может быть просто резистор, поскольку напряжение на конденсаторе (и значит
на резисторе) будет пропорционально падать со временем и ток, по закону Ома,
тоже будет уменьшаться.
Большинство конденсаторов можно распределить в две группы:
■ неполярные, обычно керамические, на ёмкости от 10 пФ до 1 мкФ (хотя встре-
чаются и до 22 мкФ);
■ полярные, электролитические - на ёмкости от 1 мкФ до десятков (и сотен)
тысяч мкФ.
Электролитические конденсаторы чаще всего выполнены в виде "бочоночков" -
небольших цилиндров с выводами на одном торце. На их корпусе указаны емкость
и максимальное напряжение до которого конденсатор можно заряжать. Кроме того,
с одной из сторон обозначен полоской минусовой вывод (так как электролитиче-
ские конденсаторы полярны). Емкость указывается в микрофарадах с использова-
нием буквы "мю" - на картинке мы видим конденсатор на 330 мкФ и 25 Вольт.
Керамические конденсаторы обычно выглядят как небольшие диски (или прямо-
угольные пластинки, или "капли" без четкой формы). Поскольку их поверхность
невелика, на них часто обозначается только емкость в виде 3 цифр, по той же
системе, как и сопротивление резисторов - но в пикоФарадах вместо Ом. То есть
две первые цифры значащие, а третья - количество нулей. Например, на картинке
конденсатор с цифрами "103" означает 10000 пФ (т.е. 10 нФ, или 0.01 мкФ). Си-
ний конденсатор с цифрами "202" - это 2000 пФ (т.е. 2 нФ).
Конденсаторы для поверхностного монтажа - прямоугольные параллелепипеды
желтовато-серого или коричневого цвета, с металлизированными торцами, без ка-
ких-либо обозначений (поэтому их емкость нельзя определить на глаз).
Резистивно-
емкостная
цепочка
Если конденсатор подключить к напряжению через резистор, то он зарядится не
мгновенно, поскольку резистор будет ограничивать зарядный ток. Точно так же,
если заряженный конденсатор замкнуть через резистор сам на себя - он будет
разряжаться не мгновенно, а на протяжении некоторого времени. Это свойство
соединения конденсатора с резистором очень часто используется во времязадаю-
щих и фильтрующих цепях, поэтому рассмотрим его более подробно.
I >+"
>ov
На левом рисунке изображено последовательное соединение конденсатора и ре-
зистора. Они подключены к некоторому напряжению U. В этой схеме действуют
следующие соображения:
■ по 1-му закону Кирхгоффа ток через конденсатор (которым этот конденсатор
заряжается) и через резистор одинаков (ведь это один и тот же ток);
■ по 2-му закону Кирхгоффа, чем больше становится напряжение на конденсато-
S1
R1
С1
R2
ре, тем меньше его падает на резисторе; сумма этих двух напряжений как раз
равна напряжению питания U;
■ по закону Ома ток через резистор пропорционален напряжению на нем, а зна-
чит, чем меньше будет напряжение на резисторе, тем меньше ток текущий че-
рез цепочку.
Получается интересный асимптотический процесс. Пусть сначала конденсатор не
заряжен (напряжение на нем 0) - все напряжение питания приложено к резистору,
и через цепочку течет максимальный ток I = U/R. Этот ток заряжает конденса-
тор, и напряжение на нем быстро растет, становится ненулевым. Вследствие это-
го напряжение на резисторе падает, и ток через него уменьшается. Раз ток
уменьшается, уменьшается и скорость зарядки конденсатора.
Таким образом - чем больше зарядился конденсатор, тем медленнее происходит
дальнейшая зарядка. Пределом стремления напряжения на конденсаторе является
напряжение питания - если оно будет когда-нибудь достигнуто, то падение на
резисторе станет нулевым и ток прекратится.
В виде уравнений это можно записать так:
I = Ur/R - ток пропорционален напряжению на резисторе
Ur = U-Uc - напряжение на резисторе - разность между питанием и напряжением
на конденсаторе
Uc = Q/C - напряжение на конденсаторе пропорционально накопленному заряду
dQ = I*dt - заряд накапливаемый за время dt пропорционален току
Или, в виде одного уравнения для заряда:
dQ = [(U - (Q / С)) / R]*dt = [U/R - Q/RC] * dt
Или для напряжения на конденсаторе:
dUc = [U*C/R - Q/R]*dt
Если это уравнение проинтегрировать (или хотя бы посчитать по маленьким ша-
гам численно), получается что напряжение растет асимптотически по обратной
экспоненциальной зависимости - от начального напряжения на конденсаторе (у
нас оно было 0) до напряжения питания:
U(t) = U - (U - UHa4)*exp(-t/RC)
Можно видеть, что при t=0 (когда экспонента равна 1) это выражение обраща-
ется в иначл а. при очень большом времени (когда экспонента стремится к 0) , вы-
ражение стремится к U.
Интересной и важной характеристикой является RC - произведение емкости кон-
денсатора и сопротивления резистора. Она также называется "тау" - постоянная
времени. Это время, за которое разница U-Uc (т.е. напряжение на резисторе, и,
пропорционально ему - ток) уменьшается в е = 2.71 раз. За время равное 3RC
ток уменьшается в ехр(З) = е3 = 20 раз, а за время 5RC - в 100 раз.
Таким образом с увеличением емкости или сопротивления процесс пропорцио-
нально замедляется. При умножении Фарад на Омы результатом являются секунды,
поскольку:
1 Фарада = 1Кл /1В = 1А * 1сек / 1В
1 Ом = 1В / 1А
1 Фарада * 1 Ом = (1А * 1сек /1В) * (IB / 1А) = 1сек
На правой картинке изображена более сложная схема. Когда ключ S1 замкнут,
напряжение на конденсаторе равно напряжению питания (и такое же напряжение в
сумме на обоих резисторах). Когда ключ размыкают, все напряжение конденсатора
оказывается приложено к R2, а на R1 падение оказывается 0 (и через него ток
перестает течь). По мере разрядки конденсатор стремится к напряжению пропор-
циональному величине R2 в сравнении с суммарным сопротивлением, т.е. U * R2 /
(Rl + R2). В остальном работает та же самая асимптотическая формула.
Построим RC-цепочку с временем переходного процесса достаточным для непо-
средственного наблюдения, и сверим результаты с теоретическим значением по-
стоянной времени. Для более точной визуализации уменьшающегося тока, будем
пропускать его через база-эмиттерный переход транзистора, и ждать пока свето-
диод в коллекторной цепи начнет затухать.
+U
С1
R0
-U
R1
С1
V
УТКбэ)
В этой схеме ключ S1, роль которого может играть провод, перебрасываемый с
одного контакта на другой, позволяет сперва зарядить конденсатор, подключив
его к цепи питания, а потом разрядить через базу транзистора.
Собственно схема показана на рисунке слева. Когда ключ находится в верхнем
положении (зарядка), Конденсатор оказывается включена как на центральной кар-
тинке - прямо к питанию. При этом скорость заряда ограничена только сопротив-
лением проводов и внутренним сопротивлением источника питания (и самого кон-
денсатора) которые мы обозначим абстрактным R0 - условимся что это сопротив-
ление мало.
Когда ключ перебрасывают вниз, конденсатор отсоединяется от цепи питания и
подключается к базе через резистор R1. Эквивалентная схема его разрядки пока-
зана справа. База-эмиттерный переход имеет свойства диода с пренебрежимым па-
дением напряжения (особенно если напряжение питания например 9-12 Вольт а не
5 или 3.3). Таким образом, конденсатор разряжается почти до нуля. Когда ток
его разрядки становится слишком мал, транзистор начинает закрываться и свето-
диод тускнеет.
Пусть напряжение питания 5 Вольт. Ток через светодиод ограничивается снача-
ла только резистором (т.к. транзистор открыт полностью) и обуславливается па-
дением на нем. Как мы уже считали, это примерно 3.5 миллиАмпер.
Светодиод начнет гаснуть когда транзистор станет закрываться и пропускать
ток меньший этого значения. При коэффициенте усиления 150 это произойдет ко-
гда базовый ток станет:
1б = Ik / beta = 3.5 / 150 = 0.023
Чтобы получить такой ток на резисторе R1 сопротивлением 100К, например, на-
пряжение на нем должно упасть до 2.3 Вольт. То есть светодиод начнет гаснуть
когда конденсатор разрядится примерно вдвое.
Если емкость конденсатора 220 мкФ, то постоянная времени с резистором 100К
равна примерно 22 секунды. Уменьшение напряжения в 2 раза (а не в 2.71) про-
изойдет за меньшее время - примерно In(2) = 0.7 от этой величины, то есть за
16 секунд.
На самом деле обычно мы можем посчитать время до начала затухания светодио-
да с помощью секундомера. А неизвестной величиной является как раз коэффици-
ент усиления транзистора. Попробуем воспользоваться этой схемой для определе-
ния этого важного параметра.
Однако, как определить момент, когда светодиод начинает тускнеть? Удобнее
всего во время наблюдения ненадолго закорачивать колектор и эмиттер транзи-
стора (проводком, ножом, ключами). Тогда светодиод с резистором оказываются
подключены напрямую и показывают максимальную яркость, не зависящую от кон-
денсатора и транзистора. Если размыкая ноги обратно, мы не видим изменения
яркости, значит транзистор все еще открыт полностью (т.е. его коллектор и
эмиттер как бы закорочены внутри него самого). Однако как только мы замечаем
что периодическое закорачивание вызывает небольшие колебания яркости - значит
транзистор уже начал закрываться и ограничивать ток через светодиод.
Пусть напряжение питания 5 Вольт. Падение на светодиоде постоянное, будем
считать, 1.7 Вольт (типовое значение). Таким образом на резисторе R2 остается
3.3 Вольта - а значит максимальный ток через светодиод равен 3.3 миллиАмпера
(исходя из сопротивления R2 в 1 кОм).
Светодиод начнет тускнеть, когда транзистор станет ограничивать ток ниже
этой величины Imax = 3.3 мА.
Зарядим конденсатор, переключим его на резистор R1 и станем наблюдать, как
описано выше. С тестовым макетом я наблюдаю, что угасание светодиода начина-
ется через 7-8 секунд. Будем считать, Тпред = 7.5.
Постоянная времени в нашей схеме (конденсатор 47 мкФ, резистор 100К) равна:
tau = С * R1 = 47 мкФ * 100 кОм = 4.710"5 * 1105 = 4.7 сек
Время 7.5 секунд примерно в 1.6 раз больше чем tau. Определим, во сколько
раз за это время уменьшается напряжение на конденсаторе:
ехр(-Тпред / tau) = ехр(-7.5 /4.7) = е"1Ь = 0.2
То есть напряжение падает до 0.2 от начальной величины, в пять раз. Значит,
вместо 5 Вольт на конденсаторе остается 1 Вольт - и такое же падение на рези-
сторе R1. Следовательно ток через R1 и через базу транзистора:
1б = Un
ехр(- Тпред / tau) /R1 = 5В*0.2/ 100 кОм = 0.01 мА
Коэффициент усиления beta равен отношению коллекторного тока (того, что ог-
раничил транзистор) к базовому:
beta = Imax /1б = 3.3 мА / 0.01 мА = 330
Значение получилось несколько больше ожидаемого, но по порядку величины в
разумные рамки укладывается. Для более точного измерения по-видимому следует:
■ использовать конденсатор большей емкости (чтобы удлиннить переходный про-
цесс и уменьшить погрешность измерения времени)
■ включить схему под большее напряжение (чтобы погрешность напряжения на
светодиоде, и на база-эмиттерном переходе - им мы вообще пренебрегли -
меньше сказывалась).
Релаксационный
генератор с аналогом
однопереходного
транзистора
Данная схема позволяет получать краткие импульсы - например, вспышки на
светодиоде - с периодом изменяемым в широких пределах (времязадающими рези-
стором и конденсатором) . В отличие от генератора на NE555 (о нем ниже) , на-
пример, здесь почти отсутствует расход энергии на питание дополнительных це-
пей (сам 555 потребляет от миллиампера и выше) . То есть среднее потребление
может быть доли миллиампера. Кроме того, генератор на 555 ограничен по часто-
те (около ЮОкГц для обычного NE555 и 3 МГц для версии на полевых транзисто-
рах) .
Собственно, схема:
Здесь в левой части времязадающая RC-цепь. Конденсатор постепенно заряжает-
ся через резистор, но при достижении определенного напряжения транзисторная
пара открывается "лавинным" образом и разряжает конденсатор за короткое вре-
мя. Одновременно за счет открытия одного из транзисторов происходит вспышка
на светодиоде.
Рассмотрим для понятности немного более строгую схему, без светодиода.
гЯ ДГ^и
гам
Т vQ U -и
Как заряжается RC-стойка слева, мы понимаем. А как она разряжается? Сначала
представим, что резистивного делителя справа нет. Два транзистора образуют
любопытный элемент со всего двумя "выводами" - эмиттерами транзисторов. Ток
между ними (сверху-вниз, в направлении стрелок) мог бы течь, но:
■ чтобы он протекал через колектор-эмиттерный (КЭ) переход верхнего транзи-
стора, нужен небольшой ток через база-эмиттерный (БЭ) переход, чтобы этот
транзистор приоткрыть; но ток через этот переход не пускает второй транзи-
стор своим КЭ переходом (с ним база верхнего транзистора соединена после-
довательно) ;
■ у второго транзистора та же проблема - он бы и рад начать пропускать, но
ему надо чтобы пошел небольшой хотя бы ток через базу; а этот ток заперт
верхним транзистором.
Таким образом транзисторы "взаимно заперли" друг друга, но если бы только
какой-то ток (откуда-то) протек хотя бы через один БЭ переход любого из них -
они начали бы взаимно открываться, пропуская все больше и больше тока друг в
друга - этакий "лавинный" процесс.
Откуда же возьмется этот "изначально открывающий" ток?
Вспомним теперь о наличии резистивного делителя (справа). Допустим, если
резисторы равны, потенциал в средней точке равен половине напряжения питания.
Заметим что эта точка соединена с базой верхнего транзистора.
А эмиттер того же транзистора соединен со средней точкой RC-цепочки, напря-
жение в которой растет по мере заряда конденсатора. Пока напряжение на эмит-
тере ниже, чем на базе, транзистор конечно закрыт (у БЭ-перехода, как помним,
диодная характеристика). Но как только напряжение станет немного больше чем
на базе (на величину падения на P-N переходе), ток разумеется потечет. Изна-
чально он потечет через БЭ-переход и нижний из резисторов делителя. Однако
этот же ток в базе вызовет приоткрывание верхнего транзистора. Тот начнет
пускать часть ток еще и через БЭ переход нижнего транзистора и таким образом
они "лавинно" откроются. То есть если бы в этот момент резистивный делитель
справа исчез, это уже ничего бы не изменило - транзисторы будут пропускать
ток пока внешний источник тока не "иссякнет".
В нашем случае внешний источник тока это конденсатор. Он разряжается через
транзисторы и напряжение на нем падает. В конце концов оно упадёт настолько
что станет меньше чем напряжение PN-перехода (в базе) и напряжение открытого
транзистора. Это вызовет резкое захлопывание обоих транзисторов (из-за пропа-
дания тока в базах).
С этого момента конденсатор заряжается вновь и все повторяется.
В реальной схеме достаточно верхний резистор делителя заменить на светоди-
од. Конечно, напряжение средней точки уже не будет "половинным" но для работы
генератора это не важно (конденсатор будет заряжаться до более высокого зна-
чения - только и всего). Нижний резистор делителя можно сделать очень большим
(чтобы светодиод не светился между импульсами, за счет тока через этот рези-
стор) . А можно вообще убрать - со многими транзисторами сопротивление закры-
того (нижнего) транзистора будет играть ту же роль.
Мы, кроме того, для эксперимента взяли один из транзисторов германиевый. Он
отличается от кремниевого тем, что немного проводит ток даже когда через базу
ничего не идет. Верхним транзистором в данной схеме он быть не может (его
проводимость будет портить всю затею). Если поставить его нижним, то за счет
отъёма тока в светодиод и небольшого коэффициента усиления работа возможна.
В нашем случае именно германиевый транзистор был PNP-типа, поэтому их при-
шлось поменять местами а также "перевернуть" все полярные компоненты (диод,
конденсатор) и источник питания.
Кроме того, оказалось что лучший результат получается если у германиевого
транзистора поменять местами коллектор и эмиттер. Мы помним, что это возможно
за счет симметричной структуры транзистора, но ведет к ослаблению проводимо-
сти и коэффициента усиления. А это нам как раз и нужно.
>,-и
Период миганий определяется произведением R*C. В случае со 100К резистором
и 4.7 мкФ конденсатором он составлял около 1 секунды.
Мультивибратор
Мультивибратором называется устройство имеющее схему из двух симметричных
половинок, обладающее тем свойством что каждая из этих половинок может нахо-
диться в двух состояниях (например, пропускать ток или не пропускать), но при
этом в каждый конкретный момент времени их состояния обязательно различны.
Например, если половинки построены на основе транзисторов, то в любой мо-
мент времени обязательно один транзистор закрыт, а другой открыт.
В широком смысле термин "мультивибратор" охватывает три типа устройств:
■ астабильный, оба состояния которого являются непостоянными и поэтому он
все время переключается между ними;
■ стабильный - иначе "RS-триггер" - любое из его состояний может поддержи-
ваться неограниченно долго, а переключаются они по сигналу извне;
■ моностабильный - с одной стабильной и одной нестабильной половиной - это
позволяет организовать схему задержки, например, активирующуюся на опреде-
ленное время после получения сигнала извне.
В узком смысле (если специально не оговорено иное) мы под мультивибратором
подразумеваем "астабильную" версию, которая используется обычно как осцилля-
тор, генератор сигналов заданной частоты. Схема такого мультивибратора на
транзисторах приведена на следующем рисунке:
Номиналы и типы деталей могут варьироваться в широких пределах, однако ос-
новное соотношение обычно таково - резисторы "подтягивающие" базы, т.е. R2 и
R3 имеют сопротивление значительно больше (на порядок-два) чем те, что вклю-
чены как нагрузка транзисторов, в коллекторные цепи, т.е. R1 и R4.
Рассмотрим принцип работы мультивибратора на транзисторах. Предположим, что
в какой-то момент схема оказалась в таком состоянии:
■ конденсатор С1 заряжен до напряжения питания, причем плюс на его левой по
схеме обкладке;
■ конденсатор С2 разряжен и разность потенциалов на его обкладках около ну-
ля.
При этом оказывается, что VT1 открыт a VT2 заперт. Действительно, такая си-
туация квазистабильна:
■ открытый VT1 соединяет левую обкладку С1 с минусом (нижним по схеме прово-
дом) так что потенциал на правой обкладке (и значит на базе VT2) оказыва-
ется глубоко отрицательным;
■ этот отрицательный потенциал обеспечивает закрытое состояние VT2, а значит
потенциал на его коллекторе близок к напряжению питания;
■ через незаряженный С2 этот потенциал оказывается и на базе VT1 тем самым
"утверждая" его открытое состояние.
"Квазистабильной" это состояние является потому, что через конденсаторы те-
чет ток, их заряд и напряжение на них следовательно меняются таким образом:
■ С2 быстро заряжается через R4 и база-эмиттерный переход VT1, в результате
чего потенциал на С2 падает до примерно 0.7В после чего открытое состояние
VT1 поддерживается уже слабым током через R3, а через заряженный С2 уже
ничего не идет; теперь правая половина готова к следующему этапу и "ждет";
■ С1 медленно разряжается (и немного перезаряжается в обратном направлении)
через R2 и открытый VT1; при этом потенциал на его правой обкладке - и на
базе VT2 - растет; когда этот потенциал дорастет до 0.7В произойдет пере-
ключение .
Переключение происходит таким образом - VT2 начинает открываться, потенциал
на его коллекторе падает стремясь к 0 - а на левой обкладке С2 синхронно па-
дает от 0.7 В до глубоко отрицательного значения. Из-за этого VT1 сразу за-
крывается, потенциал на его коллекторе резко вырастает - а значит, подскаки-
вает и потенциал на правой обкладке почти разряженного С1 - и на базе VT2.
Это еще больше открывает правый и еще больше закрывает левый транзистор.
В этом состоянии оказывается что С2 полностью заряжен, С1 напротив по заря-
ду близок к нулю - и ситуация становится зеркальной в сравнении с той, от ко-
торой мы начали. После этого происходит все то же самое, но в другую сторону.
Длительность переходного процесса в основном определяется медленной переза-
рядкой конденсаторов через центральные резисторы, таким образом время актив-
ности каждой половины примерно пропорционально R2*C1 и R3*C2 соответственно.
Остается вопрос о том, как мультивибратор выходит в такой "рабочий режим"
после включения. Сразу после подачи питания можно представить, что конденса-
торы разряжены, транзисторы закрыты. Начинает течь ток зарядки конденсаторов
через коллекторные резисторы и базы противоположных транзисторов. Этот же ток
сразу вызывает открывание транзисторов. Однако открыться одновременно они не
могут - тот, кто откроется первым, сразу запрет второй (понизив напряжение на
своем коллекторе и через конденсатор - на чужой базе). Такая несимметрия воз-
никает из-за малейшей неодинаковости номиналов компонент, небольшой разницы в
коэффициентах передачи тока и т.п. - ток через один из транзисторов будет на-
растать быстрее и станет закрывать "оппонента" - дальше нарастание и закрыва-
ние будут усиливаться лавинообразно. После того как один из транзисторов за-
кроется - дальше происходит спокойная быстрая зарядка конденсатора в противо-
положной половине и выход в рабочий режим.
Рассмотренная выше принципиальная схема мультивибратора не имеет каких-либо
индикаторов позволяющих наблюдать ее функционирование "живьем". Ниже предло-
жены два варианта вывода полезного сигнала.
В первом варианте к одному из транзисторов подключается выходной усилитель-
ный каскад. Сопротивление R5 выбирается большим (порядка сотен килоом), чтобы
утекающий через него ток почти не оказывал влияния на сам мультивибратор -
достаточно лишь, чтобы этот ток позволял транзистору VT3 открываться.
В более простом варианте светодиоды можно включить прямо в коллекторные це-
пи транзисторов. Они будут переключаться, и при этом их разгорание и затуха-
ние будет не мгновенным, что соответствует нарастанию и спаду тока зарядки
конденсаторов. Недостатком этого варианта является то, что появление нелиней-
ных элементов в коллекторных цепях создает в них дополнительное падение на-
пряжения, конденсаторы заряжаются на меньшую величину и в целом схема стано-
вится менее стабильной - при некоторых неудачных сочетаниях параметров она не
будет запускаться (транзисторы приоткрыты за счет средних резисторов, оба
светодиода светятся, но на конденсаторах разность потенциалов не создается и
они не заряжаются).
Следует также правильно выбирать частотозадающие компоненты - в первую оче-
редь номиналы конденсаторов. Если рабочая частота будет больше нескольких
Герц, то мигание светодиодов станет незаметным. Для работы на частотах 10 Гц
...10 кГц поэтому следует подключать вместо светодиодов высокоомные наушники
или пьезоизлучатели - и определять работоспособность схемы по наличию звука.
Микросхемы
логики
Микросхемы логики реализуют разнообразные электронные схемы, оперирующие
сигналами для которых различаются два основных состояния - логический ноль
или логическая единица.
Все такие микросхемы имеют выводы для подключения питания (например, 5 или
3.3 Вольт) и логическая единица представляется уровнем напряжения (на входе
или выходе) близким к плюсу питания, а логический ноль - близким к минусу (к
нулевому потенциалу).
Значения напряжений в промежутке между этими уровнями обычно не рассматри-
ваются и работоспособность элементов с такими сигналами не обсуждается и не
гарантируется.
Логические элементы часто обозначаются прямоугольниками, с входами слева и
выходами справа. Простейшие логические функции, например "И" и "ИЛИ-НЕп могут
быть представлены как показано на рисунке ниже. Значок "&" обозначает функцию
"И" , а символ единицы - функцию "ИЛИ". Кружок у входа или выхода обозначает
логическую инверсию сигнала на этом контакте. Поэтому нижнее левое обозначе-
ние - это именно элемент "ИЛИ-НЕ". Такие элементы могут содержать 2, 3, 4 и
даже до 8 входов. Иногда это указывается как "ЗИ-НЕ" и т.п.
14 13
J &
tf
Выводы подключаемые к питанию на схемах не указываются почти никогда, хотя
они всегда присутствуют и всегда подсоединяются. Считается естественным, что
микросхемы логики не будут работать без внешнего питания и в то же время та-
кие "естественные" соединения не показываются, чтобы не загромождать чертеж.
Кроме того, небольшие логические элементы часто объединяются в одном корпу-
се по несколько штук. Справа на рисунке изображен пример микросхемы содержа-
щей 4 элемента "И-НЕ" . У них всех единое питание (7-й и 14-й выводы) . При
этом на схеме они обозначаются раздельно, как удобно.
Важно помнить, что физические электронные элементы не всегда ведут себя
так, как абстрактные математические логические функции. Их входы и выходы об-
ладают конкретными электрическими свойствами, и их некорректное подключение
может приводить к неожиданным результатам.
Как было сказано выше, логические входы ожидают напряжение высокого или
низкого потенциала, близкого к уровням выводов питания. Рассмотрим подключе-
ние источника сигнала на примере выключателя.
Если это двухпозиционный переключатель с тремя контактами - то все просто.
Мы подключим общий контакт ко входу, а два оставшихся - к плюсу и минусу пи-
тания. Переключатель "перекидывается" между нулем и единицей.
A + 5V
Jrov l—l £ov ЦТ
Чаще выключатели, например, кнопки - имеют только два контакта. Их можно
просто замкнуть. Как подключить такой? На втором рисунке изображено типичное
решение. Кнопка подключается между входом и одним из контактов питания, на-
пример минусом. К другому контакту вход "подтягивается" резистором. Получает-
ся, что при разомкнутой кнопке через резистор подается логическая единица - а
при замкнутой - ноль. При этом резистор не допускает замыкания проводников
питания между собой.
Вариант с двухпозиционным переключателем на самом деле представляет инте-
ресный вопрос: переключение контактов не происходит мгновенно. Даже если про-
цесс занимает 1 микросекунду - это довольно большой период для логических
элементов время переключения которых может составлять 0.015 микросекунды. Что
же подается на вход во время этого "переброса"?
В такие моменты состояние входа может зависеть от наводок, радиочастотных
помех, слабых полей возникающих между проводниками схемы. В целом допускать
такое переключение вообще нежелательно.
Еще один нюанс заключается в том что кнопка, например, замкнувшись, может
отскочить на микросекундное время - и даже несколько раз - и вызвать таким
образом многократное срабатывание. Этот эффект называется "дребезгом контак-
тов" и с ним необходимо бороться техническими или программными способами.
Последнее важное замечание - в некоторых микросхемах (это зависит от их ти-
па, от внутреннего устройства) входы "по умолчанию" подтянуты к плюсу (реже к
минусу). Это очень удобно, так как такие входы, если они не используются,
можно оставлять не подключенными. Если же микросхема не имеет таких внутрен-
них подтяжек, то входы которые могут повлиять на состояние (например, входы
сброса) необходимо подтягивать к нужному уровню с помощью внешних резисторов.
Выход логической микросхемы обычно устроен внутри с помощью двух транзисто-
ров, из которых в любой момент времени может быть открыт не больше чем один.
Транзисторы соединяют выход либо с плюсом, либо с минусом питания внутри мик-
росхемы. Таким образом, если открыт верхний (см. третий рисунок) транзистор,
то на выходе логическая единица, а если нижний - то ноль.
Что будет, если закрыты оба транзистора? Выход будет находиться в состоянии
с высоким сопротивлением, с высоким импедансом (в иностранной литературе -
high-Z). Такое состояние часто называют "третьим состоянием" и хотя оно не
имеет смысла в математической логике, оно может быть очень удобно для схемо-
техники .
Например к одной шине данных может быть подключено несколько логических
устройств - допустим, ячеек памяти. В любой момент времени выбрана только од-
на ячейка памяти, а выходы остальных переключаются в третье состояние, то
есть они как будто отключены от шины.
Некоторые микросхемы используют выходы управляемые только одним нижним
транзистором. Такие выходы могут находиться либо в состоянии нуля, либо в вы-
сокоимпедансном, третьем состоянии. Подать на них логическую единицу силами
самой микросхемы невозможно. Для того чтобы при закрытом транзисторе на выхо-
де возникала единица, можно использовать такие же резисторы подтяжки (см.
четвертый рисунок).
Такой выход называется выходом "с открытым коллектором" или "открытым сто-
ком" (если микросхема на полевых транзисторах). Он очень удобен, если выход
должен работать в цепи с другим напряжением, чем сама микросхема. Например,
5-вольтовая микросхема может управлять светодиодами в 12-вольтовой цепи. Или
можно сопрячь выход 3-вольтовой микросхемы со входом 5-вольтовой.
RS-триггер
Сигналы на выходах простейших логических элементов (вроде "И-НЕ", "ИЛИ" и
т.п.) полностью определяются сигналами на их входах. Однако существуют более
сложные элементы, обладающие "внутренним состоянием" - или, говоря иначе, за-
поминающие сигналы которые подавались на их входы раньше.
Для таких элементов может оказаться, что при одном и том же состоянии вхо-
дов, на их выходах сигналы могут оказаться разными. И это зависит от того в
каком порядке сигналы подавались на входы раньше.
Базовые элементы из таких, обладающих памятью, называются "триггерами". Мы
рассмотрим конструкцию простейшего из них - RS-триггера.
RS-триггер имеет два входа. Выход один, но может быть еще дополнительный,
являющийся просто инверсией первого (т.е. несамостоятельный). По сигналу на
входе S (set) на выходе устанавливается 1. По сигналу на входе S на выходе
устанавливается 0. И то и другое состояние может существовать неограниченно
долго, даже после того как сигнал на выходе исчез.
Рассмотрим "классическую" реализацию на двух логических элементах ИЛИ-НЕ.
На рисунке она приведена слева:
Нормальным состоянием входов является 0. Допустим, что при этом на выходе Q
тоже 0. По обратной связи он передается на верхний вход нижнего элемента и на
нем образуются два нуля, так что на выходе Qf появляется 1. По второй обрат-
ной связи эта единица попадает на нижний вход верхнего элемента, на нем обра-
зуется комбинация 0-1 результатом которой является 0 на выходе Q. То есть та-
кое состояние устойчиво, обратные связи как бы "фиксируют" его.
Допустим теперь что на вход S подали 1. На нижнем элементе образовалась
комбинация 0-1 и он переключился - на выходе QT появляется 0. По обратной
связи он попадает на верхний элемент и поскольку на R тоже 0, то верхний эле-
мент переключается, на его выходе Q появляется 1. Она попадает на вход нижне-
го элемента создавая на нем комбинацию 1-1 и таким образом "подтверждая" ноль
на Q4 .
Теперь даже после того как S переключится обратно в 0, на нижнем элементе
останется комбинация 1-0 и на его выходе Q4 останется единица. То есть триг-
гер "запомнил" свое состояние.
Дальнейшие манипуляции на S не смогут изменить это состояние. Но если по-
дать 1 на R (при нуле на S) , то триггер переключится обратно (в зеркально-
симметричном порядке).
Таким образом, у триггера два стабильных состояния (с 0 или 1 на Q) при на-
личии двух нулей на обоих входах. Единица на одном из входов вызывает пере-
ключение в ту или другую сторону. Две единицы на обоих входах считаются "не-
допустимым" состоянием, т.к. куда переключится триггер после их одновременно-
го исчезновения - не определено.
На второй картинке изображен вариант этого же триггера, но на элементах PI-
HE . Он отличается тем, что нормальным состоянием входов является 1. А сигналы
подаются кратковременной подачей 0 на тот или иной вход.
Именно вторую схему мы и реализуем на лабораторной работе, поскольку микро-
схемы с элементами И-НЕ очень популярны (в виде микросхем К155ЛАЗ, К555ЛАЗ и
т.п. либо зарубежных 74LS00, 74НС00 и т.п.) - и, кроме того, поскольку входы
таких микросхем (серий К155, 74LS, но не 74НС) по умолчанию "подтянуты" к
плюсу, т.е. на них логическая единица. А для подачи логического нуля, мы
кратковременно касаемся нужного контакта проводком, соединенным с минусом пи-
тания .
Для визуального наблюдения за состояниями выходов, мы кодключаем к ним све-
тодиоды, подсоединенные через токоограничивающие резисторы 1 кОм к минусу пи-
тания. Таким образом свечение светодиода показывает что на данном выходе вы-
сокий уровень.
Важно не забыть подключить питание к 7 и 14 выводам микросхемы.
U +
к выв. 14
микросхемы
ЮОк
(2шт)
U-
2 из 4 элементов
микросхемы 74hc00
(или к155лаЗ)
Внешние подтягивающие резисторы по ЮОК не требуются для микросхем серий
К155, К555, 74LS, т.к. используемая в них "транзистор-транзисторная" логика
имеет внутренние подтягивающие резисторы. Однако для микросхем на полевых
транзисторах (74НС) эти резисторы необходимы. Такие микросхемы к тому же об-
ладают большой чувствительностью, и переключить их можно просто касаясь паль-
цем входа (подтянутого к плюсу). Человеческое тело является источником слабо-
точных помех, которые на высоком входном сопротивлении данной микросхемы соз-
дают колебания достаточного потенциала.
Триггер также можно собрать на транзисторах (см. выше), как разновидность
мультивибратора. В нем отсутствуют конденсаторы, а обратные связи заведены
через R2 и R3 на коллекторы противоположных транзисторов. Сигналы подаются
подключением базы одного из транзисторов к минусу (нулю). Если мы подключаем
кратковременно базу левого транзистора (кнопкой S1) к минусу, то он закрыва-
ется, левый светодиод гаснет. На коллекторе VT1 высокий уровень, он открывает
транзистор VT2, правый светодиод светится, а на коллекторе VT2 низкий уровень
который будет запирать базу VT1 даже когда мы отпустим кнопку. Чтобы теперь
переключить триггер в другое положение, нужно нажать вторую кнопку.
Микросхема
NE555
Этот чип специально разработан для создания различных времязадающих цепей.
С ним, используя минимум внешних компонент, можно собрать генератор с перио-
дом от сотен секунд до десятков миллисекунд, одновибратор, различные управ-
ляемые модуляторы и т.п.
Qvcc
NdISCH
Qthres
Ncont
Упрощенно говоря, микросхема работает следующим образом:
■ Два вывода подключаются к плюсу и минусу питания. Будем считать их потен-
циалы , например, +5 В и О В соответственно. Микросхема может работать и с
большим напряжением, до 15 В.
■ На выходном контакте может появляться либо "логический 0м - напряжение
близкое к минусу питания, либо "логическая единица" - напряжение, близкое
к плюсу питания.
■ Входных контактов два. От напряжения на них собственно и зависит куда пе-
реключится выходной контакт.
■ К микросхеме подключаются резисторы и конденсатор, таким образом чтобы от
выходного напряжения зависело заряжается конденсатор или разряжается - а
напряжение с конденсатора подавалось бы на входные контакты. Таким образом
микросхема как бы замедленно сама себя переключает то в единицу, то в
ноль.
Микросхема имеет 8 выводов, основными из них являются:
■ плюс питания (8)
■ минус питания (1)
■ вход сигнала переключения в 0 (6)
■ вход сигнала переключения в 1 (2)
■ выход (3)
И три вывода вспомогательных:
■ сброс (4) - обычно привязан к плюсу (низкий уровень сбрасывает таймер)
■ разряд (7) - позволяет быстро разряжать конденсатор при высоком уровне на
выходе
■ управляющий (5) - можно никуда не подключать (позволяет изменять порог при
котором срабатывает сигнал переключения в 0)
Переключение в "ноль" происходит тогда, когда напряжение на входе 6 превы-
шает порог в 2/3 от напряжения питания. То есть например 3.3 В (при 5-
вольтовом питании).
Переключение в "единицу" происходит наоборот, когда напряжение на входе 2
ниже порога в 1/3 от напряжения питания (т.е. 1.7 В в нашем случае).
Важно заметить, что напряжение между этими двумя порогами не вызывает пере-
ключения выхода. То есть его состояние остается либо нулем либо единицей в
зависимости от того куда его успели переключить раньше.
Если мы соединим оба входа в один, то "зоны переключения" в зависимости от
входного напряжения будут выглядеть примерно так:
О
I
1
I
2
I
3
I
4
I
5
I
< >
переключение в единицу
состояние не меняется
переключение в ноль
Мы рассмотрим две схемы генератора на м/с 555 - упрощенную, но не очень
корректную (хотя все-таки рабочую) - и более "правильную".
Упрощенная схема приведена слева. Каков принцип ее работы? Мы видим, что
RC-цепочка подключена между минусом питания (т.е. нулевым потенциалом) и вы-
ходом микросхемы. Значит, когда на выходе высокий уровень (логическая едини-
ца) , конденсатор будет заряжаться, а когда низкий (ноль) - разряжаться. И то
и другое происходит через резистор, значит "постоянная времени" обоих процес-
сов будет tau = R*C. Итак, рассмотрим работу схемы по шагам:
1. сначала конденсатор не заряжен, напряжение на нем - а значит и на входах
2,6 - низкое. Из-за этого микросхема переключится в "логическую единицу" -
на выходе появится высокий потенциал (близкий к напряжению питания) и кон-
денсатор начнет заряжаться;
2. по мере зарядки напряжение на конденсаторе растет - когда оно достигнет
2/3 от напряжения питания, вход 6 "почувствует это" и переключит микросхе-
му в "логический ноль";
3. теперь RC-цепь оказывается замкнута верхним концом на минус, на нулевой
потенциал - конденсатор начинает разряжаться и напряжение на нем падает -
в какой-то момент оно достигнет 1/3 от напряжения питания и вход 2, среа-
гировав на этот порог, переключит микросхему обратно в "логическую едини-
цу" ;
4. теперь процесс повторяется - напряжение на конденсаторе будет пилообразно
скакать "в коридоре" между 1/3 и 2/3 - а напряжение на выходе, соответст-
венно , меняется, заставляя светодиод вспыхивать и гаснуть.
Недостаток упрощенной схемы связан с тем, что выходное напряжение "логиче-
ской единицы" у микросхемы 555 не равно напряжению питания, а меньше него на
величину 1...2 В (в зависимости от потребляемого тока) . Получается что RC-цепь
при зарядке асимптотически стремится к напряжению 3.5...4 В - в то же время
верхний порог (на который реагирует вход 6) остается 2/3 от входного напряже-
ния. Поэтому при низком напряжении питания время зарядки может быть значи-
тельно больше времени разрядки, что приведет к искажению времени переключе-
ния. Хуже того, время будет зависеть от потребляемого тока...
Корректная схема включения, показанная на втором рисунке, не использует вы-
вод 3 для управления времязадающей цепью. Кроме того, резистор времязадающей
цепи состоит из двух последовательных R1 и R2. Эта цепь постоянно подключена
между плюсом и минусом питания, поэтому, если бы не было микросхемы, конден-
сатор бы просто зарядился до напряжения питания и все.
Однако мы используем вывод 7 микросхемы. Он очень похож на выход 3 - но об-
ладает немного другими электрическими свойствами:
■ когда на выходе 3 "логический ноль", то вывод 7 подсоединяется к минусу
питания (специальным транзистором внутри микросхемы) - т.е. тоже изобража-
ет низкий потенциал;
■ когда на выходе 3 "логическая единица", вывод 7 как бы ни с чем не соеди-
нен (у него высокое сопротивление и до плюса, и до минуса) - т.е. его мож-
но в такие мгновения игнорировать.
Таким образом вся схема работает по следующим шагам:
1. Сначала на конденсаторе, а также входах 2, 6 низкое напряжение. Выход 3
устанавливается в "логическую единицу", выход 7 отключен. Конденсатор за-
ряжается через R1+R2 от плюса питания.
2. После достижения 2/3 напряжения питания, выход 3 переключается в "логиче-
ский ноль" а выход 7 подсоединяется к минусу питания (т.е. подсоединяет
среднюю точку между резисторами к нулевому потенциалу). Получается, что
конденсатор разряжается через Rl, a R2 просто подключен между плюсом и ми-
нусом и влияния не оказывает.
Таким образом, данная схема имеет время зарядки (высокий уровень на выходе)
пропорциональное (Rl + R2)*C, а время разрядки (низкий уровень на выходе)
пропорциональное R1*C. На самом деле коэффициент пропорциональности около
1.1, так что эти времена можно рассчитывать прямо умножая сопротивления на
емкости.
Вход 4, если на него подать низкий уровень (соединить с минусом питания,
логическим нулем), выключает микросхему таймера. Это можно использовать для
того чтобы создавать сложные сигналы с использованием нескольких генераторов.
Рассмотрим следующую схему:
Здесь первый таймер (слева) с низкой частотой импульсов используется для
включения и выключения второго, с высокой частотой. В результате, второй све-
тодиод быстро мигает несколько раз, потом гаснет на длительную паузу, потом
снова выдает несколько миганий и снова пауза. Первый светодиод позволяет ви-
деть , когда управляющий таймер подавляет работу управляемого.
Если частоту второго таймера сделать 100 - 1000 Гц, то вместо светодиода
можно подключить высокоомный динамик (звукоизлучатель). Схема будет выдавать
писки, чередующиеся с паузами тишины - это поведение аналогично электронной
схеме Первого Искусственного Спутника Земли (1957 г).
Как устроена микросхема 555?
иссГё
OUTPUT
RESET
Она состоит из нескольких функциональных частей. Рассмотрим их по очереди.
Таймер сохраняет свое состояние сколько угодно долго благодаря наличию
внутри RS-триггера. Этот триггер имеет два входа, которые, при получении ло-
гических сигналов, переключают его в 0 или в 1. Выход триггера связан непо-
средственно с формирователем выходного сигнала.
Для того чтобы получить пороговые напряжения в 2/3 и 1/3 от напряжения пи-
тания, используется стойка из трех резисторов (по 5 килоОм), подключенная ме-
жду плюсом и минусом. Напряжение в точке между нижним и средним резистором
1/3, а между средним и верхним 2/3 от полного напряжения приложенного к стой-
ке .
Эти пороговые напряжения сравниваются со входами 2 и 6 с помощью специаль-
ных блоков - компараторов. Эти устройства имеют по два входа - на которые по-
даются сравниваемые напряжения - и по одному выходу. На выходах устанавлива-
ется логический ноль или единица, в зависимости от того, какое напряжение
больше.
Выходы компараторов идут непосредственно на вход RS-триггера. Таким образом
и происходит его переключение при сравнении входных напряжений с напряжениями
на внутреннем тройном резистивном делителе.
Интересно обратить внимание на вход 5. Он связан с той точкой делителя, в
которой образуется верхнее пороговое напряжение (2/3 от питания). Если на
этот вход подать известное напряжение, или подключить его дополнительным ре-
зистором к плюсу или к минусу, то можно влиять на уровень порога срабатывания
входа 6. Это используется в схемах управляющих шириной выдаваемых импульсов.
Д-Триггер
Мы рассмотрели простейшую схему логического элемента с памятью - RS-
триггера. Однако, такой элемент не всегда удобен в схемотехнике, хотя бы по-
тому, что использует 2 отдельных входа. Вообще он используется сам по себе
только в редких случаях, например, внутри микросхемы таймера 555.
Создадим триггер у которого один вход для данных! Можно подключить вход R
через логический инвертор (элемент НЕ) ко входу S. Тогда при подаче на общий
вход (назовем его D) логической единицы, она будет попадать на S и устанавли-
вать триггер, а при подаче 0 единица попадет (через инвертор) на R, и триггер
сбросится.
Единственная проблема, что при таком подходе сигнал - и единица и ноль -
будет менять состояние триггера сразу, и исчезнет возможность хранения со-
стояния (ведь кроме этих двух сигналов на входе ничего быть не может). Триг-
гер станет просто "повторителем".
Для устранения этой проблемы, предлагается добавить перед входами R и S (но
после инвертора) еще логические элементы И-НЕ, вторые входы которых соединены
и выведены как отдельный вход Е. В таком случае сигнал 0 или 1 со входа D
(data - данных) будет менять состояние триггера в 0 или 1 только тогда, когда
на вход Е (enable - разрешения) будет подана логическая единица.
Иными словами, мы выставляем нужное значение данных на входе D но запись в
память осуществляется только по импульсу на входе Е. Рассмотрим схему:
&
&
!Г
ку1-1
Здесь нарисовано как раз все, что было описано выше. Можно заметить что ин-
вертор изображён как элемент И-НЕ у которого входы объединены. Два других
элемента без инверсии (что видно по отсутствию кружка на выходе).
В реальной практике удобнее производить запись не просто по импульсу на
входе Е (ведь импульс может длиться некоторое время - хотя бы несколько мил-
лисекунд - за это время сигналы на входах могут поменяться!) - а по "фронту",
то есть по мгновению переключения из 0 в 1. Для этого на вход Е можно доба-
вить забавное устройство, которое назовем "выделителем фронта".
С точки зрения математической логики этот самый фронтовыделитель выглядит
как элемент И у которого один из входов соединён с другим через инвертор. То
есть он осуществляет функцию (А & ^А) . Математическая логика учит нас, что
это глупость какая-то и что на выходе такой функции всегда будет 0. В реаль-
ной жизни все не так: Распространение сигналов через логические элементы не
мгновенно, оно может занимать десятки и даже сотни наносекунд. В частности
через инвертор сигнал так же проходит с задержкой хоть и малюсенькой. Получа-
ется, если на входе (С - Clock) изначально 0, то на И-НЕ подаётся комбинация
0-1. Мы переключаем вход в 1 и на И-НЕ на короткое мгновение оказывается 1-1
- потом сигнал через инвертор доходит до второго входа и получается 1-0. Та-
ким образом на этот самый краткий миг на выходе окажется единица, а потом
опять исчезнет. Великолепно - то что надо!
Еще более удобная конструкция получится, если запись значения со входа D в
триггер происходит не просто по появлению единицы на входе разрешения, а
только в момент переключения этого входа из 0 в 1. Такой вход обычно называ-
ется уже С (Clock - тактовый или синхронизации) . Основная идея в том, что
пребывание Е в состоянии 1 - это какой-то хоть немного длительный период. Ес-
ли в схеме много триггеров, то некоторые могут успеть переключиться, а другие
могут за это время успеть "заметить" это изменение в других триггерах. . . И
конечное состояние будет весьма не определено.
А вот момент перехода на входе С из 0 в 1 - это именно мгновение. Таким об-
разом возможно синхронизировать переключение большого количества триггеров в
схеме (вплоть до миллионов в современных компьютерах) и избежать ошибок.
Мы будем использовать микросхему типа К155ТМ2 (или К555ТМ2) - являющуюся
аналогом зарубежной 74LS74, которая описана следующей картинкой:
-7
R
D
'С
S
Q
Ql
S' \Q |Q' |Gnd
Справа представлен общий вид микросхемы в корпусе с 14 выводами. В ней 2
триггера, каждый с 4 входами и 2 выходами. Кроме того, два вывода используют-
ся для подключения питания.
Слева представлено логическое изображение каждого из двух триггеров. Видим
здесь упомянутые входы D и С. Заметим, что у С изображена косая черточка, по-
казывающая, что это тактовый вход, переключающий по "положительному фронту" -
переходу из низкого уровня в высокий. Кроме того, есть входы R и S которые
позволяют (как и в RS-триггере) сбросить или установить триггер независимо от
входов D и С. Они называются "асинхронными" входами (т.к. не "уважают" син-
хронизацию, обуславливаемую входом С).
Заметим, что в 155ТМ2 и 555ТМ2 асинхронные входы инверсные. Сигнал сброса
или установки на них подается нулем, а не единицей. Это связано с конструк-
тивной особенностью - микросхемы этой серии (ТТЛ) имеют внутреннюю "подтяжку"
входов к плюсу. Поэтому если входы R и S никуда не подключать, на них будет
логическая 1 и они не будут влиять на триггер (т.к. они инверсные).
В микросхемах 561ТМ2 или 74НС74 внутренних подтяжек может не быть, а асин-
хронные входы могут быть неинвертирующими (следует обращать внимание на руко-
водство к ним). В остальном они работают аналогично.
Двоичный
счетчик
Интересная и популярная схема с использованием Д-триггера с тактовым входом
- это двоичный счетчик.
Она позволяет считать сигналы (импульсы) и выдает результат в виде двоично-
го числа. Такая схема нужна как часть вычислительного устройства компьютеров,
так и в отдельном виде (в часах, счетчиках адресов и т.п.)
Идея счетчика очень проста. Представим, что мы соединили инверсный выход Qf
триггера с его же входом данных D.
Допустим, изначально триггер в состоянии 0 (т.е. на выходе Qf единица, ко-
торая транслируется на вход D) . Когда на вход С придет положительный фронт
(переход из 0 в 1) триггер переключится в 1. На выходе Qf появится 0, который
вновь транслируется на вход D. Таким образом после каждого сигнала на С,
триггер будет перебрасываться то в 1, то в 0.
Получился "счетчик на 1 бит", который кстати использовался в светодиодной
лампе с акустическим выключателем - благодаря ему по одному хлопку лампа
включалась, по другому выключалась.
Если соединить выход Qf триггера со входом С следующего триггера (например,
второго в микросхеме), то когда триггер будет переключаться из 1 в 0, на его
Qf возникнет положительный фронт и переключит этот второй триггер. Таким об-
разом, включая триггеры каскадно, можно создать счетчик на произвольное коли-
чество разрядов.
Ниже приведена схема в которой триггер управляется таймером на микросхеме
NE555:
Vcc
*ГЬ
GA/D
5-: №ц
GA/D
В такой схеме видно, что светодиод на таймере мигает вдвое чаще, чем на
триггере. Можно также подключить второй триггер микросхемы, как описано выше,
и добавить третий светодиод (который будет мигать еще реже).
На таймере светодиод подключен к выходу 7 (вместо 3), который является вы-
ходом с открытым коллектором - поэтому светодиод на нем светится когда на
этом выходе 0 - и соответственно триггер переключается когда светодиод на
таймере гаснет.
Обратите внимание - питание должно быть, конечно, подключено к обеим микро-
схемам .
Операционные
усилители
Они же "ОУ", Operational Amplifiers (OpAmp) - это довольно сложное (внут-
ренне) устройство которое снаружи выглядит как небольшая микросхема с очень
простыми закономерностями между входными и выходными сигналами.
По смыслу это именно усилитель, но с гигантским коэффициентом усиления -
обычно порядка миллиона - заведомо больше чем нужно в какой-либо практической
схеме - поэтому его обычно уменьшают до нужных значений. За счет своих специ-
фических (почти идеальных) свойств на ОУ можно строить множество разных инте-
ресных схем и устройств.
Обозначение ОУ - треугольник с двумя входами и одним выходом. Входы отмече-
ны плюсом и минусом (называются соответственно неинвертирующий и инвертирую-
щий входы) - а напряжение на выходе просто пропорционально разнице напряжений
на входах:
Uout = k*(Un - U±)
где U0ut ~ напряжение на выходе, Un и Ui напряжения на входах, неинвертирую-
щем (положительном) и инвертирующем (отрицательном).
То есть при разнице напряжений на входах всего в 1 микровольт, напряжение
на выходе будет 1 вольт.
Кроме этого на самом деле к ОУ конечно подводится питание, но на схеме оно
указывается редко, хотя потенциал относительно линий питания играет большую
роль и это многих путает (обсудим дальше).
look
0.5V
Для ОУ действуют некоторые очень простые правила, благодаря которым доста-
точно легко понимать работу схем с ними:
1. Входное сопротивление входов практически бесконечно, можно считать, что
они не влияют на подключенные к ним цепи, в них не втекает и не вытекает
ток.
2. Напряжение на выходе не может выходить за пределы напряжений питания,
"упирается в них".
3. Поэтому, и потому что собственный коэффициент усиления (упомянутый выше)
очень большой, почти бесконечный, получается, что если напряжение неинвер-
тирующего входа хоть немного выше (хоть на милливольт) чем инвертирующего,
то выход упирается в плюс питания - а если наоборот ниже, то выход упира-
ется в минус питания.
4. Из чего следует что если выход не "упирается" ни вверх, ни в низ, а нахо-
дится где-то в "рабочем диапазоне", то напряжения на входах практически
идеально совпадают! Это очень важное соображение!
Рассмотрим схему "инвертирующего усилителя" на ОУ. Кроме самого ОУ в ней
есть входной резистор и резистор "обратной связи", соединяющий выход с инвер-
тирующим входом. Благодаря этому резистору положительное напряжение на выходе
будет попадать на вход, который стремится его же уменьшить. Такая обратная
связь называется "отрицательной" - благодаря ей коэффициент усиления схемы
гораздо меньше чем у самого ОУ.
Как это работает? Допустим на вход приходит напряжение UBX, а на выходе
возникает напряжение UBbIx. Два резистора образуют идеальный делитель, посколь-
ку с их средней точки в ОУ практически ничего не уходит (правило 1) и напря-
жение в этой средней точке определяется пропорцией - отношение напряжений на
резисторах пропорционально отношению самих резисторов, или же:
Un - UBX UBbIX - Un
Кроме того, если UBbIX не упирается в "пол" (минус питания) или "потолок"
(плюс питания) то значит напряжения на входах равны, в частности Un = Up - a
это ир = 0 - за нулевой потенциал мы принимаем то, что на схеме обозначено
соединением с "корпусом" (шасси).
Что же оказывается? Напряжение в точке между резисторами равно "нулю" схе-
мы. Напряжение на резисторе обратной связи во столько раз больше напряжения
на входном резисторе, во сколько сам Roc больше чем RBX. Только поскольку ноль
между ними, эти напряжения будут иметь разный знак.
Например, в показанной на схеме ситуации резистор обратной связи в 10 раз
больше входного. Значит выходное напряжение в 10 раз больше входного, но име-
ет обратный знак. При 0.5В на входе на выходе получается -5 В.
Это очень похоже на рычаг с плечами длиной 1 и 10 метров, точка опоры кото-
рого закреплена на уровне 0. Если короткое плечо поднять на 5 см, то длинное
опустится на 50 см.
Казалось бы в наших рассуждениях все поставлено с ног на голову - почему
это на входах будет равное напряжение ради того чтобы выход попал в "рабочий
диапазон". На самом деле легко догадаться, что это наоборот ОУ подгоняет на-
пряжение на своем выходе так, чтобы с учетом резистивного делителя напряжение
на входах сравнялось. Если на выходе будет больше чем надо, то на инвертирую-
щем входе напряжение окажется больше чем на неинвертирующем и выход будет
стремиться вниз. И наоборот.
Мы обратили внимание, что напряжение питания должно иметь плюсовой потенци-
ал выше чем точка "нуля", связанная с неинвертирующим входом предыдущей схе-
мы, а минусовой ниже неё, например вольт на 10-15 - чтобы выход мог колебать-
ся в этом диапазоне и туда и сюда. Ведь вход и выход имеют разные знаки.
Как же это реализуется в "реальной жизни"? Классические схемы могут иметь
настоящее "двухполярное" питание - например, две батарейки, где их средняя
точка берется за "нуль", "общий провод", "шасси", "корпус".
Однако на деле иметь две батарейки неудобно. Как же быть? Можно взять одну
батарейку, а точку "нуля" взять с отдельного резистивного делителя, подклю-
ченного между плюсом и минусом питания. Обычно к одному из резисторов (напри-
мер нижнему) при этом подключается параллельно конденсатор - для того чтобы
втекающие и вытекающие в этот "виртуальный нуль" небольшие токи из каких-то
узлов схемы не сбивали его и не вызывали значительных колебаний. Также можно,
например, нижний резистор заменить стабилитроном (разновидность диода умеющая
поддерживать постоянное напряжение на себе).
Альтернативный подход может заключаться в том, чтобы использовать такие ва-
рианты схем на ОУ, в которых не возникают "разнополярные" напряжения. Напри-
мер, рассмотрим видоизменение нашей схемы усилителя - теперь она называется
"неинвертирующий усилитель". Здесь входной резистор подключен вместо входа
как раз к "нулю" схемы, а входное напряжение наоборот подаётся на неинверти-
рующий вход. То есть мы просто поменяли куда подключить нуль а куда вход.
К чему же это привело? Отношения напряжений и резисторов сохранятся. Но по-
скольку и теперь напряжения входов должны быть равны, то можно посчитать из
пропорции что напряжение выхода растёт пропорционально входному:
ив
= (1 + Roc/Rbx)*Ub
То есть оно усиливается в 11 раз вместо 10 и при этом имеет тот же знак что
и входное. Аналогию с рычагом тоже легко представить - теперь это рычаг длин-
ной 11 метров, закреплённый на уровне 0 самым концом (левым). Точка входа -
это точка на расстоянии 1м, а точка выхода (свободный конец) - еще на 10 м
дальше. Если точку входа подняли на 5 см, точка выхода поднимется на 55.
К сожалению, многие полезные схемы на ОУ трудно или невозможно переделать в
"однополярные", поэтому приходится возиться с "виртуальным нулём" на резисто-
рах . При этом следует помнить, что у большинства ОУ выход может упираться
вниз практически точно в напряжение отрицательной линии питания - а вот при
упирании "вверх" не доходит на один или полтора вольта. Поэтому делитель для
"виртуальной" земли полезно выбирать так чтобы средняя точка была немного ни-
же по напряжению, чем ровно половина напряжения батарейки.
Электроника
н
G G3.3R В11В10В1 ВО f\7 f\6 ft5М ЛЗft2 М eOC15C14C13UB
п
® © 0
© ® ©
W? IИ
Hi
mrai
РС13
end
DCLK]
DIО
3.3
|~[© ©@®@®©©© ©^ @©©®Q@©©ta
B12B13B15B15A8A9ftl0ftllA12A15B3B4 В5 В6 В7В8 В9 5U 6 3.3
ИЗУЧАЕМ STM32
Гей У.
ГЛАВА 11.
ИНТЕРФЕЙС
I2C
Шина I2C является удобной аппаратной системой главным образом потому, что
для связи ей требуется всего два провода. Шина также известна под другими на-
званиями, например IIC (Inter-Integrated Circuit, межинтегральная схема) или
TWI (Two-Wire Interface, двухпроводной интерфейс). Компания Phillips Semicon-
ductors разработала шину I2C, которую Intel позже расширила протоколом SMBus.
Эти протоколы в основном взаимозаменяемы, но в этой главе я сосредоточусь на
I2C.
Учитывая полезность шины I2C, неудивительно, что платформа STM32 включает в
себя аппаратное периферийное устройство для нее. В этой главе рассматривает-
ся, как использовать периферийное устройство совместно с расширяющей GPIO
микросхемой PCF8 574.
Одной из отличительных особенностей 12С как шины последовательной связи яв-
ляется то, что для нее требуется всего два провода. Источник питания и зазем-
ление в этот подсчет не включены. Задействованы две линии связи:
■ системные такты (обычно обозначаются как SCL),
■ системные данные (обычно обозначаются как SDA).
Каждая из этих линий в покое находится под высоким уровнем напряжения
(обычно 5 или 3.3 В). Любое устройство на шине может генерировать сигнал дан-
ных, понижая напряжение на линии до нуля вольт. Это хорошо работает для выхо-
да с открытым коллектором биполярного транзистора или открытым стоком полево-
го (FET) транзистора. Когда транзистор активен, он действует как контакты пе-
реключателя, замыкающие линию шины на землю. Когда шина простаивает, подтяги-
вающий резистор повышает напряжение линии. По этой причине каждая из линий
I2C должна иметь как минимум один общий подтягивающий резистор.
Поскольку каждое устройство на шине способно отключать каждую из линий,
должен существовать какой-то протокол для организации работы. В противном
случае на шине будет происходить несколько передач одновременно, и никто из
получателей не сможет понять искаженные сообщения. По этой причине протокол
I2C часто использует одно ведущее (master) и множество ведомых (slave) уст-
ройств . В более сложных системах возможно наличие более одного ведущего кон-
троллера, что выходит за рамки данной главы.
Ведущее устройство всегда начинает сеанс обмена, подавая тактовый сигнал.
Исключением из того, что линия SCL управляется ведущим устройством, является
то, что ведомые устройства могут иногда растягивать такты, что бы выиграть
дополнительное время (когда это поддерживается ведущим). Растяжение тактового
сигнала происходит, когда ведомое устройство продолжает удерживать линию SCL
на низком уровне после того, как ведущее устройство освободило его.
Ведомые устройства отвечают только при адресации к ним. Каждое ведомое уст-
ройство имеет уникальный 7-битный адрес (есть возможность расширить его до 10
бит) , поэтому оно знает, когда ему было отправлено сообщение шины. Это одна
из особенностей, которая отличает I2C от шины SPI. Устройство I2C выбирается
по адресу, а устройства SPI выбираются по линии выбора микросхемы.
I2C простаивает, когда линии SDA и SCL находятся на высоком уровне. В этом
случае ни одно устройство - ведущее или ведомое - не снижает уровень на-
пряжения на линиях шины.
На начало сеанса (старта транзакции) I2C указывают следующие события:
1) линия SCL остается высокой,
2) линия SDA опущена.
Шаг 2 обычно происходит в течение одного такта, хотя это не обязательно
так. Когда шина простаивает, достаточно увидеть, что линия SDA переходит в
низкий уровень, a SCL остается высоким. На рис. 11.1 показаны состояния шины
I2C старта, стопа и повторного старта.
J L
SDA
t t M
Состояние Состояние Состояния
«старт» «стоп» «стоп» и «старт»
(«поет, старт»)
Рис. 11.1. Сигналы старта, стопа и повторного старта I2C.
Повторный старт - это оптимальный способ подачи сигналов стопа и старта с
целью удержания шины при продолжении длительной транзакции I2C по тому же ад-
ресу . Позже мы обсудим это подробнее.
Биты данных передаются в момент перехода от высокого к низкому уровню так-
тового сигнала (SCL). Рисунок 11.2 иллюстрирует этот принцип.
Выборка состояний линии шины SDA происходит там, где показаны стрелки. Вы-
сокое или низкое состояние линии SDA считывается в момент, когда линия SCL
переходит на низкий уровень (ведущим устройством).
Прежде чем мы рассмотрим всю транзакцию шины, давайте опишем адресный байт,
который используется для идентификации ведомого устройства, к которому проис-
ходит обращение (рис. 11.3) . В дополнение к адресу бит чтения/записи R/W ука-
зывает на намерение выполнить чтение с ведомого устройства или запись на не-
го.
SCL
л
SCL
_T~LJ
"LI
I
Г
t
Бит=1
Бит = 0
Рис. 11.2. Битовые сигналы данных I2C.
7
А6
6
А5
5
А4
4
A3
3
А2
2
А1
1
АО
0
R W
Рис. 11.3. 7-битный формат адреса 12С.
7 бит адреса в байте адреса сдвинуты на 1 бит влево1, а бит чтения/записи
находится крайним правым (самый младший). Бит R/W определяется следующим об-
разом :
■ бит R/W = 1 указывает, что последует операция чтения с ведомого устрой-
ства ;
■ бит R/W = 0 указывает, что последует операция записи на ведомое устрой-
ство .
Адрес и бит чтения/записи перед ним всегда следуют за стартовым или повтор-
ным стартовым сигналом на шине I2C. Сигнал «старт»2 требует, чтобы контроллер
I2C проверил, что шина не используется другим ведущим устройством; это дела-
ется с помощью процедуры арбитража шины (если поддерживается несколько веду-
щих устройств). Но как только доступ к шине определен, шина принадлежит веду-
щему контроллеру до тех пор, пока она не будет освобождена стоп-сигналом.
Повторный старт позволяет продолжить текущую транзакцию без дальнейшего ар-
битража шины. Поскольку за ним должны следовать адрес и бит чтения/записи,
это позволяет обслуживать несколько подчиненных устройств за одну транзакцию.
Альтернативно одно и то же подчиненное устройство может быть адресовано, но
доступно в другом режиме чтения/записи.
На рис. 11.4 показаны процедуры записи и чтения (без повторного старта).
Верхняя часть рис. 11.4 иллюстрирует простую процедуру записи. Основной ход
событий таков:
1) контроллер 12С получает управление шиной и выдает стартовый сигнал;
2) ведущий (контроллер) формирует 7 бит адреса, за которыми следует бит = О,
Адреса ведомых устройств при отправке сдвигаются на 1 бит влево. Это приводит к
умножению адреса на два. Указанный в коде адрес 0x42 на самом деле равен 0x21. Обра-
тите внимание на это в документации.
2 Отметим, что автор этой книги (вслед за руководством по STM32) называет сигналы
(состояния шины) «старт» и «стоп» стартовым и стоповым битами - видимо, по аналогии
с протоколом UART. Это неверное название: в протоколе UART это действительно биты
(высокий или низкий уровни линии данных), а в I2C это именно состояния или сигналы,
так как соответствуют некоему событию перепада уровней на одной из линий при нахож-
дении другой в определенном состоянии (т. е. касаются двух линий одновременно, что
никак не соответствует понятию бита).
3)
4)
5)
6)
указывая, что это будет сеанс записи;
ведомое устройство подтверждает запрос и переводит линию данных в низкий
уровень, формируя бит АСК (подтверждение) . Если ни одно ведомое устройст-
во не отвечает, на линии данных останется высокий уровень, что равносиль-
но получению контроллером отрицательного подтверждения NACK;
поскольку это процедура записи, записывается байт данных;
ведомое устройство подтверждает получение байта данных, переводя линию
данных в низкий уровень для формирования сигнала АСК;
ведущий больше не отправляет данные, поэтому формирует стоповый сигнал и
освобождает шину I2C.
«Старт»
7 6 5 4 3 2 10
12С-запись
АСК
А6
А5
А4
A3
А2
А1
АО
0
А
07
D6
D5
D4
D3
D2
D1
DO
А
7-бит адрес
Ук
Запись
R/W=0
Данные
к ведомому
«Старт»
7 6 5 4 3 2 10
12С-чтение
АСК
А6
А5
А4
A3
А2
А1
АО
1
А
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
DO
N
7-бит адрес
^
Запись
R/W=1
Данные
от ведомого
Рис. 11.4. Сеанс записи и сеанс чтения I2C.
Запрос на чтение аналогичен:
1) контроллер I2C получает управление шиной и выдает состояние «старт»;
2) ведущий (контроллер) записывает 7 бит адреса, за которыми следует бит =
1, указывая, что это будет сеанс чтения;
3) ведомое устройство подтверждает запрос и переводит линию данных на низкий
уровень, формируя сигнал АСК. Если ни одно ведомое устройство не отвеча-
ет , на линии данных останется высокий уровень, что приведет к получению
контроллером NACK;
4) поскольку это процедура чтения, ведущее устройство продолжает посылать
тактовые импульсы, чтобы позволить ведомому устройству синхронизировать
биты данных в своем ответе с ведущим;
5) с каждым тактовым импульсом ведомое устройство посылает восемь бит данных
в ведущий контроллер;
6) во время, когда ведущим должен быть послан сигнал АСК, контроллер обычно
отправляет NACK, так как больше не нужно читать байты;
7) контроллер отправляет стоповый сигнал, который всегда завершает сеанс
связи с ведомым устройством (независимо от последнего отправленного
ACK/NACK) .
PCF8574:
расширитель
GPIO
Для тестирования шины 12С в этой главе мы будем использовать микросхему
расширения GPIO PCF8574 (рис. 11.5). Это отличный чип для создания до-
полнительных линий GPIO при условии, что вам не нужна высокая скорость (демо-
программа работает по шине I2C на частоте 100 кГц).
АО
А1
А2
Р0
Р1
Р2
РЗ
Gnd
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 11.5. Разводка выводов PCF8574P3
Питание +3.3 В подается на контакт 16, а общий провод - на контакт 8. Кон-
такты от АО до А2 используются для выбора адреса микросхемы в качестве ведо-
мого (табл. 11.1). Выводы от Р0 до Р7 - это линии битов данных GPIO, которые
могут быть входными или выходными. Контакт 14 подключается к линии синхрони-
зации (SCL) , а контакт 15 - к линии данных (SDA) . Вывод 13 (/INT) можно ис-
пользовать в качестве сигнала уведомления о некоторых операциях (см. далее).
Адресные линии от АО до А2 программируются как нули при соединении с общим
проводом и как единицы при подключении к Vcc (+3.3 В в нашем случае). Если у
вас микросхема PCF8575A, то адрес нужно брать из правой колонки. Более ранняя
микросхема PCF8574 использует шестнадцатеричные адреса в левом столбце табли-
цы.
3 Суффикс «Р» в данном случае означает тип корпуса PDIP; полное наименование вариан-
та PCF8574A в таком корпусе будет PCF8574AP.
16
15
14
13
12
11
10
Г
VCC
SDA
SCL
INT
Р7
Р6
Р5
Р4
Табл. 11.1.
АО
О
О
О
О
1
1
1
1
А1
О
О
1
1
О
О
1
1
А?
О
1
О
1
О
1
О
1
Конфигурация адреса PCF8574
Адрес PCF8574
0x20
0x21
0x22
0x23
0x24
0x25
0x26
0x27
Адрес PCF8574A
0x38
0x39
ОхЗА
ОхЗВ
ОхЗС
0x3D
ОхЗЕ
0x3F
На рис. 11.6 показаны три устройства PCF8574P, подключенные к STM32 через
шину I2C.
Схема выглядит немного перегруженной, но это не страшно. Обратите внимание,
что шина I2C состоит только из пары линий SCL и SDA, исходящих из STM32. Эти
две линии подтягиваются резисторами R1 и R2 соответственно. Каждое ведомое
устройство также подключено к этим линиям шины, что позволяет любому из них
реагировать, когда оно распознает свой адрес.
Обратите внимание, что микросхемы IC1, IC2 и IC3 имеют разное подключение
адресных контактов АО, А1 и А2. Это задает каждому устройству свой собствен-
ный адрес (см. табл. 11.1). Эти адреса должны быть уникальными.
VCC
о
VCC
PB8/SCL
PB9/SDA
РС14
STM32
Gnd
♦3.3 Volts
5fS
см,
SCL
SDA
INT
IC1
13
15
XT
GND
GND
VDD
INT
SDA
SCL
A0
A1
A2
P0 g-
P1 Г
P2 |-
P5 Ё
ре \*
P7 н^
VSS
16
CO ,
IC2
13
PCFS574P
VDD
INT
SDA
SCL
АО
A1
A2
P0
P1
P2
P3
PA
PS
P6
P7
VSS
16
[4_
9
hjj
PCF8574P
GND
GND
IC3
13
VDD
INT
SDA
SCL
АО
A1
A2
PO
P1
P2
P3
P4
PS
P6
P7
VSS
16
4
9_
In
6
PCF8574P
Рис. 11.6. KSTM32 подключено три ведомых устройства PCF8574P с
использованием шины I2C.
Остальные соединения на рис. 11.6 - это питание и линия /INT. Эта линия -
дополнительный компонент интерфейса, который не имеет ничего общего с самой
шиной I2C. Вы можете даже не подключать выводы /INT устройств PCF8574P вовсе,
особенно если устройства никогда не используются для ввода через дополнитель-
ные GPIO.
Линия /INT сигнализирует об изменениях входных GPIO и обычно подключается к
линии прерывания микропроцессора. Это избавляет MCU от постоянного опроса
устройств I2C, например чтобы узнать, была ли нажата кнопка. Если какая-либо
входная линия меняется с высокого уровня на низкий или с низкого на высокий,
транзистор с открытым стоком в PCF8574 включается и переводит /INT в низкий
уровень. Этот уровень остается низким до тех пор, пока устройство не «обслу-
жит» свое прерывание. Простое чтение или запись на периферийное устройство -
это все, что необходимо для обслуживания прерывания.
Линия /INT не определяет, какое именно ведомое устройство зарегистрировало
изменение. Контроллер все равно должен опрашивать участвующие подчиненные
устройства, чтобы узнать, где произошло изменение.
Есть небольшое ограничение, о котором важно помнить. Если изменение уровня
GPIO происходит слишком быстро, прерывание не будет сгенерировано. Также воз-
можно, что событие изменения GPIO произойдет во время цикла ACK/NACK, когда
прерывание очищается. Возникающее тогда прерывание также может быть потеряно.
В описании PCF8574 от компании NXP Semiconductors указано, что требуется 4
мкс с момента обнаружения изменения GPIO до активации линии /INT. Оставшееся
время будет состоять из реакции микроконтроллера на прерывание и его про-
граммной обработки.
В описании NXP Semiconductors порты ввода-вывода PCF8574 описаны как ква-
зидвунаправленные. Это означает, что порты GPIO (от РО до Р7) могут использо-
ваться в качестве выходов или считываться как входы напрямую, без какой-либо
настройки через регистр устройства.
Чтобы отправить выходное значение, вы просто записываете его на устройство
PCF8574 по шине I2C. С другой стороны, GPIO в качестве входов требуют неболь-
шой хитрости: если вам нужны входы GPIO, вы сначала записываете 1 бит в порт
GPIO. Чтобы увидеть, как это работает, просмотрите рис. 11.7.
Управление АСК
о
Вход чтения
о—
Управление уровнем
выс./низк.
GPIO вх/вых
100 иА
Мах
GND
Рис. 11.7. Упрощенная схема GPIO микросхемы PCF8574.
Начните с верхней части схемы, где находится Vcc (+3.3 В). Внутри микро-
схемы находится источник постоянного тока на 100 мкА, включенный по-
следовательно с транзисторами М2 и Ml. Следовательно, когда в порт GPIO запи-
сывается высокий уровень (бит = 1), транзистор М2 включается, a Ml выключает-
ся (управляется внутренним сигналом «управление уровнем»). Транзистор МЗ в
это время выключен.
Если вы замкнули вывод GPIO на землю, источник постоянного тока ограничит
ток до 100 мкА, когда он протекает через М2 и выходит из вывода GPIO на землю
(крайняя правая стрелка на рис. 11.7). При таком замыкании внутренние компо-
ненты PCF8574 способны распознавать низкий уровень на внутреннем выводе «Вход
чтения», подключенном к GPIO, который теперь считывается как нулевой бит. За-
писывая бит = 1 в GPIO, вы позволяете внешней цепи снизить уровень напряжения
или оставить его высоким. Ток всегда ограничен до 100 мкА, поэтому вреда ни-
кому не будет.
Если бы вместо этого в вывод GPIO был записан бит = 0, транзистор Ml всегда
был бы включен, замыкая выход GPIO на общий провод. В результате с линии
«Вход чтения» всегда будет читаться бит, равный нулю. Используя простое пра-
вило записи единичного бита в GPIO, вы можете определить, когда он замыкается
на землю в качестве входа.
Квазидвунаправленная конструкция GPIO имеет свои последствия. Вы уже виде-
ли, что ток закороченного выхода GPIO ограничен 100 мкА4. Это означает, что
GPIO не может выступать в качестве источника тока для светодиода. Типичному
светодиоду требуется ток около 10 мА, что в 100 раз больше, чем способен
обеспечить этот GPIO!
Однако транзистор Ml способен выдерживать максимум 25 мА, если вы исполь-
зуете вывод GPIO для подачи питания на светодиод. На рис. 11.8 показано, как
управлять светодиодом.
VCC
о
Управление АСК
о
Вход чтения
о—
Управление уровнем
выс./низк.
о
A-Q GPIObx/вых
GND
Рис. 11.8. Управление нагрузкой с помощью PCF8574,
4 Хотя ток высокого уровня PCF8574 ограничен величиной 100 мкА, этого достаточно для
управления другими входными сигналами CMOS-микросхем. Микросхемы по технологии CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor, комплементарный металл-оксидный полупро-
водник, КМДП) отличаются близким к нулю потреблением тока по входу (в статическом
установившемся режиме). Практически все современные цифровые микросхемы (включая и
микроконтроллеры, и микросхемы низкой степени интеграции, как PCF8574) выполняются с
внешними выводами, совместимыми с CMOS.
Светодиод и резистор R1 питаются от напряжения Vcc, которое не ограничено
по току. Таким образом, Ml действует как переключатель, пропускающий ток на
землю, зажигая светодиод. Логический смысл этого заключается в том, что вам
нужно записать бит = 0, чтобы включить светодиод.
Когда выход GPIO установлен в единичное состояние, для поднятия его до Vcc
доступен ток только 100 мкА. Это представляет собой некоторую проблему в виде
большого времени нарастания при переключении от низкого потенциала.
Разработчики PCF8574 добавили схему с транзистором МЗ (рис. 11.8), который
обычно закрыт. Однако при записи в устройство каждый вывод GPIO, устанавли-
ваемый в единичное состояние, получает добавку от МЗ во время цикла I2C
ACK/NACK. Это помогает обеспечить быстрый переход от низкого к высокому уров-
ню выходного сигнала. После завершения цикла ACK/NACK МЗ снова выключается,
оставляя ограничитель тока 100 мкА для поддержания высокого уровня выходного
сигнала.
Демопроект
Рисунок 11.9 иллюстрирует окончательную схему демонстрационной программы.
Примечательные изменения в сравнении с общим примером (рис. 11.6) заключаются
в том, что используется только один чип PCF8574 с двумя светодиодами и одной
кнопкой.
VCC
о
+3.3 Volts
VCC
PB8/SCL
PB9/SDA
РС14
STM32
Gnd
а:
SCL
CN .
SDA
NT
IC1
13
_15
14
GND
GND
VDD
INT
SDA
SCL
АО
A1
A2
PO
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
VSS
PCF8574P
со,
16
4
5
6_
7_
9_
J_0
Л
12
8
t-
*■
CN
О
Ш
GND
Рис. 11.9. Демонстрационная схема 12С со светодиодами и кнопкой.
При сборке демонстрационной схемы (рис. 11.9) не забудьте включить подтяги-
вающий резистор R3, чтобы потенциал покоя вывода контроллера РС14 был высо-
ким. Также обратите внимание, что оба светодиода питаются от шины Vcc, поэто-
му выводы РО и PI PCF8574 должны обеспечить втекающий ток для включения све-
тодиодов. Вывод Р7 PCF8574 будет считывать кнопку, следовательно, в покое
имеет высокий уровень (напомним, что вывод в PCF8574 получает высокий уровень
от источника постоянного тока 100 мкА). При нажатии кнопки вывод Р7 замыкает-
ся на общий провод, в результате чего считывается нулевой бит.
В проекте RTC2 прерывание EXTI использовалось для создания отдельного пре-
рывания тревоги. Требуется еще несколько шагов для получения прерывания на
РС14 по сигналу /INT. Давайте посмотрим на используемое программное обеспече-
ние. Программное обеспечение проекта для этой главы находится в следующем ка-
талоге :
$ cd ~/stm32fl03c8t6/rtos/i2c-pcf8574
Сначала мы рассмотрим настройку I2C и прерываний EXTI в процедуре main()
файла main.с (листинг 11.1) .
Листинг 11.1. Первоначальная настройка периферийных устройств I2C и
ваний EXTI
преры
I-
0197
0198
0199
0200
0201
0202
0203
0204
0205
0206
0207
0208
0209
0210
0211
0212
0213
0214
0215
0216
0217
0218
0219
0220
0221
0222
0223
0224
0225
0226
0227
0228
0229
int
main(void)
{
rcc_clock_setup_pll (&rcc_hse_conf igs [RCC_CLOCK_HSE8_72MHZ]) ;
rcc_j>eriph_clock_enable(RCC_GPIOB) ; // I2C
rcc_periph_clock_enable(RCC_GPI0C); // LED
rcc_j>eriph_clock_enable(RCC_AFIO) ; // EXTI
rcc_periph_clock_enable(RCC_l2Cl); // I2C
gpio_set_mode(GPIOB,
GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_OPENDRAIN,
GPI06|GPI07); // I2C
gpio_set(GPIOB,GPI06|GPI07); // Idle high
gpio_set_mode(GPIOC,
GPI0_M0DE_0UTPUT_2_MHZ,
GPIO_CNF_OUTPUT_PUSHPULL,
GPI013); // LED on PC13
gpio set(GPIOC,GPI013); // PC13 LED dark
// AFIO_MAPR_I2C1_REMAP=0,
gpio_primary_remap (0,0) ;
PB6+PB7
gpio_set_mode(GPIOC, // PCF8574 /INT
GPIO_MODE_INPUT, // Input
GPIO_CNF_INPUT_FLOAT,
GPI014); // on PC14
exti_select_source(EXTI14,GPIOC);
exti_set_trigger(EXTI14,EXTI_TRIGGER_FALLING);
exti_enable_request(EXTI14);
nvic enable irq(NVIC EXTI15 10 IRQ); // PC14 <- /INT
Строки 201-204 включают тактовые сигналы на выводах GPI0B, необходимые для
I2C, GPIOC (для управления светодиодами и РС14). Строка 206 настраивает GPIO
РВ6 и РВ7 для работы с открытым стоком для периферийного устройства I2C.
Строка 210, возможно, не является строго необходимой, но до тех пор, пока пе-
риферийное устройство I2C не будет настроено, линии шины I2C должны быть под-
ключены к высокому уровню.
Строка 219 настраивает порт I2C1 на использование РВ6 и РВ7. Функцию
gpio_primary_remap() библиотеки libopencm3 можно использовать для выбора дру-
гих вариантов. РВ6 и РВ7 полезны, поскольку имеют входы, устойчивые к напря-
жению 5 В.
Строка 221 настраивает GPIO PC14 как вход в плавающем режиме. Эта линия бу-
дет физически подтянута к питанию резистором R3 (рис. 11.9) .
Строки 226-229 настраивают прерывание EXTI. Функция exti_select_ source()
выбирает GPIO PCI4 для добавления в список потенциальных источников прерыва-
ний. Затем строка 227 настраивает возникновение прерывания при перепаде сиг-
нала с высокого на низкий уровень. Наконец, строка 228 позволяет периферийно-
му устройству EXTI запрашивать прерывания. Вызов nvic_enable_irq() включает
вектор прерываний NVIC_ EXTI15_10_IRQ. Когда произойдет это прерывание, будет
вызван обработчик extil5_10_isr().
Чтобы вам не пришлось долго ломать голову над справочным описанием
STMicroelectronics (RM0008), здесь представлена табл. 11.2. На мой взгляд, в
описании неясно, как поддерживаются прерывания для EXTI. В таблице показано,
что строки с 0 по 4 имеют собственный вектор прерывания. Но для портов GPIO с
номерами от 5 до 9 или от 10 до 15 векторы прерываний используются более ши-
роко.
Табл. 11.2. Список прерываний EXTISTM32F103 и имен процедур ISR5
Прерывание
NVIC EXTI0 IRQ
NVIC EXTI1 IRQ
NVIC EXTI2 IRQ
NVIC EXTI3 IRQ
NVIC EXTI4 IRQ
NVIC EXTI9 5 IRQ
NVIC EXTI15 10 IRQ
NVIC PVD IRQ
NVIC RTC ALARM IRQ
NVIC USB WAKEUP IRQ
Процедура ISR
extiO isr()
extil isr()
exti2 isr()
exti3 isr()
exti4 isr()
exti9 5 isr()
extil5 10 isr()
pvd isr()
rtc alarn isr()
usb wakeup isr()
Описание
Выводы 0
Выводы 1
Выводы 2
Выводы 3
Выводы 4
PA0/PB0/PC0
РА1/РВ1/РС1
РА2/РВ2/РС2
РАЗ/РВЗ/РСЗ
РА4/РВ4/РС4
Выводы 5-9: РА5-9/РВ5-9/РС5-9
Выводы 10-15: РА10-15/РВ10-15/РС10-15
Линия 16
Линия 17
Линия 18
детектор напряжения питания
событие тревоги RTC
пробуждение USB
Исходный код для управления периферийным устройством 12С помещен в модуль
12с.с. Первая интересующая нас функция - i2c_configure(), показанная в лис-
тинге 11.2.
Листинг 11.2. Конфигурация 12С
0088: void
0089: i2c_configure(I2C_Control *dev,uint32_t i2c,uint32_t ticks) {
0090:
0091: dev->device = i2c;
0092: dev->timeout = ticks;
0093:
5 Линии 16-18 (см. нижние строки в таблице) представляют собой внутренние соединения
и не соответствуют никакому внешнему выводу.
0094
0095
0096
0097
0098
0099
0100
0101
0102
0103:
0104:
i2c_peripheral_disable(dev->device);
i2c_reset(dev->device);
I2C_CR1(dev->device) &= -I2C_CRl_STOP; // Clear stop
i2c_set_standard_mode(dev->device); // 100 kHz mode
i2c_set_clock_f requency (dev->device,36) ; // APB Freq
i2c_set_trise(dev->device,36); // 1000 ns
i2c_set_dutycycle (dev->device, I2C_CCR_DUTY_DIV2) ;
i2c_set_ccr(dev->device,180); // 100 kHz <= 180 * 1 /36M
i2c_set_own_7bit_slave_address (dev->device,0x23) ;
// Necessary?
i2c_peripheral_enable(dev->device);
}
Структура с именем I2C_Control для хранения конфигурации передается в каче-
стве первого аргумента. Периферийный адрес I2C передается в аргументе i2c,
который в этой демонстрации будет I2C1. Последний аргумент определяет исполь-
зуемый тайм-аут, указанный в тиках. Эти значения сохраняются в I2C_Control в
строках 91 и 92 для дальнейшего использования.
Строки 94-96 очищают и сбрасывают периферийное устройство I2C, чтобы, если
оно зависло, его можно было «отсоединить». Одним из недостатков I2C является
то, что протокол иногда может зависать, если на шине происходят неприятные
вещи.
Строки 97-103 настраивают периферийное устройство I2C и включают его. Стро-
ка 102 необходима только в том случае, если вы хотите использовать контроллер
в ведомом режиме.
В предыдущих версиях libopencm3 была предусмотрена функция i2c_reset(). Те-
перь необходимо предоставить нашу собственную (листинг 11.3), на которую есть
ссылка в коде листинга 11.2 в строке 95. Обратите внимание, что функция опре-
делена как «статическая», поскольку за пределами модуля 12с.с нет кода, кото-
рый ссылается на нее.
Листинг 11.3. Функция i2c reset()
0062
0063
0064
0065
0066
0067
0068
0069
0070
0071
0072
0073
0074
0075
0076
0077
0078
0079
0080
0081
0082
static void
i2c reset(uint32 t i2c)
{
switch (i2c) {
case I2C1:
rcc_periph_reset_pulse(RST_I2C1);
break;
#if defined(12C2_BASE)
case I2C2:
rcc_periph_reset_pulse (RST_I2C2) ;
break;
#endif
#if defined(I2C3_BASE)
case I2C3:
rcc_periph_reset_pulse(RST_I2C3);
break;
#endif
default:
break;
}
Прежде чем можно будет инициировать любые операции I2C, вы должны прове-
рить , занято ли устройство. В противном случае ваш запрос, скорее всего, бу-
дет проигнорирован или повредит текущей операции. В листинге 11.4 показана
используемая процедура.
Листинг 11.4. Проверка I2C на готовность
ОНО
0111
0112
0113
0114
0115
0116
void
i2c_wait_busy(I2C_Control *dev) {
while ( I2C_SR2(dev->device) & I2C_SR2_BUSY )
taskYIELD(); // I2C Busy
}
Этот код использует процедуры и макроопределения библиотеки libopencm3 для
управления периферийным устройством. Однако если устройство занято, управле-
ние передается другим задачам FreeRTOS с помощью оператора TaskYIELD().
Чтобы инициировать сессию обмена по шине I2C, периферийное устройство долж-
но выполнить операцию «старт». Это может включать арбитраж шины, если исполь-
зуется несколько ведущих. В листинге 11.5 показана процедура, используемая в
данной демонстрации.
Листинг 11.5. Функция запуска I2C
0122
0123
0124
0125
0126
0127
0128
0129
0130
0131
0132
0133
0134
0135
0136
0137
0138
0139
0140
0141
0142
0143
0144
0145
0146
0147
0148
0149
0150
0151
0152
void
i2c_start_addr(l2C_Control *dev,uint8_t addr,enum I2C_RW rw) {
TickType_t tO = systicks();
i2c_wait_busy(dev); // Block until not busy
I2C_SR1(dev->device) &= ~I2C_SR1_AF; // Clear Acknowledge failure
i2c_clear_stop(dev->device); // Do not generate a Stop
if ( rw == Read )
i2c_enable_ack(dev->device);
i2c_send_start(dev->device); // Generate a Start/Restart
// Loop until ready:
while ( !((l2C_SRl(dev->device) & I2C_SR1_SB)
&& (I2C_SR2(dev->device) & (I2C_SR2_MSL|I2C_SR2_BUSY))) ) {
if ( diff_ticks(tO,systicks()) > dev->timeout )
longjmp(i2c_exception,I2C_Addr_Timeout);
taskYIELD();
}
// Send Addressfi R/W flag:
i2c_send_7bit_address(dev->device,addr,
rw == Read ? I2C_READ : I2C_WRITE);
// Wait until completion, NAKor timeout
tO = systicks();
while ( !(l2C_SRl(dev->device) & I2C_SR1_ADDR) ) {
if ( I2C_SR1(dev->device) & I2C_SR1_AF ) {
i2c_send_stop(dev->device);
(void)I2C_SR1(dev->device);
(void)I2C_SR2(dev->device); // Clear flags
// NAK Received (no ADDR flagwill be set here)
0153
0154
0155
0156
0157
0158
0159
0160
0161
longjmp (i2c_exception, I2C_Addr_NAK) ;
}
if ( diff_ticks (tO, systicks () ) > dev->timeout )
longjmp (i2c_exception, I2C_Addr_Timeout) ;
taskYIELD() ;
(void)I2C SR2(dev->device); // Clear flags
}
Первым шагом является определение текущего времени тика в строке 124. Это
позволяет нам запланировать операцию и тайм-аут при необходимости. Строка 126
ожидает готовности периферийного устройства. Когда все готово, строка 127
очищает ошибку подтверждения, если она была. Строка 128 указывает, что «стоп»
не должен генерироваться.
Если операция будет чтением, вызывается i2c_enable_ack(), чтобы разрешить
получение сигнала АСК от ведомого устройства. Затем периферийному устройству
в строке 131 приказывают сгенерировать сигнал «старт».
Строки 134 и 135 проверяют, был ли сгенерирован сигнал «старт». Если он еще
не сгенерирован, строки 136 и 137 проверяют и выполняют longjmpQ, если время
ожидания операции истекло. Позже мы поговорим подробнее о функции longjmp(),
действующей подобно исключению. Если время ожидания не истекло, выполняется
оператор FreeRTOS TaskYIELDQ для совместного использования контроллера, пока
протекает ожидание.
После генерации стартового состояния выполнение продолжается в строке 142
отправкой адреса ведомого устройства с битом чтения/записи R/W.
В строке 146 мы снова отмечаем время для еще одного потенциального тайм-
аута. Строка 147 ожидает отправки адреса I2C, а строка 148 проверяет, под-
твердило ли ведомое устройство запрос. Если ни одно устройство не отвечает на
запрошенный адрес, по умолчанию будет получен NACK (благодаря подтягивающему
резистору). Если время операции истекло, в строке 156 выполняется функция
longjmp().
Если операция успешна, очищается флаг путем вызова I2C_SR2() для чтения ре-
гистра статуса.
Если после того, как стартовый бит сгенерирован, при отправке адреса было
указано, что затем следует запись, мы должны выполнить это действие. В ли-
стинге 11.6 показана используемая функция записи.
Листинг 11.6. Функция записи 12С
0167
0168
0169
0170
0171
0172
0173
0174
0175
0176
0177
void
i2c_write(I2C_Control *dev,uint8_t byte) {
TickType_tt0 = systicks();
i2c_send_data(dev->device,byte);
while ( !(I2C_SRl(dev->device) & (I2C_SR1_BTF)) ) {
if( diff_ticks(tO,systicks()) > dev->timeout )
longjmp(i2c_exception,I2C_Write_Timeout);
taskYIELD() ;
}
}
В строке 169 указано время возможного тайм-аута. Строка 171 отправляет байт
данных на периферийное устройство I2C для последовательной отправки по шине.
Строка 172 проверяет завершение этой операции и при необходимости организует
тайм-аут с помощью longjmpO (строка 174). Помимо совместного использования
контроллера с помощью TaskYIELDQ, функция возвращает результат в случае ус-
пеха.
Если целью было чтение, для чтения байта данных используется процедура чте-
ния. Листинг 11.7 иллюстрирует код соответствующей функции.
Листинг 11.7. Функция чтения 12С
0184
0185
0186
0187
0188
0189
0190
0191
0192
0193
0194
0195
0196
0197
0198
uint8_t
i2c_read(I2C_Control *dev,bool lastf) {
TickType_t tO = systicks();
if ( lastf )
i2c_disable_ack(dev->device); // Reading last/only byte
while ( !(I2C_SRl(dev->device) & I2C_SRl_RxNE) ) {
if ( diff_ticks(tO,systicks()) > dev->timeout )
longjmp(i2c_exception,I2C_Read_Timeout);
taskYIELD() ;
return i2c get data(dev->device);
}
Одним из необычных аспектов представленной функции i2c_read() является то,
что она имеет логический флаг lastf. Это значение устанавливается вызывающей
стороной, если это последний или единственный байт, который нужно прочитать.
Это дает ведомому устройству предупреждение о том, что оно может расслабиться
(некоторые ведомые устройства должны предварительно выбирать данные, чтобы
идти в ногу с главным контроллером). Это цель действия в строке 189.
В противном случае это вопрос проверки состояния в строке 191 и тайм-аута в
строке 193, если операция занимает слишком много времени. В противном случае
процессор используется совместно с TaskYIELDQ, и байт возвращается в строке
197.
Процедура i2c_write_restart(), частично показанная в листинге 11.8, обес-
печивает возможность перехода от запроса на запись к другому запросу (чтению
или записи) без остановки. Вы можете продолжить работу с тем же ведомым уст-
ройством (по тому тот же адресу ведомого) или переключиться на другое. Это
важно при наличии нескольких ведущих устройств I2C, поскольку позволяет пере-
давать другое сообщение без повторного согласования доступа к шине.
Листинг 11.8. «Секретный код» выполнения транзакции с перезапуском I2C
0205
0206
0207
0208
0209
0210
0211
0212
0213
void
i2c_write_restart(I2C_Control *dev,uint8_t byte,uint8_t addr) {
TickType_t tO = systicks();
taskENTER_CRITICAL() ;
i2c_send_data(dev->device,byte);
// Must set start before byte has written out
i2c_send_start(dev->device);
taskEXIT CRITICAL();
Информацию такого рода трудно получить из справочного руководства STM32
(RM0008). Однако внимательное отношение к мелкому шрифту и сноскам иногда мо-
жет привести к находке золотых самородков. В руководстве говорится:
In master mode, setting the START bit causes the interface to generate a
Restart condition at the end of the current byte transfer. (В ведущем режиме
установка бита START заставляет интерфейс генерировать условие Restart в кон-
це передачи текущего байта).
Сделав строки 209-213 критическим разделом, вы гарантируете, что запросите
еще один «запуск» до завершения текущей записи I2C.
Листинг 11.9 иллюстрирует главный цикл демонстрационной программы. По боль-
шей части это просто, но есть несколько вещей, которые заслуживают внимания.
После настройки устройства 12 С в строке 131 внутренний цикл начинается со
строки 134. Пока нет ввода с клавиатуры, этот цикл продолжает запись и чтение
из микросхемы PCF8574.
Листинг 11.9. Главный цикл демонстрационной программы
0116
0117
0118
0119
0120
0121
0122
0123
0124
0125
0126
0127
0128
0129
0130
0131
0132
0133
0134
0135
0136
0137
0138
0139
0140
0141
0142
0143
0144
0145
0146
0147
0148
0149
0150
0151
0152
0153
0154
0155
0156
static void
taskl(void *args attribute ((unused))) {
uint8_t addr = PCF8574_ADDR(0); // I2C Address
volatile unsigned line = Ou; // Print line #
volatile uintl6_t value = Ou; // PCF8574P value
uint8_t byte = OxFF; // Read I2C byte
volatile bool read_flag; // True if Interrupted
I2C Fails fc; // I2C fail code
for
(;;) {
wait_start() ;
usb_puts("\nl2C Demo Begins "
"(Press any key to stop)\n\n");
// Configure I2C1
i2c_configure(&i2c,l2Cl,1000);
// Until akey is pressed:
while ( usb_peek() <= 0 ) {
if ( (fc = setjmp(i2c_exception)) != I2C_Ok ) {
// I2C Exception occurred:
usb_j>rintf("I2C Fail code %d\n\n",fc,i2c_error(fc));
break;
}
read flag = wait event(); // Interrupt or timeout
// Left four bits for input, are
// Right four bits for output:
set to 1-bits
value = (value & OxOF) | OxFO;
usb_j>rintf("Writing $%02X " "I2C @ $%02X\n",value,addr)
#if 0
/icicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicic
* This example performs a write transaction,
* followed by a separate read transaction:
a********************************************/
i2c_start_addr(&i2c,addr,Write);
i2c_write(&i2c,value&OxOFF);
i2c stop(&i2c);
0157
0158
0159
0160
0161
0162
0163
0164
0165
0166
0167
0168
0169
0170
0171
0172
0173
0174
0175
0176
0177
0178
0179
0180
0181
0182
0183
0184
0185
0186
0187
0188
0189
0190
0191
i2c_s tart_addr (&i2c, addr, Read) ;
byte = i2c_read(&i2c,true);
i2c_stop(&±2c);
#else
/icicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicic
* This example performs a write followed
* immediately by a readin one I2C transaction,
* using a "RepeatedStart"
icicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicic/
i2c_start_addr (&±2c,addr,Write) ;
i2c_write_restart(&i2c,value&OxOFF,addr);
byte = i2c_read(&i2c,true);
i2c_stop(&i2c);
#endif
if ( read_flag ) {
// Received an ISR interrupt:
if ( byte & OblOOOOOOO )
usb_printf("%04u: BUTTON RELEASED:
"$%02X; wrote $%02X, " "ISR %d\n",
++line,byte, value,isr_count);
else usb_printf("%04u: BUTTON PRESSED:
"$%02X; wrote $%02X, " "ISR %d\n",
++line,byte, value,isr_count);
} else {
// No interrupt(s):
usb_printf("%04u: " "Read: $%02X, "
"wrote $%02ХЛ ISR %d\n",
++line,byte,value,isr count);
}
value = (value +1) & OxOF;
}
usb_printf("\nPress any key to restart.\n");
}
Особо следует отметить функцию setjmp() в строке 135. Поскольку в С от-
сутствует механизм исключений, которым обладает C++, вместо него исполь-
зовалась функция longjmp(). Выполнение setjmp() в начальной части цикла по-
зволяет нам выполнить несколько последующих вызовов I2C, каждый из которых
имеет свои точки отказа, включая тайм-ауты. Если произойдет какой-либо сбой,
функция longjmp() вернет управление к строке 135 и вернет ненулевой код сбоя.
Отсюда можно сообщить о проблеме и выйти из внутреннего цикла.
Однако механизм setjmp/longjmp требует некоторых затрат. Обратите внимание,
что переменные line, value и read_flag помечены как volatile (строки 119-
122). Это было необходимо, чтобы заставить компилятор проигнорировать измене-
ния этих значений в результате вызова longjmp(), если это произойдет. Функция
setjmp сохраняет кучу регистров, a longjmp восстанавливает их, чтобы вернуть
управление. Любые переменные, все еще квитированные в регистре, будут уничто-
жены longjmp.
В строках 148,160 и 170 содержатся условные операторы #if, #else и #endif
соответственно. При изменении значения в строке 148 с нуля на ненулевое зна-
чение все транзакции станут индивидуальными; т. е. байт будет записан в
PCF8574P за одну транзакцию, за которой последует совершенно отдельная тран-
закция 12С для чтения из него.
Если оставить в строке 148 нулевое значение, вы сможете протестировать опе-
рацию перезапуска I2C. Строки 166-169 выполняют запись с последующим чтением
в той же транзакции.
Выполните сборку с нуля следующим образом:
$ make clobber
$ make
arm-none-eabi-gcc ... -о main.elf
arm-none-eabi-sizemain.elf
text data bss dec hex filename
13024 28 18200 31252 7al4 main.elf
Подготовьте устройство к перепрошивке и выполните следующие действия:
$ make flash
arm-none-eabi-objcopy -Obinary main.elf main.bin
/usr/local/bin/st-flash write main.bin 0x8000000
2017-12-09T21:32:12 INFOsrc/common.с: Flash written and verified!
jolly good!
Теперь подключите USB-кабель и запустите minicom, выполнив:
$ minicom usb
Welcome to minicom 2.7
OPTIONS:
Compiled on Sepl7 2016, 05:53:15.
Port /dev/cu. usbmodemWGDEMl, 21:33:40
Press Meta-Z for help on special keys
Taskl begun.
Press any key to begin.
Еще раз: аргумент «usb» для minicom - это имя файла, в котором вы сохранили
настройки minicom. В этом примере я использовал файл с именем usb.
Когда вы увидите сообщение «Taskl begun» (Задача 1 начата), нажмите любую
клавишу. Я нажал <Enter>. Как только вы это сделаете, устройство 12С должно
быть настроено, и вы начнете видеть сообщения следующего вида:
I2C Demo Begins (Press any key to stop)
Writing $F0 I2C @ $20
0001: Read: $F0, wrote $F0, ISR 0
Writing$Fl I2C @ $20
0002: Read: $F1, wrote $F1, ISR 0
Если нажать клавишу еще раз, управление остановится и затем выпадет во
внешний цикл. Еще одно нажатие клавиши перезапустит демонстрацию во внутрен-
нем цикле.
Значения, записанные в PCF8574P, будут увеличиваться в младших четырех би-
тах . Если вы подключили светодиоды к Р0 и Р1, как показано на схеме, вы долж-
ны увидеть их обратный отсчет в двоичном виде. Когда вы нажимаете кнопку, вы
должны увидеть несколько сообщений, указывающих на события нажатия и отпуска-
ния кнопки.
Writing $F5 I2C @ $20
0006: Read: $F5, wrote $F5, ISR 0
Writing $F6 I2C @ $20
0007: Read: $F6, wrote $F6, ISR 0
Writing $F7 I2C @ $20
0008: BUTTON PRESSED: $77; wrote $F7, ISR 4
Writing $F8 I2C @ $20
0009: BUTTON PRESSED: $78; wrote $F8, ISR 4
Writing $F9 I2C @ $20
0010: BUTTON PRESSED: $79; wrote $F9, ISR 5
Writing $FA I2C @ $20
0011: BUTTON PRESSED: $7A; wrote $FA, ISR 6
Writing $FB I2C @ $20
0012: BUTTON PRESSED: $7B; wrote $FB, ISR 7
Writing $FC I2C @ $20
0013: BUTTON PRESSED: $7C; wrote $FC, ISR 8
Writing $FD I2C @ $20
0014: Read: $7D, wrote $FD, ISR 8
Writing $FE I2C @ $20
0015: BUTTON RELEASED: $FE; wrote $FE, ISR 11
Значение, отображаемое после «ISR», показывает, сколько раз вызывалась про-
цедура прерывания. Моя кнопка была довольно дребезжащей, и без какого-либо
устранения дребезга вы видите несколько событий нажатия кнопки. Обратите вни-
мание, что, пока кнопка удерживалась нажатой, старший бит менялся с 1 на 0
(например, $FX изменился на $7Х).
ГЛАВА 12.
ДИСПЛЕИ
OLED
OLED (Organic Light-Emitting Diode, органический светоизлучающий диод) пре-
доставляет любителям интереснейшую разновидность недорогого дисплея. Посколь-
ку OLED-дисплеи основаны на светодиодах, они не требуют ни подсветки, ни
цветных фильтров, как ЖК-устройства. Это в некоторых случаях соответствует
более низкой стоимости.
Устройство на основе OLED, используемое в этой главе, является монохромным,
хотя, помимо черного, оно может отображать два цвета. Это звучит противоречи-
во, но монохромность означает лишь то, что для основного массива пикселей
отображается только один цвет. OLED-дисплеи с двумя цветами будут иметь поло-
су пикселей одного цвета, а остальные - другого6. Фон всегда черный (светоди-
од не горит).
Доступные сегодня устройства имеют небольшие размеры, обычно 128x32 или
128x64 пикселей. Физические размеры также имеют тенденцию быть небольшими.
Тем не менее, из-за своей низкой стоимости и ярких цветов, из них получаются
6 Во избежание путаницы уточним своими словами: монохромные дисплеи могут отображать
только один цвет - цвет собственного свечения пикселей (у цветных OLED-дисплеев ис-
пользуются RGB-пиксели с раздельным управлением для каждого цвета). В данном случае
(см. далее) автор использует монохромный дисплей, в котором часть площади занята
пикселями одного цвета свечения, остальная часть - другого. Вообще-то, это редкая
разновидность для специфического применения, гораздо чаще встречаются именно моно-
хромные устройства.
отличные экраны . В этой главе будет продемонстрировано отображение аналого-
вого вольтметра на OLED.
Устройство, которое было мной приобретено на eBay, рекламировалось как
«White/Blue/Yellow Blue 0.96 SPI Serial 128x64 OLED LCD LED Display Module
S». Будьте осторожны с «12С» и «SPI» в этом перечне. Многие продавцы смысла
этой надписи не понимают.
Важно то, что OLED должен использовать контроллер SSD1306 для управления
программным обеспечением. Сам дисплей производства WiseChip имеет номер дета-
ли UG-2864HSWEG01, хотя у продавца это может быть и не указано.
В некоторых предложениях может быть указан номер дисплея UG-2864AMBAG01,
который значительно отличается и не может использоваться с программным обес-
печением, описанным в этой главе. Если вы не против заплатить немного больше,
Adafruit продает их как «Монохромный 0.96 графический OLED-дисплей с разреше-
нием 128x64». Покупать у них проще, чем пытаться разыскать нужную деталь на
eBay8.
На рис. 12.1 показан OLED-дисплей, который используется в данном примере.
Adafruit OLED похож, но задняя сторона печатной платы отличается. Для про-
граммного обеспечения этой главы требуется модуль шириной 128 пикселей и вы-
сотой 64 пикселя.
Рис. 12.1. OLED-дисплей с контроллером SSD1306.
Для этой демопрограммы понадобится устройство, настроенное для четы-
рехпроводного SPI. На оборотной стороне устанавливаются резисторы, с помощью
которых настраивается устройство (рис. 12.2). Обратите внимание, что R3 и R4
OLED-дисплей имеют один крупный недостаток: пиксели со временем (в течение одного-
трех лет) имеют свойство «выцветать», теряя яркость, хотя и не теряют способность
светиться полностью. В этом отношении OLED напоминают осветительные светодиоды в
лампочках, которые также постепенно «выгорают», редко когда «перегорая» полностью. В
этом отличие этих разновидностей от обычных сигнальных светодиодов, которые могут
без каких-либо видимых изменений работать десятилетиями (при условии, конечно, что
не превышены предельно допустимые параметры).
8 Встречаются в продаже и другие модели производителя WiseChip (например, UG-2864KSYMG01,
UG-2864ASWPG14 и пр.). В отечественных условиях проще разыскать подобный дисплей в местных
магазинах или на AliExpress. В любом случае следует ориентироваться на название контрол-
лера дисплея SSD1306, т. е. внимательно смотреть документацию. Хотя, возможно, двухцветно-
го типа именно этого производителя вы и не найдете (наличие двух цветов - все-таки эк-
зотика) , но в любом случае совпадение типов контроллера дает гарантию работы от того же
программного обеспечения.
на рисунке установлены, что подтверждает, что это устройство настроено для
четырехпроводного SPI. У тех, кто использует устройство Adafruit, должны быть
отключены перемычки SЛ и SJ2.
Рис. 12.2. Обратная сторона OLED, иллюстрирующая конфигурацион-
ные резисторы от R1 до R8.
В табл. 12.1 представлены различные возможные конфигурации. Четырех-
проводной SPI подразумевает обычные три сигнала SPI плюс дополнительная ли-
ния, указывающая сигнал команды или данных. Эта дополнительная строка имеет
низкий уровень, чтобы указать, когда отправляется командный байт, и высокий
уровень для посылки данных.
Табл. 12.1. OLED-конфигурации
R1
+
-
-
R2
-
-
+
R3
-
+
+
R4
+
+
-
Конфигурация
12С (не используется в этом примере)
Четырехпроводной SPI
Трехпроводной SPI (не используется в этом примере)
Плата дисплея имеет семь контактов, перечисленных в табл. 12.2. Соединение
Reset является необязательным и должно быть подключено к высокому уровню (не-
активно) , если оно не используется9. Демопрограмма будет использовать GPIO
для активации сброса при запуске.
Табл. 12.2. OLED-соединения
OLED-контакт
GND
Vcc
DO (или SCK)
D1 (или SDA)
/RES
DC
/CS
Функция
Общий провод
От 3.3 до 5.0 В
SCK
SDIN
Reset
Данные/Команда
Chip select
Описание
Общий провод (корпус)
Напряжение питания (до 20 мА)
Системные такты SPI
SPI MOSI (вход данных OLED)
Сброс (активный низкий уровень)
Данные (высокий уровень), команда (низкий уро-
вень)
Выбор микросхемы (chip select, активный низкий
уровень)
9 Следует отметить, что в большинстве дисплеев (в том числе и OLED-разновидностей)
как с последовательными интерфейсами I2C или SPI, так и с параллельным 4/8-битным
интерфейсом специальный сигнал сброса отсутствует.
Точное значение потребления тока будет зависеть от нескольких факторов.
Adafruit предполагает, что типичный ток может составлять около 20 мА. В ходе
собственного тестирования я измерил ток 13.2 мА при всех включенных пикселях,
хотя различные варианты конфигурации OLED могут увеличить потребление. Этот
уровень достаточно низок, чтобы можно было безопасно питать OLED от стабили-
затора +3.3 В на плате контроллера.
Прежде чем изучать демопрограмму, полезно взглянуть на функции OLED-
дисплея, которыми она будет управлять. На рис. 12.3 показан OLED автора со
всеми включенными пикселями (с использованием команды контроллера 0хА5).
Рис. 12.3. Авторский желтый/синий OLED со всеми включенными пикселями.
Хотя это желто-синий OLED-дисплей, он монохромный. Желтый цвет вы получите
только в верхних 16 рядах. После разрыва в один ряд ниже него находится 48
рядов синих пикселей. В одноцветных устройствах этот зазор может отсутство-
вать . Тщательно выбирайте дисплей для своего применения.
Когда все пиксели были включены, мой OLED показал ток 13.3 мА.
Схема демонстрационного примера использует то же соединение SPI, которое мы
использовали в проекте Winbond (глава 8) , но задействует несколько дополни-
тельных линий управления для устройства OLED. В этой демонстрации по-прежнему
используется SPI1 для контроллера SPI, но используется альтернативная конфи-
гурация GPIO, которая будет описана далее. РА15 действует как /NSS, который
будет управлять выводом OLED выбора микросхемы /CS. РВ10 будет сигнализиро-
вать OLED о том, отправляются ли команды или данные. Наконец, РВИ можно ак-
тивировать для сброса OLED-дисплея при запуске демонстрационной программы.
Рисунок 12.4 иллюстрирует демосхему.
Чтобы сброс был эффективным, вывод /RES OLED, который подключен к контрол-
леру SSD1306, должен оставаться в низком уровне в течение как минимум 3 мкс.
Сброс устанавливает контроллер в несколько режимов по умолчанию, что позволя-
ет сэкономить часть инициализации.
Платформа STM32 поддерживает концепцию переназначения (ремаппинга) функций
контактов ввода-вывода GPIO. В их документации это называется «Alternate
Function I/O» (Альтернативная функция ввода-вывода). В демонстрационной вер-
сии в этой главе возможности AFIO используются для отображения SPI1 на GPIO
РА15, РВЗ, РВ4 и РВ5. В табл. 12.3 перечислены параметры AFIO для SPI1.
vcc
О
vcc
PB5/MOSI
PB3/SCK
PA15/NSS
PB10/C/D
PB11/RES
STM32
Gnd
+3,3 В
on-
vcc
SDIN(D1)
SCK (DO)
/CS
D/C
/RES
OLED
Gnd
GND
Рис. 12.4. Демонстрационная схема OLED с использованием SPI.
Табл. 12.3. Альтернативные функции ввода-вывода для SPI1
Альтернативная функция
SPI1 NSS
SPI1 SCK
SPI1 MISO
SPI1 MOSI
SPI1 REMAP=0
РА4
РА5
РА6
РА7
SPI1 REMAP=1
РА15
РВЗ
РВ4
РВ5
Функция AFIO обеспечивает дополнительную гибкость при планировании ресурсов
STM32. Если вам нужны входы, устойчивые к напряжению 5 В, вы можете использо-
вать SPI1_REMAP=1. Иногда AFIO используется, чтобы избежать конфликта с кон-
тактами г используемыми другим периферийным устройством.
Чтобы воспользоваться AFIO, вам необходимо выполнить следующее:
1) Включить источник тактовой частоты AFIO.
2) Настроить альтернативную функцию ALTFN.
3) Настроить выходы GPIO для ALTFN. Входы не требуют специальных действий,
кроме настройки в качестве входа.
Все эти три шага имеют важное значение. Например, если вы забудете включить
такты AFIO - или ничего не произойдет, или периферийное устройство зависнет.
С использованием библиотеки ИЬорепстЗ такты AFIO включаются следующим обра-
зом:
rcc_periph_clock_enable (RCC_AFIO) ;
Демопрограмма использует следующий вызов для выбора альтернативной функции
SPI1 с помощью функции gpio_primary_remap() библиотеки libopencm3:
// Put SPI1 on PB5/PB4/PB3/PA15
gpio_primary_remap (
AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAG_OFF_SW_OFF, // Optional
AFIO MAPR SPI1 REMAP) ; // SPIl REMAP=1
Первый аргумент отключает функциональность JTAG и является второстепенным
по отношению к нашей цели переназначения. Второй аргумент указывает, что вы
хотите переназначить SPI1 (SPI1_REMAP=1 в табл. 12.3). Естественное сопостав-
ление (SPI1_REMAP=0) используется по умолчанию после перезагрузки системы.
Для выходов GPIO при его настройке необходимо выбрать одну из следующих на-
строек. В противном случае периферийное устройство не сможет достичь выходных
контактов.
■ GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL.
■ GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_OPENDRAIN.
Например:
gpio_set_mode (
GPIOB,
GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL, // Note!
GPI05|GPI03);
Обратите внимание на ALTFN в имени третьего аргумента. Легко допустить
ошибку - вместо этого использовать аналогичное имя, не содержащее ALTFN, a
затем задаться вопросом, почему ваше периферийное устройство не взаи-
модействует с выводом.
Одним из препятствий при работе с графическими устройствами является выпол-
нение таких операций, как рисование линий, кругов и прямоугольников. Это
правда, что линии и прямоугольники достаточно просты, если в них используются
идеально горизонтальные и вертикальные линии. Но линии, наклоненные под уг-
лом, и круги (заполненные и незаполненные) представляют собой проблему. Кроме
того, необходимы шрифты для надписей.
Эти программные проблемы настолько велики, что среднестатистический разра-
ботчик не хочет тратить время на разработку решений. Ведь это проблемы, кото-
рые были решены раньше. Почему мы должны продолжать решать их снова?
Хорошей новостью является то, что проблема уже была решена и что про-
граммное обеспечение доступно в форме с открытым исходным кодом. В де-
монстрационном проекте в этой главе будет использоваться такое графическое
программное обеспечение.
Особенностью этого графического пакета, заключается в том, что он предна-
значен для адаптации к любой графической платформе. Помимо простой настройки
в файле uguiconfig.h, единственным требованием является наличие функции, пре-
доставляемой пользователем:
void
local_draw_point(UG_S16 x,UG_S16 y,UG_COLOR с) {
}
Учитывая координаты х и у и цвет, эта функция вызывается для рисования точ-
ки в вашей собственной графической среде. Чтобы это работало, среда uGUI про-
сто инициализируется указателем на функцию:
static UG_GUI gui;
UG_Init(&gui,local_draw_point,128,64) ;
Аргументы 128 и 64 в этом примере определяют максимальную ширину и высоту
холста для рисования. Как только это будет сделано, можно вызвать функции
uGUI для заполнения круга, например:
UG_FillCircle(x,y,c);
Демопроект
Демопроект находится в следующем каталоге:
$ cd -/stm32fl03c8t6/rtos/oled
Однако наше OLED-устройство является монохромным, поэтому требуется особая
обработка цвета. Для перевода цвета в монохромный в файле meter.с предусмот-
рена следующая процедура:
0059
0060
0061
0062
0063
0064
0065
0066
0067
0068
0069
0070
staticint
ug_to_j>en (UG_COLOR с)
switch ( с ) {
case С BLACK:
return 0;
case С RED:
return 2;
default:
return 1;
}
}
Эта функция просто преобразует любой цвет, кроме красного и черного, в 1
(белый), при этом черный обозначается как 0. Красный цвет (2) используется
демонстрационным программным обеспечением для операции «исключающее ИЛИ».
Операция «исключающее ИЛИ» имеет особое свойство: если пиксель в данный мо-
мент имеет значение 0 (черный), он будет окрашен в белый цвет. Если текущий
пиксель белый, то он преобразуется в черный. Независимо от текущего состояния
графического холста что-то всегда отображается в режиме «исключающее ИЛИ»10.
Для облегчения графического рисования на OLED используется буфер растрового
изображения, или, иначе, карты пикселей (pixmap). Это позволяет выполнять об-
ширные операции рисования на полной скорости процессора. В подходящее время
растровое изображение копируется на устройство OLED для отображения.
Растровое изображение определяется в файле meter.с следующим образом:
static uint8_t pixmap[128*64/8];
Это определяет 128 раз по 64 пикселя, по восемь пикселей на байт, таким об-
разом, требуется 1024 байта SRAM.
Чтобы облегчить рисование в растровом изображении, используется функция
to_pixel(), показанная в листинге 12.1. Она вычисляет адрес байта в растровом
изображении на основе заданных координат х и у, а затем возвращает номер бита
через аргумент указателя bitno.
10 В зависимости от вашего компилятора и используемых опций вы можете потратить вре-
мя на уменьшение объема компилируемого кода. Используйте #if, чтобы исключить неис-
пользуемые функции в модуле ugui.с.
Листинг 12.1. Функция to pixel()
0020
0021
0022
0023
0024
0025
0026
0027
0028
0029
0030
0031
0032
0033
0034
0035
static uint8_t dummy;
staticuint8_t *
to_pixel(short x,short y,unsigned *bitno)
*bitno = 7 - у % 8; // Inverted
if ( x < 0 || x >= 128
| | у < 0 | | у >= 64 )
return Sdummy;
unsigned inv_y = 63 - y;
unsigned pageno = inv_y / 8;
unsigned colno = x % 128;
return Spixmap[pageno * 128 + colno];
}
Несколько моментов требуют пояснений. Строки 24 и 30 используются для ин-
вертирования изображения. Это было сделано для того, чтобы желтая полоса из
16 рядов отображалась в верхней части дисплея. Чтобы использовать неинверти-
рованные координаты, вы должны изменить строку 2 4:
вместо
0024: *bitno = 7 - у % 8; // Inverted
записать
0024: *bitno = у % 8; // Non-inverted
Аналогично вместо вычисленного значения inv_y будет использоваться у. Цен-
трализация этого сопоставления в одном месте позволяет выводить на дисплей
преобразованные картинки. Например, вы можете переработать эту функцию, чтобы
преобразовать х и у для отображения на устройстве в портретном режиме, а не в
альбомном.
Теоретически не должно быть вызова этой процедуры, если координаты х и у
выходят за пределы допустимого диапазона. Но если это произойдет, подпрограм-
ма вернет указатель на фиктивное значение, чтобы вызов можно было игнориро-
вать без фатальных последствий.
После того как номера байтов и битов определены функцией to_pixel(), сама
функция рисования точек, как показано в листинге 12.2, становится проще.
Функция draw_point() вызывается более ранней функцией local_draw_point().
Процедура draw_point() ожидает значение реп, равное 2, 1 или 0, а не цвет.
Листинг 12.2. Внутренняя функция draw point()
0037
0038
0039
0040
0041
0042
0043
0044
0045
0046
0047
0048
0049
static void
draw_point(short x,short y,short pen) {
if ( x < 0 | | x >= 128 I I у < 0 | | у >= 64 )
return;
unsigned bitno;
uint8_t *byte = to_pixel(x,y,Sbitno);
uint8_t mask = 1 « bitno;
switch ( pen ) {
case 0:
*byte &= ^mask;
0050
0051
0052
0053
0054
0055
0056
0057
}
}
break;
case 1:
*byte |= mask;
break;
default:
*byteA= mask;
Строки 40 и 41 завершают функцию, ничего не делая, если координаты х и/или
у выходят за пределы допустимого диапазона. В противном случае строки 43 и 44
определяют адрес байта и номер бита для изменяемого пикселя. Строка 45 вычис-
ляет битовую маску на основе значения bitno и сохраняет ее в переменной mask.
Что произойдет дальше, зависит от значения пера реп. Если реп было равно 0
(белое), этот бит маскируется, и бит пикселя очищается до нуля. Если пиксель
равен 1, значение mask объединяется с байтом для получения 1-битного пикселя.
Наконец, в строке 55 значение реп по умолчанию (обычно 2) вместо этого соз-
даст «исключающее ИЛИ» пикселя.
Программное обеспечение
изображения вольтметра
Графическое программное обеспечение, предназначенное для изображения вольт-
метра на дисплее, находится в файле meter.с. Те, кто интересуется дизайном
этой программы, могут изучить исходный код для получения подробной информа-
ции . Для краткости я просто выделю важные функции внутри него.
void meter_init(struct Meter *m,float range);
Если бы это был C++, вы могли бы рассматривать функцию meter_init() как
конструктор. Структура Meter инициализируется вызовом, а диапазон аргументов
с плавающей запятой настраивает верхний предел диапазона измерений. В демон-
страционной программе main.с верхний предел указан как 3.5 для питания 3.5 В.
void meter_set_value(struct Meter *m,float v);
Эта функция изменяет значение, хранящееся в объекте измерений т, на значе-
ние v. Она переместит графический указатель (стрелку) в растровом изображе-
нии.
void meter_redraw(struct Meter *m);
Эта функция используется внутри во время инициализации для отображения все-
го вольтметра на растровом изображении. Его можно вызвать еще раз, если про-
граммное обеспечение подозревает или знает, что изображение каким-либо обра-
зом повреждено. В демоверсии функция вызывается только один раз при инициали-
зации.
void meter_update(void);
Это функция, используемая для передачи растрового изображения из SRAM на
OLED с использованием SPI1:
Код передачи через SPI показан в листинге 12.3.
Листинг 12.3. Функция meter update() передачи по SPI
0195
0196
0197
0198
0199
0200
0201
0202
0203
0204
0205
0206
0207
0208
0209
void
meter update(void)
{
uint8_t *pp = pixmap;
oled_command2(0x20,0x02);// Page mode
oled_command(0x40) ;
oled_command2 (0xD3,0x00) ;
for ( uint8_t px=0; px<8; ++px ) {
oled_command (OxBO | px) ;
oled_command(0x00); // Lo col
oled_command(0xl0); //Hi col
for ( unsigned bx=0; bx<128; ++bx )
oled_data(*pp++);
}
}
Строка 197 получает адрес первого байта растрового изображения. Строка 199
гарантирует, что контроллер SSD1306 находится в «страничном режиме». В этом
режиме память OLED разбита на восемь страниц по 128 байт пикселей.
Строка 200 инициализирует SSD1306 для запуска с нулевой строки дисплея, а
строка 201 инициализирует SSD1306 для установки смещения горизонтальной коор-
динаты дисплея на ноль.
Затем цикл в строках 202-208 обеспечивает постраничную передачу данных на
OLED. Строка 203 выбирает OLED-страницу для обновления. Строки 204 и 205 ини-
циализируют индекс горизонтальной координаты равным нулю. Линии 206 и 207
фактически передают данные контроллеру OLED и обновляют указатель рр данных
пикселей дисплея.
Функции oled_command(), oled_command2() и oled_data() находятся в главном
демонстрационном модуле main.с.
Поскольку модуль OLED требует специальной линии данных/команд, давайте рас-
смотрим функции, используемые программой вольтметра.
Функция oled_command() используется для отправки командных байтов на OLED-
контроллер и показана в листинге 12.4.
Листинг 12.4. Функция oled command()
0034
0035
0036
0037
0038
0039
0040
void
oled_command(uint8_t byte) {
gpio_clear(GPIOB,GPIO10);
spi_enable(SPIl);
spi_xfer(SPI1,byte);
spi_disable(SPIl);
}
Строка 36 очищает GPIO PB10, так что в строке данных/команды уста-
навливается низкий уровень, указывая контроллеру OLED, что данные SPI должны
интерпретироваться как командные байты. Строки 37-39 передают этот командный
байт через SPI1.
Функция oled_command2() идентична, за исключением того, что она отправляет
два байта команды вместо одного.
Функция oled_data() очень похожа на oled_command(). Она просто устанавли-
вает высокий уровень на линии GPIO PB10 (строка 53 листинга 12.5), чтобы кон-
троллер OLED принимал данные SPI как значения пикселей.
Листинг 12.5.Функция оled data()
0051
0052
0053
0054
0055
0056
0057
void
oled_data(uint8_t byte) {
gpio_set(GPIOB,GPI010);
spi_enable(SPIl);
spi_xfer(SPIl,byte);
spi_disable(SPIl);
}
Главный модуль вызывает функцию oled_reset() для инициализации OLED-
контроллера, как показано в листинге 12-6.
Листинг 12.6. Функция oled reset()
0059
0060
0061
0062
0063
0064
static void
oled_reset(void) {
gpio_clear(GPIOB,GPIOll);
vTaskDelay(1);
gpio_set(GPIOB,GPIOll);
}
В строке 61 РВИ устанавливается на низкий уровень. Затем в строке 62 на
один такт (около 1 мс) вызывается подпрограмма FreeRTOS vTaskDelay(), чего
должно быть более чем достаточно (требуется минимум 3 мкс) . Затем после за-
держки на выводе РВИ снова устанавливается высокий уровень.
Функция oled_init() показана в листинге 12.7. Строки 73 и 77 не являются
обязательными, они просто активируют встроенный светодиод на РС13. OLED сбра-
сывается в строке 74, после чего к нему отправляются несколько команд из мас-
сива ends (строка 68) в цикле в строках 75 и 76.
Листинг 12.7.Функция oled init()
0066
0067
0068
0069
0070
0071
0072
0073
0074
0075
0076
0077
0078
0x81,
0xD5,
0x8D,
OxCF,
0x80,
0x14,
OxAl,
0xD9,
OxAF,
0xA6,
OxFl,
OxFF };
static void
oled_init(void) {
static uint8_t cmds[] = {
OxAE, 0x00, 0x10, 0x40,
0xA8, 0x3F, 0xD3, 0x00,
OxDA, 0x12, OxDB, 0x40,
gpio_clear(GPIOC,GPI013) ;
oled_reset() ;
for ( unsigned ux=0; cmds[ux] != OxFF; ++ux )
oled_command(cmds [ux] ) ;
gpio set(GPIOC,GPI013);
}
Демопрограмма
В каталоге проекта выполните следующее:
$ make clobber
$ make
$ make flash
После того как STM32 прошит и подключен в соответствии со схемой, по-
казанной на рис. 12.4, вы сможете отключить программатор и подключить USB-
11
кабель к устройству STM32. Если все нормально работает , после небольшой
паузы вы должны увидеть экран, показанный на рис. 12.5. В зависимости от ва-
шего устройства вы можете видеть разные цвета.
Рис. 12.5. Демонстрационная программа создает графику
вольтметра на OLED.
Если дисплей инициализировался неправильно, лучше сразу отключить USB-
кабель и перепроверить соединения. В случае успеха запустите minicom с на-
стройками запуска USB (мой файл называется «usb»):
$ minicom usb
После того как minicom подключится к вашему USB-устройству и запустится, вы
должны увидеть экран сеанса, подобный следующему:
Welcome to minicom 2.7
OPTIONS:
Compiled on Sep 17 2016, 05:53:15.
Port /dev/cu. usbmodemWGDEMl, 22:46:21
Press Meta-Z for help on special keys
Press theReturn key to prompt a menu display from the demo program:
Test Menu:
0 .. set to 0.0 volts
1 .. set to 1.0 volts
2 .. set to 2.0 volts
3 .. set to 3.0 volts
4 .. set to 3.5 volts
+ .. increase by 0.1 volts
- .. decrease by 0.1 volts
Если при разработке нового проекта компоновщик сообщает, что .bss не помещается в
область оперативной памяти, проверьте значение размера кучи configTOTAL_HEAP_SIZE в
файле FreeRTOSConfig.h. Возможно, вам придется уменьшить размер кучи, чтобы освобо-
дить место для хранения вашей программы.
Нажатие «1» должно немедленно привести к тому, что индикатор (OLED) отобра-
зит 1.0 В. Аналогично нажатие «3» вызовет сдвиг к положению 3 В. Нажатие кла-
виши «+» или «-» позволит соответственно увеличить/уменьшить отображаемое на-
пряжение на десятую долю вольта.
ГЛАВА 13. OLED С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ DMA
В предыдущей главе было разработано программное обеспечение для управления
OLED с использованием передачи по SPI в основном режиме. Однако платформа
STM32 поддерживает контроллер DMA (Direct Memory Access, прямой доступ к па-
мяти) , который можно использовать для выполнения операций ввода-вывода и ос-
тавить больше времени доступным для процессора. В этой главе будет описано,
как настроить и использовать контроллер DMA для управления OLED-устройством.
Этот проект будет для нас непростым испытанием, поскольку наше OLED-
устройство требует особого обращения. Основные проблемы заключаются в следую-
щем:
■ контроллер OLED SSD1306 позволяет нам обновлять только одну из восьми
страниц одновременно, что требует нескольких передач DMA;
■ между отправленными страницами данных необходимо отправить дополнительные
команды контроллера SSD1306 для выбора следующей страницы для обновления;
■ переключение между командами OLED и данными требует от нас изменения уров-
ня сигнала DC между передачами, что не может быть интегрировано с самой
операцией DMA.
В некоторых приложениях есть возможность настроить контроллер DMA и просто
запустить его. Затем контроллер DMA опционально прерыванием уведомляет нас о
завершении операций. В этом проекте DMA будет запускаться несколько раз для
обновления восьми страниц данных памяти OLED. Проект позволит вам узнать, как
справиться с этой задачей.
Схема, используемая в проекте этой главы, идентична схеме, использованной в
главе 12 (см. рис. 12.4). Изменения в проекте касаются только используемого
программного обеспечения.
Контроллер DMA представляет собой простую машину, работающую в три этапа:
1. Первоначальная настройка.
2 . Исполнение.
3. Уведомление о завершении или повторном выполнении.
Цель DMA - прочитать данные из источника и записать их в пункт назначения.
Как именно это выполняется, зависит от его конфигурации.
Как контроллер DMA управляет автоматической передачей данных? Проект, пред-
ставленный в этой главе, настроит контроллер DMA для чтения данных из одной
из двух областей памяти:
■ массива командных байтов OLED,
■ массива байтов данных пикселей.
Таким образом, что касается контроллера DMA, источником данных будет па-
мять . При настройке контроллера программное обеспечение настроит адрес и дли-
ну байта.
Приемником DMA будет порт данных SPI для передачи на OLED (периферийное
устройство GPIO). Таким образом, пунктом назначения DMA при настройке будет
отображенный в памяти адрес порта для регистра данных SPI1 (&SPI1_DR в терми-
нах языка С).
Еще остается вопрос о том, когда передается данный байт данных. Цикл пере-
дачи DMA состоит из следующей серии событий:
1. На контроллер DMA отправляется сигнал запроса.
2. Контроллер DMA выполняет передачу данных (в данном случае из памяти на пе-
риферию) . Настроенный приоритет будет определять, какая передача произой-
дет первой.
3. Контроллер DMA отправляет запросчику сигнал подтверждения.
4 . Выдается сигнал запроса.
5. Выдается сигнал подтверждения DMA.
6. Контроллер DMA уменьшает счетчик длины данных.
7. При наличии соответствующей настройки увеличивается адрес источника или
приемника. Адрес увеличивается на размер (в байтах) переданных данных.
Этот процесс повторяется до тех пор, пока счетчик длины данных не достигнет
нуля. В этот момент контроллер DMA достигает состояния завершения, которое
при соответствующей настройке будет включать прерывание завершения.
Внутри микроконтроллера STM32 находятся линии сигналов запроса, под-
ключенные к каналам DMA. Микроконтроллер STM32F103C8T6 представляет собой
контроллер средней комплектации и имеет только один контроллер DMA (DMA1).
DMA1 поддерживает семь каналов DMA, а более крупные микроконтроллеры оснащены
вторым контроллером, который поддерживает еще пять каналов.
В табл. 13.1 приведены каналы DMA, поддерживаемые STM32F103C8T6. Наш проект
будет использовать канал 3 DMA1, поскольку он поддерживает линию запроса
SPI1TX.
Табл. 13.1. Поддерживаемые каналы DMA1
Источник
запроса
ADC1
Т1М2_СНЗ
TIM4 СН1
USART3_TX
Т1М1_СН1
TIM2_UP
Т1МЗ_СНЗ
SPI1 RX
USART3_RX
Т1М1_СН2
Т1МЗ_СН4
TIM3_UP
SPI1_TX
USART1_TX
TIM1_CH4
TIM1_TRIG
TIM1_C0M
TIM1_CH2
SPI2/I2S2_RX
I2C2_TX
USART1_RX
TIMIJJP
SPI2/I2C2_TX
TIM2_CH1
TIM4_CH3
I2C2_RX
Канал
1
2
3
4
5
Описание
DMA.1, канал 1
(высший приоритет)
DMA1, канал 2
DMA1, канал 3
DMA1, канал 4
DMA.1, канал 5
USART2_RX
TIM1_CH3
T1M3_CH1
TIM3 TRIG
I2C1_TX
USART2_TX
TIM2_CH2
TIM2_CH4
TIM4_UP
I2C1_RX
6
7
DMA1, канал 6
DMA1, канал 7
(самый низкий при-
оритет)
Из групп источников запроса в табл. 13.1 видно, что на канал 3, помимо
SPI1_TX, могут действовать и другие сигналы:
■ USART3_RX,
■ Т1М1_СН2,
■ Т1МЗ_СН4,
■ TIM3_UP.
Одновременно может быть активен только один из этих источников запроса.
Приложение, которому необходимо использовать SPI1_TX и USART3_RX, должно ор-
ганизовать это так, чтобы в данный момент контроллер DMA. был настроен только
для одного из них.
Каждый канал имеет настроенный приоритет из четырех уровней. Однако, если
конкурирующие каналы имеют одинаковый приоритет, приоритет имеет канал с наи-
меньшим номером.
Таблицу 13.1 можно рассматривать как таблицу соединений между периферийными
устройствами и линиями запроса контроллера DMA.. Например, SPI1 может запраши-
вать передачу по каналу 3, в то время как его запросы на прием передаются по
каналу 2. SPI2 жестко запрограммирован на запрос по каналам 4 и 5.
Перенос из памяти в память также может выполняться контроллером DMA с ис-
точником и пунктом назначения на любом доступном канале.
Наш проект будет использовать запрос SPI1_TX, доступный на канале DMA3. Эта
строка запроса активна, когда выполняются следующие условия:
■ флаг ТХЕ в регистре состояния SPI1 SPI_SR установлен в 1 (буфер передачи
пуст);
■ флаг TXDMAEN регистра управления SPI1 SPI_CR2 установлен в 1 (DMA вклю-
чен) ;
■ само периферийное устройство SPI1 включено (бит SPE в регистре SPI_CR1 ус-
тановлен в 1) .
Предполагая, что остальные аспекты конфигурации SPI1 настроены верно, вы-
полнение перечисленных трех условий активирует линию запроса DMA. Чтобы кон-
троллер DMA отреагировал на это, также должны быть выполнены следующие усло-
вия:
■ установлена одноразовая конфигурация DMA;
■ канал DMA включен.
Как только эти условия будут установлены как на периферийном устройстве
SPI1, так и на контроллере DMA, работа DMA продолжится без вмешательства про-
граммного обеспечения.
Демопрограмма
Знакомство с используемым программным обеспечением поможет сфокусировать
внимание на этих концепциях. Исходный код этой главы находится в следующем
каталоге:
$ cd -/stm32fl03c8t6/rtos/oled dma
Перейдите в этот каталог и перестройте проект с нуля
12 .
$ make clobber
$ make
$ make flash
В листинге 13.1 суммированы некоторые изменения, внесенные в программу
main() из исходного кода предыдущей главы. Строка 403 влияет на скорость пе-
редачи данных ввода-вывода SPI. Если делитель установлен на 64, частота SP1
SCLK увеличивается до 1.125 МГц. Если у вас возникли проблемы с работой схе-
мы, увеличьте делитель до 256. Макетная плата может быть очень шумной и огра-
ничивать производительность.
Листинг 13.1. Основные изменения программы
0401
0402
0403
0404
0405
0406
0407
0408
0412
0413
0414
0415
spi_init_master (
SPI1,
SPI_CR1_BAUDRATE_FPCLK_DIV_64, // 1.125 MHz
SPI_CR1_CPOL_CLK_TO_0_WHEN_IDLE,
SPI_CR1_CPHA_CLK_TRANSITI0N_1,
SPI_CR1_DFF_8BIT,
SPI_CR1_MSBFIRST
) ;
// DMA
rcc_periph_clock_enable (RCC_DMA1) ;
nvic_set_priority (NVIC_DMA1_CHANNEL3_IRQ, 0) ;
nvic enable irq(NVIC DMA1 CHANNEL3 IRQ) ;
0422 : xTaskCreate (spidma_task, " spi_dma" , 100 ,NULL, 1, &h_spidma) ;
Для работы DMA1 строка 413 включает системные такты. Линии 414 и 415 на-
страивают NVIC (встроенный контроллер векторов прерываний), чтобы обеспечить
генерацию прерывания завершения операции канала 3 DMA1.
Наконец, строка 422 создает еще одну задачу FreeRTOS с именем spidma_task ()
для организации необходимых передач DMA.
Листинг 13.2 иллюстрирует небольшое изменение, внесенное в модуль meter.с.
Оно просто вызывает модуль main.с для выдачи запроса на обновление OLED в
строке 199.
Листинг 13.2. Модификация meter.с
0197
0198
0199
0200
void
meter_update(void) {
spi_dma_xmit_pixmap () ;
}
В листинге 13.4 (см. далее) показана функция spi_dma_xmit_pixmap(), которая
запускает ввод-вывод в OLED путем DMA..
Для настройки контроллера DMA. перед использованием требуется достаточное
Обычно необходимо переставить перемычку BootO для прошивки устройства, если пре-
дыдущая прошивка настроила AFIO.Установите BootO = 1, оставьте Bootl = 0 и затем
прошивайте. После этого верните BootO = 0.
количество программного обеспечения. Хорошей новостью является то, что многое
из этого нужно сделать только один раз. В листинге 13.3 показана одноразовая
конфигурация DMA, используемая демонстрационной программой.
Листинг 13.3. Одноразовая инициализация DMA
0189
0190
0191
0192
0193
0194
0195
0196
0197
0198
0199
0200
static void
dma_init(void) {
dma_channel_reset(DMAl,DMA_CHANNEL3) ;
dma_set_peripheral_address(DMAl,DMA_CHANNEL3, (uint32_t) &SPI1_DR) ;
dma_set_read_from_memory (DMA1 ,DMA_CHANNEL3) ;
dma_enable_memory_increment_mode (DMA1 ,DMA_CHANNEL3) ;
dma_set_peripheral_size (DMA1 ,DMA_CHANNEL3 ,DMA_CCR_PSIZE_8BIT) ;
dma_set_memory_size (DMA1 ,DMA_CHANNEL3 ,DMA_CCR_MSIZE_8BIT) ;
dma_set_priority (DMA1 ,DMA_CHANNEL3 ,DMA_CCR_PL_HIGH) ;
dma_enable_transf er_complete_interrupt (DMA1 ,DMA_CHANNEL3) ;
}
Строка 192 сбрасывает контроллер DMA1. Это очищает контроллер от любых не-
исправностей и устанавливает ряд удобных значений по умолчанию. В строке 193
указывается адрес периферии SPI1_DR (регистр данных SPI1). Строка 194 указы-
вает, что контроллер будет выполнять чтение из памяти для канала 3 (таким об-
разом, пунктом назначения будет указанное периферийное устройство). Строка
195 настраивает контроллер DMA на увеличение адреса памяти после передачи ка-
ждого байта. Строка 196 указывает, что единица измерения размера - это байт
для периферийного устройства, а следующая строка делает то же самое для сто-
роны памяти. Строка 198 присваивает каналу DMA 3 высокий приоритет. Строка
199 включает уведомления о завершении передачи DMA по прерыванию.
На этом этапе контроллер DMA1 готов к действию, и ему нужно всего лишь не-
сколько дополнительных деталей, прежде чем он сможет заработать.
На первом этапе запуска обновления OLED-дисплея с помощью DMA используется
процедура spi_dma_xmit_pixmap () из модуля main, с, в сокращенной форме пока-
занная в листинге 13.4. Когда DMA запускается в первый раз, эта процедура вы-
зывает функцию start_dma(). Мы обсудим полную логику этой процедуры позже.
Листинг 13.4. Запуск передачи DMA
0156: void
0157: spi_dma_xmit_pixmap (void) {
0169
0170
0171
if ( prime )
start_dma(); // Start from idle
}
Код start_dma() представлен в листинге 13.5. Первое, что он делает, - это
сбрасывает значение pageno OLED обратно в ноль (строка 146) и сохраняет нача-
ло буфера растрового изображения OLED в переменной указателя pixmapp (строка
147) .
Для первого ввода-вывода SPI требуются командные байты, поэтому для GPIO
РВ10 устанавливается низкий уровень, чтобы указать контроллеру OLED, что сле-
дующие данные являются командными байтами (строка 148). Наконец,
spidma task() «запускается» в строке 149.
Листинг 13.5. Запуск задачи spidma для начала новой передачи DMA.
0040: static TaskHandle t h spidma = NULL;
0044: static volatile uint8_t*pixmapp = NULL;
0045: staticvolatile uint8 t pageno = 0;
0142
0143
0144
0145
0146
0147
0148
0149
0150
static void
start_dma(void) {
extern uint8_t pixmap[128*64/8];
pageno = 0;
pixmapp = Spixmap[0];
gpio_clear(GPIOB,GPIO10);
xTaskNotifyGive(h spidma)
// Cmd mode
}
Управление передачей ввода-вывода OLED DMA. сложное, поскольку мы должны
разбить процедуру обновления на восемь обновлений OLED-страниц, каждое из ко-
торых требует своего собственного набора байтов команд и данных. Задача
spidma task() показана в листинге 13.6.
Листинг 13.6. Задача управления обновлениями OLED DMA spidma taskQ
0041
0042
0043
0044
0045
static volatile bool dma_busy= false;
static volatile bool dma_idle = true;
static volatile bool dma_more = false;
static volatile uint8_t *pixmapp = NULL;
static volatile uint8 t pageno = 0;
0088
0089
0090
0091
0092
0093
0094
0095
0096
0097
0098
0099
0100
0101
0102
0103
0104
0105
0106
0107
0108
0109
0110
0111
0112
0113
static void
spidma_task(void *arg attribute((unused)))
static uint8_t cmds[] = {
0x20, 0x02, // 0: Page mode
: Display start line
, // 3: Display offset
: Page #
: Lo col
Hi Col
0x40,
0xD3,
OxBO,
0x00,
// 2
0x00
// 5
// 6
};
for
0x10 // 7
(;;) {
// Block until ISR notifies
ulTaskNotifyTake(pdTRUE,portMAX_DELAY) ;
if ( dma_busy ) {
spi_clean_disable (SPI1) ;
dma_busy = false;
if ( gpio_get(GPIOB,GPIO10) ) {
// Advance data
pixmapp += 128;
++pageno;
}
// Togglebetween Command/Data
gpio toggle(GPIOB,GPIO10);
0114
0115
0116
0117
0118
0119
0120
0121
0122
0123
0124
0125
0126
0127
0128
0129
0130
0131
0132
0133
0134
0135
0136
sent:
if ( pageno >= 8 ) {
// All OLED pages
dma_idle = true;
if ( dma_more) {
// Restart update
dmajnore = false;
start_dma () ;
}
} else {
//
Another page to send:
cmds[5] = OxBO | pageno;
if ( !gpio_get(GPIOB,GPIO10) ) {
// Send commands:
if ( !pageno )
spi_dma_transmit (&cmds [ 0 ] , 8)
else spi_dma_transmit (&cmds [5] , 3)
} else {
// Send page data:
spi dma transmit(pixmapp, 128) ;
}
Задача состоит в бесконечном выполнении цикла, начиная со строки 99. Первым
шагом в каждом цикле является вызов ulTaskNotifyTake(), что приводит к вечной
блокировке до получения уведомления. Прерывание завершения DMA. уведомит зада-
чу в процедуре ISR (будет рассмотрена далее). После получения уведомления вы-
полнение возвращается к строке 102.
Флаг dma__busy проверяется в строке 102, чтобы определить, выполняется ли в
данный момент операция DMA.. Однако при первом запуске управление возобновля-
ется в строке 114. При этом проверяется завершение обновления OLED, чего не
происходит при первом запуске. Затем управление передается строкам 124 и 125.
Строка 125 проверяет состояние GPIO PB10. Если состояние РВ10 низкое, то на
этот раз мы отправляем командные байты. В строке 124 в последовательность ко-
манд добавлено правильное значение pageno (pageno=0 при первом запуске).
Первая последовательность команд длиннее (строка 128) , поскольку включены
дополнительные команды, позволяющие убедиться, что контроллер OLED SSD1306
находится в правильном режиме обновления. Это делается на тот случай, если
ошибка данных привела к тому, что контроллер SSD1306 в какой-то момент выпол-
нил ошибочную команду. После этих команд байты с cmds[5] no cmds[7] отправля-
ются для определения обновляемой графической страницы. На страницах 1-7 мы
просто отправляем только команды настройки страницы для повышения эффективно-
сти.
После того как DMA завершил отправку командных байтов, управление снова пе-
реходит к строке 102 цикла с параметром dma_busy = true. Строка 103 выполняет
вызов подпрограммы libopencm3 spi_clean_disable(), чтобы дождаться, пока мож-
но будет безопасно манипулировать SPI1 после передачи DMA. DMA отправит байт
SPI, но байт данных, возможно, еще не покинул контроллер SPI. Когда управле-
ние достигает строки 104, можно безопасно начать новый ввод-вывод.
Строка 105 проверяет состояние GPIO PB10. После того как командные байты
были отправлены, это значение все равно будет низким, поэтому на этот раз
строки 107-108 будут пропущены. Однако строка 111 будет выполнена, при этом
линия DC изменится на высокий уровень для передачи данных.
Управление переходит к строке 125, но в этот момент на GPIO PB10 высокий
уровень, поэтому выполняется строка 132. Это запускает передачу по DMA SPI
128 байт данных.
Идем по кругу и снова оказываемся на строке 103. На этот раз GPIO PB10 име-
ет высокий уровень, поэтому переменная указателя pixmapp увеличивается на 128
(строка 107) , чтобы указать на следующую графическую страницу. Значение
pageno также увеличивается (строка 108). Из-за переключения, которое происхо-
дит в строке 111, GPIO PB10 возвращается в низкий уровень, указывая, что еще
несколько байтов команд должны быть отправлены в строках 124-129.
Этот цикл повторяется еще семь раз, чтобы страницы 1-7 были отправлены на
контроллер OLED. В конце концов pageno увеличивается до 8, и это видно в
строке 114. В строке 116 устанавливается флаг dma_idle = true, но начинается
еще один раунд обновлений OLED, если переменная флага dma_more окажется вклю-
ченной . Причина этой проверки будет объяснена позже.
Для облегчения этой передачи использовался механизм уведомления о задачах.
Чтобы понять почему, теперь будет раскрыта процедура ISR.
В листинге 13.7 представлена процедура обработчика прерывания ISR канала 3
DMA1. Строка 57 проверяет наличие флага DMA_TCIF канала 3 DMA1 (флаг прерыва-
ния завершения передачи) и, если да, очищает его в следующей строке. Как ука-
зано в этом примере, это должна быть единственная причина для входа в эту
функцию.
Листинг 13.7. Полная процедура ISR DMA.
0053
0054
0055
0056
0057
0058
0059
0060
0061
0062
0063
0064
void
dmal_channel3_isr (void) {
BaseType t woken attribute
((unused)) = pdFALSE;
if ( dma_get_interrupt_f lag (DMA1, DMA_CHANNEL3 , DMA_TCIF) )
dma_clear_interrupt_f lags (DMA1, DMA_CHANNEL3 ,DMA_TCIF) ;
spi_disable_tx_dma (SPI1) ;
// Notify spidma_task to start another:
vTaskNotifyGiveFromlSR(h spidma,&woken);
}
Важная операция очистки флага DMA_TCIF указана в строке 58. В том же ISR
возможны два других источника прерываний. Полный список для данного канала
DMA. включает следующее:
■ DMATC_IF - флаг прерывания завершения передачи,
■ DMATE_IF - флаг прерывания ошибки передачи,
■ DMATH_IF - флаг прерывания передачи полувыполненной задачи.
Последние два не используются в данном демо. Для справки: в табл. 13.2 пе-
речислены все имена прерываний и процедур ISR, доступные для DMA1.
Табл. 13.2. Векторы пре
Канал DMA1
NVIC DMA1 CHANNELl IRQ
NVIC DMA1 CHANNEL2 IRQ
NVIC DMA1 CHANNEL3 IRQ
NVIC DMA1 CHANNEL4 IRQ
NVIC DMA1 CHANNELS IRQ
NVIC DMA1 CHANNEL6 IRQ
NVIC DMA1 CHANNEL7 IRQ
рываний для DMA.
Программа ISR
dmal channell isr
dmal channel2 isr
dmal channel3 isr
dmal channel4 isr
dmal channel5 isr
dmal channel6 isr
dmal channel7 isr
Строка 60 процедуры ISR отключает запросы SPI1 на DMA., а строка 63 уве-
домляет функцию spidma_task(), которая блокируется при вызове ulTaskNoti-
fyTake(). Обратите внимание,что ISR должен использовать версию «FromlSR» вы-
зова vTaskNotifyGiveFromISR(). Возможности ISR ограничены, поэтому спе-
циальные формы вызовов позволяют это сделать.
Теперь давайте представим процедуру spi_dma_xmit_pixmap () полностью (см.
листинг 13.8).
Листинг 13.8. Полный листинг функции spi dma xmit pixmapQ
0156
0157
0158
0159
0160
0161
0162
0163
0164
0165
0166
0167
0168
0169
0170
0171
void
spi_dma_xmit_pixmap (void) {
bool prime = false;
taskENTER_CRITICAL() ;
if ( !dma_idle ) {
// Restart dma at DMA completion
dma_more = true;// Restart upon completion
} else {
prime = true; // Startfrom idle
}
taskEXIT_CRITICAL() ;
if ( prime )
start_dma(); // Start from idle
}
Если бы обновления изображения вольтметра происходили достаточно часто, они
могли бы поступать быстрее, чем OLED-дисплей мог бы обновляться с помощью
DMA.. Если частота SPI установлена на 1.125 МГц, полное обновление OLED-
дисплея занимает около 7.54 мс. В этой демонстрации нет никаких средств для
прерывания передачи DMA. после ее начала, и в любом случае было бы нежелатель-
но оставлять дисплей частично записанным. Так как же нам справиться с этим
кризисом?
Когда обновления происходят часто, мы не хотим прерывать текущее. Однако
после завершения текущей передачи DMA мы хотим, чтобы произошло хотя бы еще
одно обновление OLED, чтобы отобразить текущее состояние. Этой цели служит
переменная типа volatile флага dma_more. Но нам придется бороться с состояни-
ем гонки.
Строка 160 начинает критический раздел, который нельзя прерывать. Прерыва-
ния включают в себя вытеснение, позволяющее запускать другие задачи. Отключе-
ние прерываний в строке 160 позволяет проверить текущее состояние dma_idle.
Если переменная оказывается ложной (false), то это значит, что набор передач
DMA выполняется или подходит к концу. В этом случае для dma_more устанавлива-
ется значение true, чтобы запросить еще одно обновление OLED после завершения
текущего.
Однако если dma_idle имеет значение true, то считается, что механизм DMA
простаивает, и его необходимо запустить снова. В этом случае локальная пере-
менная флага prime принимает значение true (строка 165).
Демопример выполняется так же, как и в главе 12. Однако в интерактивном ме-
ню появилась новая опция «р» - команда «разогнать измеритель»13:
Использованное автором слово «pummel» (см. название процедуры «pummeltest» далее)
наиболее адекватно в данном случае переводится как «пинок».
$ minicom usb
Когда minicom подключится к вашему USB-устройству, нажмите <Enter>, чтобы
начать работу:
Welcome to minicom 2.7
OPTIONS:
Compiled on Sep 17 2016, 05:53:15.
Port /dev/cu.usbmodemWGDEMl, 21:29:29
Press Meta-Z for help on special keys
Monitor Task Started.
Test Menu:
0 .. set to 0.0 volts
1 .. set to 1.0 volts
2 .. set to 2.0 volts
3 .. set to 3.0 volts
4 .. set to 3.5 volts
+ .. increase by 0.1 volts
- .. decrease by 0.1 volts
p . . Meter pummel test
Пункты меню работают так же, как и в предыдущей главе, с добавленной опцией
меню «р». Этот «тест на разгон» достигает цели благодаря быстрым обновлениям.
При активации нажатием «р» измеритель будет быстро перемещаться из конца в
конец диапазона. Код теста показан в листинге 13.9.
Листинг 13.9. Процедура испытания на разгон
static void
pummel_test (struct Meter *ml) {
TickType_t tO = xTaskGetTickCount();
double v= 0.0;
double incr = 0.05;
0230
0231
0232
0233
0234
0235
0236
0237
0238
0239
0240
0241
0242
0243
0244
0245
0246
0247
0248
0249
0250
0251
meter_set_value (ml ,v) ;
meter_update () ;
while ( (xTaskGetTickCount() - tO) < 5000 ) {
vTaskDelay(6);
v += incr;
if ( v > 3.3 ) {
incr = -0.05;
v = 3.3;
} else if ( v < 0.0 ) {
v= 0.0;
incr = 0.05;
}
meter_set_value (ml, v) ;
meter_update () ;
}
}
Процедура тестирования рассчитана на пять секунд (строка 238) . Задержка в
строке 239 определяет, насколько быстро обновляется картинка измерителя.
Здесь установлена задержка в шесть тактов (около 6 мс) между обновлениями.
Учитывая, что обновление занимает 7.54 мс, это будет перекрываться с переда-
чей DMA, по крайней мере, некоторое время.
Вы можете обнаружить, что текстовая часть дисплея не обновляется во время
теста. Она наверстает упущенное после того, как разгон закончится. Это иллю-
стрирует природу проблемы.
Хотя демонстрационный код работает так, как задумано, у него есть один не-
достаток . Если обновления происходят слишком часто, например, с интервалом в
1 мс, указатель на OLED-дисплее может потеряться. Почему это происходит?
Фон картинки вольтметра записывается в растровое изображение только один
раз. В растровом изображении перерисовываются только указатель и цифровое
значение. При каждом измерении исходный указатель рисуется цветом фона, чтобы
стереть его, после чего записывается новый указатель цветом переднего плана.
Что может случиться - так это то, что растровое изображение, копируемое DMA
на OLED, скопирует стертый указатель из-за плохой синхронизации.
Чтобы исправить это, возможно несколько разных подходов. Одним из подходов
было бы копирование растрового изображения в другой буфер растрового изобра-
жения с использованием передачи из памяти в память DMA. Затем OLED можно об-
новить с помощью этого буфера растровых изображений, который никогда не моди-
фицируется текущим программным обеспечением. Это, очевидно, требует дополни-
тельного времени для копирования в памяти, а также для переноса другого буфе-
ра растровых изображений в SRAM.
Другой подход может заключаться в ограничении максимальной частоты обновле-
ний счетчика с помощью программного обеспечения. В конце концов, стрелка ре-
ального аппаратного вольтметра также не может перемещаться мгновенно. Это
лишь малая часть проблем, возникающих в вычислениях во встраиваемых системах.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Дискуссии
УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР И ПАРАДОКС ФАРАДЕЯ
Неподвижность симметричного
магнитного поля относительно
аксиальной оси намагничивания
Н.Н. Громов
В процессе выполнения настоящей работы я столкнулся с тем, что для постоян-
ных магнитов и электромагнитов нигде не описано экспериментально открытое
А.Л. Родиным свойство симметричных, относительно оси вращения, их полюсных
окончаний сохранять магнитное поле неподвижным. Открытие этого свойства для
постоянных магнитов и электромагнитов имеет очень большое практическое значе-
ние. Постараемся это увидеть при дальнейшем изложении результатов теоретиче-
ских и экспериментальных исследований свойств постоянных магнитов и электро-
магнитов .
С удовольствием прочитал вышедшую в 1994 г. книгу М.Ф. Острикова «Новые
проявления магнетизма». Он нашел несколько применений для кольцевых постоян-
ных магнитов и защитил их авторскими свидетельствами и патентами. Однако ши-
рокого применения в технике и повседневной жизни они не получили.
Следует отметить, что в книге много внимания уделено магнитному «балдежу» и
теоретизированию о строении Вселенной, магнитном монополе и т.п., таким во-
просам, якобы вытекающим из строения постоянного кольцевого магнита, которые
далеки от реалий. Однако совсем не упоминаются эффекты, открытые А.Л. Родиным
которые, опубликованы в журнале "Изобретатель и рационализатор", № 2,1962 г.
О. Сердюков. «Туман над магнитным полем»1.
1 Домашняя лаборатория 2025-02
Приведу две выдержки из этой статьи.
«... - Ну а теперь, если вращать магниты и диск вместе, соединив их в еди-
ный ротор? - Да вроде бы не должно быть тока, - уже неуверенно сказал я. -
Ведь они относительно неподвижны... Однако вращающиеся вместе диск и магниты
ток дали».
«...А затем Родин продемонстрировал мне двигатель без статора, подсоединив
один из проводов, идущих от выпрямителя, к оси, на которой сидят диск и маг-
ниты, а другой поднес прямо к диску - вся система закрутилась».
Попробуем несколько рассеять «туман над магнитным полем».
Рассмотрим постоянный кольцевой магнит с точки зрения подхода Ампера к маг-
нитным полюсам. По его теореме, эквивалентную схему постоянного кольцевого
магнита можно представить двумя токами, протекающими в противоположных на-
правлениях, по внешней и внутренней радиальным сторонам кольца. Эквивалентная
схема приведена на рис. 5.
ф-
Тохи Ампера
$
Рис. 5. Магнитное поле постоянного кольцевого магнита и его эк-
вивалентная схема.
Рассматривая схему рис. 5 можно уверенно говорить, что при вращении тела
магнита вокруг аксиальной оси структура магнитного поля остается неподвижной,
поэтому оно и не взаимодействует с проводниками, расположенными в его силовых
линиях. На вопрос - «Почему так получается?» можно ответить следующим образом
- магнитное поле это результат протекания тока (движения зарядов) и дополни-
тельное внешнее движение по ходу или против хода зарядов на структуру и поло-
жение магнитных силовых линий влияния не оказывает.
С целью проверки этого утверждения был изготовлен электромагнитный аналог
кольцевого магнита постоянного тока. Его схематическое изображение приведено
на рис. 6.
Рис. 6. Электромагнитный аналог кольцевого постоянного магнита.
С его использованием были повторены опыты А.Л. Родина. Результаты опытов
полностью подтвердились.
На рис. 7 - рис. 9 приведены конструкция электрической машины А.Л. Родина и
схемы ее работы в генераторном и двигательном режиме.
Работу конструкции электродвигателя А.Л. Родина без статора можно объяснить
тем, что проводящий диск (ротор) увлекает вместе с собой магниты статора.
Магниты вращаются, но поле статора неподвижно.
Работа в режиме генератора без статора объясняется точно так же. Проводящий
диск ротора с жестко закрепленными на нем магнитами статора вращается под
действием внешнего момента в неподвижном магнитном поле статора.
В своих конструкциях А. Л. Родин использовал именно кольцевые постоянные
магниты с аксиальным намагничиванием.
Рис. 7. Электродвигатель без статора конструкции Родина А.Л.
Рабочий
ток
Токи Ампера
Рис. 8. Работа конструкции Родина А.Л. в режиме генератора.
Рабочий
ток
Токи Ajanepa
Рис. 9. Работа конструкции Родина А.Л. в режиме двигателя.
Исследованию подвергались также дисковые и стержневые постоянные магниты и
электромагниты с аксиальным намагничиванием. В результате был сформулирован
вывод:
«Для постоянных магнитов и электромагнитов присуще свойство симметричных,
относительно оси вращения совпадающей с осью намагничивания, их полюсных
окончаний сохранять в неподвижности магнитное поле».
Этот вывод дает ответ на многие вопросы, связанные с использованием кольце-
вых, дисковых и стержневых постоянных магнитов и электромагнитов в качестве
роторов электродвигателей. Его всегда следует учитывать при конструировании
электрических машин.
К статье Родина А.Л.
«О неизвестных опытах по
электромагнитной индукции»2
Шаталов А.С.
Эксперименты в статье заслуживают бесспорного уважения. Часть выводов авто-
ра дискуссионна, но совершенно неприемлема концепция о бесстаторном униполяр-
2 Домашняя лаборатория 2025-02
ном электродвигателе, конструкция которого приведена.
В этой конструкции в одном и том же магнитном поле находятся диск (ротор) и
горизонтальные участки скобы корпуса. Через диск и скобу протекает один и тот
же ток, поэтому момент реакции на скобе равен вращающему моменту, развиваемо-
му диском, т. е. скобы являются активной частью статора.
Сама постановка вопроса о создании бесстаторного двигателя (генератора),
по-видимому, правомерна не для электрической машины, а для привода (двигатель
и нагрузка) в целом. Предложим решение этой проблемы для униполярных двухдис-
ковых (в отличие от статьи) машин в рамках конструкции, показанной на рис. 1.
Рис. 1.
Диски А и Б насажены на независимо вращающиеся валы Ва, Вб, между которыми
имеется электрический контакт, осуществляемый щеточным устройством Д. Со сто-
роны периферии диски А и Б электрически связаны между собой с помощью непод-
вижного щеточного устройства Г. Таким образом, создается электрический кон-
тур: диск А, вал ВА, щеточное устройство Д, диск Б, щеточное устройство Г, в
цепь которого включен источник питания электродвигателя с напряжением и. Вы-
званный им ток i проходит в диске А от периферии к валу и в диске Б — от вала
к периферии, поэтому диски вращаются в разные стороны. Действующий на каждый
из дисков электромагнитный момент [3]
М = Ф±/2я (1)
одновременно служит передаваемой через поле реакцией для момента, действую-
щего на другой диск. Участки контура Г, Д моментом не нагружены, то же самое
можно сказать о моменте, действующем на осесимметричныи постоянный магнит. А
это означает, что равен нулю общий момент, действующий на статор двигателя,
который состоит из постоянного магнита NS, участков контура Г, Д и соответст-
вующих крепежных конструкций, образующих корпус. Если диски А и Б жестко со-
единить с пропеллерами, имеющими различные по знаку углы атаки, то конструк-
ция будет развивать подъемную силу без реакции на опору статора от вращающего
момента. В режиме насоса рассматриваемая конструкция помещается в трубопровод
и ее крепление к стенкам должно быть жестким только в осевом направлении для
восприятия силовой нагрузки от прогоняемой насосом жидкости (конструкция кап-
сулы и изолирующих устройств здесь не обсуждается).
В генераторном режиме двухдисковая конструкция может быть использована для
измерения скорости потока жидкости в трубопроводе.
Такой гидротахометр также будет иметь только силовую реакцию на крепление
капсулы к трубе без реактивного момента.
Эта особенность может заинтересовать конструкторов малогабаритных космиче-
ских аппаратов.
Но вернемся к однодисковым конструкциям униполярных машин, обсуждаемым в [1
и 2] . Нельзя также обойти внимание отзыв на [1] . Института физических про-
блем, на который в [1] имеется краткая ссылка. Включаясь в дискуссию, чтобы
охватить экспериментальные режимы вышеупомянутых авторов и реальные режимы,
описываемые в более ранних публикациях [3—5], введем в рассмотрение универ-
сальную модель униполярной машины УМУМ, показанную на рис. 2 и имеющую много
степеней свободы, в том числе для независимого вращения токосъемов и цилинд-
рического магнита, что дополняет степени свободы, использованные па рис. 1.
Проследим формирование контура АБВГ в УМУМ. Он состоит из плеча А, связываю-
щего через внутренние и внешние щетки токопроводящий вал с токосъемным коль-
цом ТСК, токопроводящего диска Б и участков В, Г, осуществляющих электриче-
ские соединение А и Б.
Рис. 2
Постоянный магнит NS создает симметричное относительно оси В поле. Обозна-
чим угловые скорости, которые можно придать элементам УМУМ как: QA — для пле-
ча A; QB — для диска Б; QNS — для цилиндрического магнита; Qr — для внешнего
соединения Г вместе с токосъемным кольцом ТСК.
В соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС в контуре АБВГ будет
[3] :
|е| = d#K/dt (2)
где Фк = J*BdS — магнитный поток через поверхность Бабвг.
$АБВГ
Из рис. 2 видно, что магнитный поток проникает в контур только через одно-
кратно заштрихованный сектор диска, стягиваемый дугой Г' , а остальная часть
контура, заштрихованная дважды, скользит вдоль потока и в его приращении d#K
не участвует. Поэтому дальше (рис. 3,а—г) будем иметь дело только с про-
екциями плеча А на поверхность диска. Ориентация радиуса Б на диске изображе-
на произвольно, так как для каждой радиальной линии тока скорость приращения
площади сектора, влияющая на (2), неизменна.
Рис. 3.
Итак, какая же степень свободы, представленная в УМУМ, может быть использо-
вана, чтобы Фк (3) имел непрерывную производную но времени? Очевидно, беспо-
лезно вращать токосъемы, т. е. участок Г вместе со щетками на диске и токо-
съемным кольцом, контактирующим с плечом А, так как это не дает приращения
площади сектора (между плечом А и каждой радиальной линией тока Б) , поэтому
полагаем Qr = 0. Также бесполезно вращать магнитный цилиндр, поскольку QNS во-
обще не входит в предыдущие формулы для ЭДС, т.е. QNS = 0.
Могут обсуждаться конструкции, в которых цилиндрический магнит связан под-
вижными элементами контура А, Б или имеет свободное вращение, тогда QNS = &в,
Qns = ^а или Qns = var. Но варианты связок изменяют только момент инерции вра-
щающихся частей, а на возникновение ЭДС в контуре не влияют.
Одновременное (связанное) вращение плеча А и диске Б, как показано в проек-
циях на рис. 3, а, сохраняет низменными активную площадь контура и пронизываю-
щий ее поток. Но, если <£K=const, то d#K/dt = О, и ЭДС в контуре согласно (2)
не наводится. Этот результат является следствием более общего режима, когда
элементы А и Б вращаются с различными скоростями. Для универсальной модели
вместо (2) будем использовать вытекающую из нее и рис. 3 формулу
И-5^р^Г*<^-ЗД/2* (3)
где знаменатель средней части (3) равен времени At накопления полного маг-
нитного потока в контуре, образованном плечом А и любым (каждым) радиусом
диска Б. Подставляя в (3) условие связанного вращения элементов А и Б QA=QB,
снова получим
|е|а = 0. (За)
Перейдем теперь к использованию степеней свободы УМУМ, обеспечивающих гене-
рирование ЭДС и иллюстрируемых рис. 3, б, в, г: для неподвижного плеча А и вра-
щающегося диска QA=0, QB=Q; для неподвижного диска Б и вращающегося А, когда
QE=0, QA=Q; для вращающихся в разные стороны А и Б со скоростями | QA | = | QB | =
Q/2. Для всех этих режимов, обсуждавшихся в [1, 2] и на рис. 1, справедлива
формула (3) , принимающая вид
|е| = ФО/2я. (3,6)
Ток в контуре, взаимодействуя на активных участках А и Б с магнитным полем,
вызывает электромагнитный момент (1). Для УМУМ универсальная формула момента
будет
М = ei/ (QA - QB)
Этот момент преодолевается первичным двигателем, вращающим подвижный эле-
мент униполярного генератора, и может быть измерен как момент реакции на не-
подвижном элементе при помощи динамометра, пружины которого показаны на рис.
3,6 и в. Для рис. 3, г элементы А и Б взаимно нагружают друг друга, создавая
бесстаторную УМ, как и рассмотренную на рис. 1.
Таким образом, подвижный элемент контура взаимодействует в своем движении с
неподвижным через поле магнита, не вовлекая в эту динамику массу магнита. Си-
лы в самом контуре противодействуют деформации контура, приводящей к измене-
нию его активной площади, определяющей Фк.
В двигательном режиме ток в контуре
i = (u - e)/R (5)
также без вовлечения в динамику массы магнитов, напротив, стимулирует изме-
нение активной площади контура, создавая движущий момент на вращающемся эле-
менте контура и момент реакции на неподвижном элементе.
На рис. 3,б и в, если направления токов от внешнего источника согласованы с
направлениями вызванных токами скоростей (показанных стрелками на рисунках),
иллюстрируется «отталкивание» подвижного элемента от неподвижного с реакцией
на пружины динамометра; рис. 3,г иллюстрирует взаимное «отталкивание» элемен-
тов А и Б. Такая модель взаимодействия элементов замкнутого контура позволяет
наглядно пояснить результаты экспериментов в [1].
Список литературы:
1. Родин А.Л. О неизвестных опытах по электромагнитной индукции. — Электриче-
ство, 1994, №7.
2. Иванов-Смоленский А.В. Комментарий к статье «О неизвестных опытах по элек-
тромагнитной индукции». — Электричество, 1994. N7.
3. Бертинов А.И., Алиевский БЛ., Троицкий СР. Униполярные электрические маши-
ны. — М.—Л.: Энергия, 1966.
4. Алиевский БЛ. Дискуссия по статьям Львова Е.Л. и Иванов-Смоленский А.В. —
Электричество, 1988, №10.
5. Иванов-Смоленский А.В. Математическое описание электромеханических процес-
сов в электрических машинах. — Электричество, 1969, №12.
Об одном ошибочном
утверждении, связанном
с явлением униполярной
индукции
Лупарев В.В., Харитонов В.И.
В литературе по теоретической электротехнике при рассмотрении явления уни-
полярной индукции с использованием простейших принципиальных схем униполярных
генераторов и двигателей в виде цилиндрических магнитов с полюсами на торцах,
вращающихся вокруг продольных осей симметрии, и внешнего контура, состоящего
из скользящих контактов, размещенных на боковой поверхности магнита и оси
вращения [1-4] либо только на боковой поверхности магнита [5] , подводящих
проводов и измерительного прибора, утверждается, что ЭДС возникает или внутри
магнита [1, 3, 4], или на его боковой поверхности [2, 5], или в подводящих
проводах [6] .
Авторы [1-5] считают, что при вращении цилиндрического магнита с полюсами
на торцах вокруг продольной оси симметрии его магнитное поле остается непод-
вижным, поэтому ЭДС возникает внутри магнита или на его поверхности.
В дискуссиях, упоминаемых в [1, 4 ] , и в дискуссии на страницах журнала
«Электричество» [7-9], инициированной статьями [10, 11], также преобладает
эта точка зрения.
Авторы данной статьи предлагают два эксперимента, позволяющие преодолеть
это заблуждение.
Эксперимент № 1
На магнит надевается изолированная от него трубка из токопроводящего мате-
риала (медь, латунь и т.д.). Скользящие контакты устанавливаются на цилиндри-
ческой поверхности, как показано на рис. 1. При вращении магнита вместе с
трубкой в контуре AVB наблюдается электрический ток. Этот эксперимент показы-
вает, что ЭДС индукции возникает в пространстве, окружающем магнит, а не на
поверхности магнита, так как трубка из токопроводящего материала 3 изоли-
рована от магнита 1.
ЭДС возникает на участке контура AVB, так как магнитное поле магнита враща-
ется вместе с ним и таким образом движется относительно неподвижных участков
контура AVB. Здесь уместно привести цитату из монографии [12]: «Если магнит-
ное полеВ перемещается относительно среды со скоростью V, то в среде возника-
ет дополнительное электрическое поле, определяемое уравнением
ЕФ = [VB] . (10-3)
Рис. 1. Униполярный генератор с надетой на магнит токопроводящей
трубкой, изолированной от магнита: 1 - магнит; 2 - изолятор; 3 -
трубка из токопроводящего материала.
Второе уравнением Максвелла (закон электромагнитной индукции)
чае записывают в обобщенной форме:
в таком слу-
[N£]=- *±+[R[V' в\1
ot
(10-4)
Первое слагаемое в правой части уравнения (10-4) называется «трансформатор-
ным полем», а второе слагаемое - «полем движения». Оба поля являются индукти-
рованными...» .
Для схемы униполярного генератора, приведенной на рис. 1,
dt
I
и ЭДС возникает за счет [N[V'B]], т.е. за счет силы Лоренца, или в термино-
логии автора [12] «поля движения». На участке контура АВ ЭДС не возникает,
так как этот участок неподвижен относительно магнита.
Эксперимент № 2
Рассматривается цилиндрический кольцевой магнит (рис. 2) . При его вращении
в контуре AVB возникает электрический ток.
При замыкании полюсов магнита разъемным магнитопроводом (рис. 3) тока в
контуре AVB не наблюдается, так как замыкание полюсов приводит к существенно-
му ослаблению магнитного поля снаружи магнита.
Эксперименты доказывают, что ЭДС возникают во внешних проводниках контура,
и свидетельствуют о вращении магнитного поля при вращении магнита.
Такие эксперименты проводились с набором из пяти кольцевых ферритовых маг-
нитов , соединенных противоположными полюсами. Размеры кольцевых ферритовых
магнитов: наружный диаметр 60 мм, внутренний 25 мм, толщина 9 мм; таким об-
разом, сборка из пяти магнитов имела длину 45 мм. Наружная поверхность сборки
магнитов покрывалась двумя слоями медной фольги толщиной 0,2 мм. Фольга за-
креплялась двумя поясками из липкой ленты (скотча) шириной 10 мм, один из
поясков располагался между скользящими контактами (А, В, рис. 2, 3) так, что-
бы не препятствовать их работе, другой - симметрично за контактом В (рис. 2 и
3) . Токосъем осуществлялся через скользящие контакты А и В, выполненные из
подпружиненных медных стержней диаметром 3 мм, касающихся своей боковой по-
верхностью медной фольги на магнитах.
^j
ла
В
со
Рис. 2. Униполярный генератор с кольцевым магнитом.
Рис. 3. Униполярный генератор с кольцевым магнитом, полюса кото-
рого замкнуты разъемным магнитопроводом: 1 - магнит; 2 - разъем-
ный магнитопровод.
Необходимо, чтобы скользящие контакты были изготовлены из того же материа-
ла, что и поверхность магнита. В противном случае возникает термоЭДС, иска-
жающая результаты экспериментов.
В качестве измерительного прибора использовался микроамперметр М-122 с це-
ной деления 1хЮ7 А, имеющий шкалу ±20 делений. Может быть взят любой элек-
тродвигатель , в нашем случае использовался электродвигатель постоянного тока
болгарского производства модели PIK 12-3/10-30N 0469 379-83 (п = 1100 об/мин,
Р = 45 Вт, U = 30 В) . При частоте вращения магнита без магнитопровода (рис.
2) 110 об/мин наблюдалось отклонение стрелки гальванометра на 15 делений (что
соответствует току 15хЮ7 А) . При вращении магнита, полюса которого замкнуты
разъемным магнитопроводом (рис. 3), стрелка гальванометра не отклонялась
(т.е. ток отсутствовал).
Пояснения к схемам униполярных генераторов на рис. 1 и 2. Рассмотрим на ка-
ких участках контура возникает ЭДС униполярной индукции. На рис. 4 и 5 с по-
мощью железных опилок показаны магнитные поля стержневого магнита. При враще-
нии магнита (рис. 4) ЭДС возникает на участках ВС и СVD. Эти ЭДС дают ток од-
ного направления. На участке AD ЭДС практически не возникает, так как этот
участок параллелен направлению силовых линий. На участке АВ ЭДС отсутствует,
поскольку участок неподвижен относительно магнитного поля. Таким образом, ток
в контуре ABCVD определяется значением ЭДС на участках ВС и CVD. Направление
ЭДС можно определить по правилу правой руки [13].
Рис. 4. Визуализация с помощью же- Рис. 5. Замкнутый контур в магнитном
лезных опилок магнитного поля поле вращающегося стержневого магнита,
стержневого магнита.
Роль скользящих контактов состоит в том, чтобы выделить в контуре участок,
на котором ЭДС не возникает. В монографии [14] говорится о невозможности соз-
дания униполярного генератора без скользящих контактов. В настоящее время ра-
боты по созданию скользящих контактов, способных передавать большие токи
(100000 А и более), продолжаются. Делались попытки создания униполярного ге-
нератора без скользящих контактов, но они не дали положительных результатов.
На рис. 5 изображен замкнутый контур ABCVD, помещенный в магнитное поле
вращающегося стержневого магнита. В этом случае ЭДС возникает на участках АВ,
ВС, CVD, причем на участке АВ ток направлен противоположно току на участках
ВС и CVD; в результате взаимной компенсации ток в контуре отсутствует.
Попытки защитить один из участков контура магнитным экраном также не дали
положительных результатов, так как для движущегося магнитного поля магнитный
экран не является преградой [12]. По этим причинам не удается создать унипо-
лярный генератор без скользящих контактов.
На страницах журнала «Электричество» [7-9] была развернута дискуссия, ини-
циированная статьями А.Л. Родина [10] и О. Сердюкова [11]. В статье [11] «Ту-
ман над магнитным полем» сообщалось об экспериментах автора и о неком «пара-
доксе», состоящем в том, что при вращении проводящего диска у торца дискового
магнита (рис. 6,а) в контуре ABCVD наблюдается электрический ток. При враще-
нии токопроводящехю диска вместе с магнитом (рис. 6,6) также наблюдается ток,
а при вращении магнита при неподвижном диске (рис. 6,в) ток отсутствует.
На этом основании делается вывод, что магнитное поле вращающегося дискового
магнита остается неподвижным.
«Парадокс» устраняется, если считать, что магнитное поле вращается вместе с
магнитом. Если диск вращается у торца магнита, то электрический ток возникает
на участке АВ контура ABCVD (рис. 6,а); если диск вращается вместе с магни-
том, то ток возникает на участке BCVD, а на участках АВ и DA тока нет; если
магнит вращается, а диск неподвижен (рис. 6,в), то на участке BCVD появляется
ток, а равный ему по абсолютному значению и противоположно направленный ток
возникает на участке АВ; в результате взаимной компенсации ток в контуре
ABCVD отсутствует.
ь>
D
а
в
N
N S
N S
N S
со
D
€1
С В
«)
N S
N S
N S
N S
L
-5
)
t
т
с
А
^
Я
N S
N S
N S
N S
(О
{-с-
б)
*)
Рис. 6. Схемы униполярных машин: а - вращается диск, магнит не-
подвижен; б - диск вращается вместе с магнитом; в - диск непод-
вижен , магнит вращается.
Явление униполярной индукции используется в МГД-генераторах, электродинами-
ческих ускорителях, источниках тока для электродинамических пушек (рельсотро-
нов) [15, 16] и др.
Результаты приведенных в статье экспериментов могут быть учтены в работах
по теоретической электротехнике и при создании учебников по этой дисциплине.
Список литературы:
Тамм И.Е. Основы теории электричество. - М.: Наука, 1976.
Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1970.
Каменецкий С.Е., Пустильник И. Г. Электродинамика в курсе физики средней
школы. - М.: Просвещение, 1978.
Меерович Э. А. Методы релятивистской электродинамики в электротехнике. -
М. ; Л. : Энергия, 1966.
Порль Р.В. Учение об электричестве. - М.: Физматгиз, 1962.
Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1970.
Иванов-Смоленский А.В. Комментарий к статье Родина А.Л. «О неизвестных
опытах по электромагнитной индукции». - Электричество, 1994, № 7.
Базанов В. П. О неизвестных опытах по электромагнитной индукции. - Элек-
тричество, 1996, № 11.
Шаталов Н. С. О неизвестных опытах по электромагнитной индукции. - Элек-
тричество, 1995, № 11.
10. Родин А.Л. О неизвестных опытах по электромагнитной индукции. - Электри-
чество, 1994, № 7.
11. Сердюков О. Туман над магнитным полем. - Изобретатель и рационализатор,
1982, № 2.
12. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. -Л.: Госэнергоиздат, 1960.
13. Попов B.C. Теоретическая электротехника. - М.: Энергия, 1975.
14 . Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Троицкий СР. Униполярные машины. - М. ;
Л.: Энергия, 1966.
15. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. - М. : Высшая школа, 1991.
16.Милехин Ю.М. и др. Использование технологии электродинамического ускоре-
ния для предварительного разгона ракеты при выводе полезного груза на
околоземную орбиту. - Изв. РАРАН, 2006, вып. 2(47).
17 . Космическое оружие: дилемма безопасности /Под ред. Е . П. Велихова, Р. 3 .
Сагдеева, А.А. Кокошина. - М.: Мир, 1986.
СЛЕДСТВИЯ ОПЫТОВ НА ОСНОВЕ
УНИПОЛЯРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ
А.В. Пинаев, В.А. Пинаев
В 1820 г. Эрстед обнаружил действие провода с электрическим током на маг-
нитную стрелку. Несколько позже Ампер окончательно установил электрическую
природу магнетизма, показав, что электрический ток порождает магнитное поле.
Английский физик М. Фарадей занялся выяснением обратного вопроса и в 1831 г.
экспериментально обнаружил и сформулировал закон электромагнитной индукции:
«При всяком изменении магнитного потока F через проводящий контур в этом кон-
туре возникает электрический ток», причем возникающая в контуре ЭДС противо-
положна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность кон-
тура:
Е = d#/dt (1)
Является ли эта формулировка закона общей, учитывает ли она все ситуации,
раскрывает ли закон Фарадея физический механизм возникновения ЭДС на движу-
щихся проводниках в магнитном поле? В современном ортодоксальном представле-
нии магнитное поле отождествляют с замкнутыми силовыми линиями, но что такое
магнитное поле и как оно «механически» устроено? На примере опытов с унипо-
лярным генератором попытаемся ответить на поставленные вопросы и понять ос-
новные принципы его работы.
Впервые униполярную индукцию наблюдали Д. Араго (1824 г.) и М. Фарадей
(1832 г.), униполярная индукция возникает при вращении проводящих тел, обла-
дающих намагниченностью либо помещенных во внешнее магнитное поле [1]. Термин
«униполярная индукция» неудачен, исторически он возник из-за того, что в уни-
полярной машине контур, в котором наводится ЭДС, расположен со стороны одного
полюса магнита. Униполярные машины находят практическое применение, поскольку
при низком напряжении (~ 10-Ю2 В) они способны вырабатывать ток до 105-10б А.
Анализ и исследования униполярной генерации приведены, например, в [2-8].
Из [3, 6, 8] следует, что проблема увлечения магнитного поля в генераторе
вращающимся магнитом остается дискуссионной и требует экспериментального
обоснования. С этой целью проделаны опыты с магнитами различной формы. Конст-
рукция экспериментальной установки подобна установке, описанной в [6] . Между
двумя плоскими кольцевыми ферритовыми магнитами 1, симметрично закрепленными
с помощью текстолитовых втулок 2 на латунном стержне 3, находится медный диск
4 такого же радиуса (R=42 мм), что и магниты (рис.1). Однородное магнитное
поле в зазоре образовано разноименными полюсами. Снизу магнитов на оси жестко
закреплен шкив 5, соединенный с электродвигателем переменного тока. Изменени-
ем напряжения электродвигателя регулируется угловая скорость вращения оси со.
Угольная щетка 6, скользящая по медному диску, и медный контакт, упирающийся
ось сверху, соединены с амперметром.
®~]
JS3
Рис. 1.
Установка позволяет осуществлять три различных варианта относительного дви-
жения диска и магнитов:
1. диск вращается в магнитном поле при неподвижных магнитах;
2. диск покоится, оба магнита жестко закреплены на оси и вращаются;
3. диск и магниты вращаются относительно лабораторной системы, но покоятся
относительно друг друга.
При равномерном вращении проводящего диска в постоянном магнитном поле с
индукцией В, направление которой перпендикулярно плоскости диска, сила Лорен-
ца внутри диска вдоль радиуса г компенсируется действием радиального электри-
ческого поля с напряженностью
£И = -[КхД]
УхВ \ = -а)гВ1.
(2)
Тогда для ЭДС на диске получим выражение:
coBR2
Е — \corBdr
(3)
Из (2) следует, что в униполярном генераторе ток протекает по радиус-
вектору между осью диска и неподвижным контактом 6. В наших экспериментах
замкнутый проводящий контур, в котором течет ток, состоит из неподвижных в
ЛСО радиальной ветви диска (между контактом 6 и осью) и соединенных с ампер-
метром через ось и контакт 6 проводников (рис.1).
Принципиальная схема электрической цепи показана на рис. 2. Здесь контакту
6 соответствует неподвижная в линейной системе отсчета (ЛСО) точка С, ради-
альная ветвь контура - это ОС, замкнутый электрический контур, по которому
протекает ток, - контур ОАВСО. Причем контур ОАВСО - это единственный фикси-
рованный замкнутый контур с постоянной площадью. Если отключить амперметр, то
существует еще один проводящий (но уже незамкнутый) контур, в котором может
возникать ЭДС, - это диск. Ток в таком незамкнутом контуре протекает кратко-
временно лишь на начальном этапе перераспределения зарядов вдоль радиуса дис-
ка, а затем он равен нулю.
Рис. 2.
Согласно закону Фарадея (1), для возникновения ЭДС в контуре необходимо из-
менение величины F через контур. Но при равномерном вращении диска в магнит-
ном поле остаются постоянными индукция магнитного поля В, площади S замкнуто-
го контура ОАВСО или разомкнутого контура - диска. Поэтому для вариан-
тов опытов №1—3 с учетом
d#/dt = SdB/dt + BdS/dt
получим, что
d#/dt = 0
и согласно (1) следует формально ожидать, что ЭДС=0. Подтверждают ли опыты
этот предполагаемый результат? Оказывается, что нет. Результаты эксперимен-
тов, характеризующие наличие или отсутствие тока и ЭДС в цепи, для наглядно-
сти сведены в табл.1.
Табл. 1
№ варианта
1
2
3
Состояние диска
Вращается
Покоится
Вращается
Состояние магнитов
Покоятся
Вращаются
Вращаются
Ток в цепи
Есть (+)
Нет (0)
Есть (+)
В варианте опытов №1 возникает ЭДС и регистрируется ток. Остановимся на ти-
пичных объяснениях причины возникновения ЭДС. Например, в [2] утверждается:
«Из формального применения закона индукции следовало бы, что индукционный ток
должен отсутствовать. На самом деле, надо принять во внимание смещение в каж-
дый данный момент того радиуса диска, который замыкает цепь между точками а и
Ь» (т.е. осью диска и контактом с ним). Автор [7] также считает, что в унипо-
лярном генераторе
d#/dt = 0
и ЭДС возникает за счет электромагнитной индукции в полном соответствии с
законом Фарадея (1) .
Однако осциллограф зарегистрирует наличие ЭДС одновременно с подходом к
контакту 6 даже единственного проводящего радиус-вектора на вращающемся не-
проводящем диске. Возникновение ЭДС в точке С никак не связано со смещением
радиус-вектора ОС в положение ОС, причина появления тока во внешнем контуре
— это возникновение ЭДС на радиус-векторах за счет силы Лоренца. Для полно-
стью проводящего диска ЭДС примет постоянное значение, и ток будет протекать
непрерывно по покоящемуся в ЛСО радиус-вектору ОС, но механизм возникновения
в контуре ЭДС останется прежним: «лоренцевским» (разделения зарядов за счет
действия на свободные электроны силы Лоренца), а не индукционным. Применение
закона Фарадея в случае движущихся контуров связано в большей степени лишь с
удобством вычисления ЭДС. Однако случаи
d#/dt = О
следует выделять особо, корректируя формулировку закона электромагнитной
индукции и способ вычисления ЭДС. На противоречие между некоторыми опытами и
законом Фарадея указано в [5, с.52-54].
Вариант опыта №2 в литературе практически не исследован. Этот опыт дает
очень важный результат: ток в цепи не наблюдается, хотя, если предположить,
что движение диска равноценно движению магнита, то по аналогии с опытом №1
при наличии вращения магнитов ток должен быть. Действительно, если мы перей-
дем в систему отсчета, связанную с вращающимся магнитом (ВСО), то магнит бу-
дет покоиться, а диск вращаться - и тогда на нем должна была бы возникнуть
ЭДС? Но в опыте Е=0. Из сравнения опытов №1 и №2 следует вывод, что для воз-
никновения ЭДС требуется абсолютное движение диска, а не магнитов относитель-
но ЛСО (пространства) . Если в классическом опыте Фарадея с одной и той же
скоростью поступательно вдвигать магнит в катушку, и наоборот, катушку надви-
гать на магнит, то в цепи возникают одинаковые по величине токи за счет изме-
нения величины магнитного потока и относительное движение магнита или катушки
равноценно. В наших же опытах площадь электрического контура и магнитное поле
постоянны, однако в отличие от варианта №1 в варианте №2 нет выделенного на-
правления движения электронов в магнитном поле, и движение электронов относи-
тельно магнита (поля) не эквивалентно движению магнитов (поля, если поле ув-
лекается магнитом) относительно электронов.
Проанализируем варианты №1 и №2 на условие их симметричности по состоянию
элементов. В табл. 2 указаны состояния элементов установки (включая контакт
6) относительно лабораторной и вращающейся систем отсчета с учетом приве-
денных ранее замечаний. "Симметричность" вариантов видна из табл. 2 наглядно.
Табл.2
№ опыта
1
2
ЛСО
Магниты
стоят
вращаются
Диск
вращается
стоит
Контакт 6
стоит
стоит
ВСО
Магниты
вращаются
стоят
Диск
стоит
вращается
Контакт 6
вращается
вращается
Для полной наглядности "симметричности" вариантов №1 и №2 нужно рассматри-
вать только состояние конкретных элементов с учетом относительного движения
радиальной ветви контура и контакта, являющихся одним целым (табл.3).
В варианте №3 можно было бы, например, рассуждать так: электроны диска вра-
щаются вместе с магнитами, и никакого их выделенного движения относительно
магнитов (и поля) нет. Следовательно, тока в цепи не должно быть. А он есть
(табл.1). Причем величина тока и ЭДС в пределах ошибки эксперимента (5%) сов-
падают со значениями, регистрируемыми
сывается выражением:
в опыте №1 (Ei = Е3) . При этом ток опи-
I = 0,0125 (со/2я) мА.
Табл.
(4)
№
опыта
1
2
лсо
Магниты
стоят
вращаются
Диск
вращается
стоит
ВСО
Магниты
вращаются
стоят
Диск
стоит
вращается
Радиальная ветвь
относительно контакта 6
ЛСО
стоит
стоит
ВСО
стоит
стоит
Определяя разность потенциалов на диске, получим зависимость для тока:
^огВл _®B(R2-r)_
(5)
-dr =
2RA
\-2
\~2
\~2
где гм = 1,7'10~ м, R = 4,2'10~ м, В = 9,3'10~^ Тл, сопротивление амперметра
RA = 36,3 Ом. Выражение (5) совпадает в пределах точности опытов с экспери-
ментальной зависимостью (4) .
Дополнительные
эксперименты и
их результаты
Опыт А
Для выяснения эффекта обратимости (возможности вращения диска в магнитном
поле при пропускании через диск электрического тока) вся конструкция была по-
мещена внутри горизонтально расположенной U-образной полосы. Диск и магниты
закрепляли на оси, и они покоились относительно друг1 друга. Ось фиксировали в
полосе вертикально двумя конусами, что уменьшило коэффициент трения и обеспе-
чило длительное вращение конструкции. При пропускании постоянного тока от ак-
кумулятора через диск происходило вращение диска и магнитов.
Опыт Б
При обсуждении опытов по униполярной генерации со времен Фарадея не затиха-
ет дискуссия: увлекается ли магнитное поле вращающимся магнитом или остается
неподвижным? В [8] поставлены дополнительные опыты с самим униполярным гене-
ратором, которые все же не позволили однозначно ответить на этот вопрос, хотя
автор интуитивно склонился к концепции "увлекаемого" магнитного поля. Сторон-
ники "не увлекаемого" магнитного поля считают, что результаты опытов можно
понять, если магнитное поле не принадлежит магниту и не увлекается им. Такой
вывод сделан, например, в работе [6] с целью объяснения результатов вариантов
опытов №2 и №3.
Итак, невозможно корректно доказать факт вращения магнитного поля вместе с
магнитом в опытах с самим униполярным генератором. Подойдем к этой проблеме
по-иному и проделаем следующие опыты. Возьмем картон с насыпанными на него
железными опилками, а кольцевой магнит поднесем сбоку под картоном. Мы будем
наблюдать, как опилки из хаотичного состояния перестраиваются вдоль "силовых
линий" магнитного поля. Если же кольцевой магнит привести во вращательное
движение относительно оси, то опилки своей ориентации не меняют. Но если те-
перь вырезать сектор из магнита и начать вращать его вокруг прежней оси, то
будет видно, что опилки не стоят на месте, а перемещаются за сектором магни-
та. Из этих опытов следует, что при вращающемся симметричном магните "силовые
линии" магнитного поля не стоят на месте, а замещаются себе подобными. Если
же взять не кольцевой, а квадратный магнит и вращать его вокруг геометриче-
ского центра (точки пересечения диагоналей), то железные опилки будут следо-
вать за его вершинами. Эти опыты доказывают, что магнитное поле принадлежит
магниту любой формы и увлекается им. Следовательно, при вращении кольцевого
магнита в униполярном генераторе его магнитное поле тоже увлекается магнитом,
и все наши приводимые выше предположения о "привязанности" поля к магниту
верны. Заметим, что представление о принадлежности магнитного поля магниту
соответствует также и доменной структуре магнитов.
Анализ
результатов
Из опытов видно, что необходимо учитывать движение свободных электронов не
только относительно магнитов (и поля), но и относительно окружающего про-
странства. Основное достоинство опыта №3 состоит в том, что он дополнительно
указывает на необходимость учета абсолютного движения диска (электронов) по
отношению к пространству, а не только к магниту (полю), как в опыте №1.
При пропускании тока через диск установки покоящиеся друг относительно дру-
га диск с магнитами приходили во вращение, из чего следует, что свободные
электроны взаимодействуют с материальным магнитным полем и передают при со-
ударениях с кристаллической решеткой тангенциальный импульс диску.
По мнению авторов, для понимания физической сути результатов опытов необхо-
димо установить, как «механически» устроены электрическое и магнитное поля
(и, в частности, поле магнитов), а также элементарные заряды. Пожалуй, впер-
вые после физиков XIX века подходы к решению этих задач (как и многих других
проблем электродинамики) обсуждаются в [9] . Автор [9] справедливо отмечает,
что "широко используя математические зависимости теории электромагнетизма и,
делая из них иногда даже общефилософские заключения, теоретики и практики до
сих пор не имеют ни малейшего представления о сущности электричества. Подав-
ляющее большинство к этому притерпелось и не считает нужным этот вопрос под-
нимать " .
Подводя итоги, отметим, что из анализа проделанных опытов следует необходи-
мость корректировки закона Фарадея.
Проделанные опыты позволяют сделать важные для электротехники выводы:
■ исключить вариант №2 устройства генератора (когда вращается магнит, а диск
стоит);
■ вместо частого случая использования проводящего магнита, когда сам магнит
одновременно является проводящим диском, воспользоваться для изготовления
УГ и УМ вариантами №1 или №3, в которых магниты непроводящие, но очень
мощные, а проводящий диск можно изготовить из материала с высокой проводи-
мостью или сверхпроводника.
Мнение
специалиста3
Первый же абзац статьи неверно описывает проведенный эксперимент (неверная
фраза выделена):
«Приведено развитие опытов Фарадея для вращательного движения кольцевых
3 СВ. Кравчук
ферритовых магнитов и токопроводящехю диска в случае, когда изменение магнит-
ного потока в контуре равно нулю. Рассмотрено три различных варианта относи-
тельного движения магнитов и диска. При пропускании через диск электрического
тока наблюдался эффект обратимости - вращение диска и магнитов. Рассмотрены
ошибки в понимании явления униполярной генерации и проблема увлечения магнит-
ного поля магнитом, проанализированы результаты экспериментов и следствия из
них».
Поскольку авторы, тем не менее, искренне считают такое описание правильным
(это видно из дальнейшего изложения), вся статья по большому счету не несет
смысловой нагрузки.
Часть контура действительно проходит от оси установки (поз. 2) напрямую
(условно) к контакту на внешнем ободе (поз. 6). Однако контур проходит по ме-
таллическому диску. Любое перемещение контакта по ободу диска (т.е. перемеще-
ние относительно диска) является изменением контура, так как теперь контур
проходит через новый участок диска. Поэтому во всех экспериментах, когда диск
(поз. 4) вращается, т.е. контакт движется относительно диска (варианты 1 и
3), должна регистрироваться ЭДС; а если контакт неподвижен относительно дис-
ка, ЭДС не регистрируется (вариант 2). Результаты находятся в точном соответ-
ствии с классической теорией Фарадея и не нуждаются в какой-либо новой интер-
претации. Можно предложить авторам повести эксперимент с неподвижным диском и
движущимся контактом (т.е. щетка обегает обод диска) и написать о результа-
тах.
Ответ авторов
статьи на эти
замечания
При вращении диска происходит взаимозамещение радиального проводника. В ла-
бораторной системе отсчета (ЛСО) контакт и центр диска покоятся, покоится и
радиус-вектор, соединяющий их. Этот радиус-вектор является элементом электри-
ческой цепи и с учетом неподвижности в ЛСО его и других элементов элект-
рического контура площадь замкнутого контура (S) постоянна независимо от то-
го, покоится или вращается диск. Иначе пришлось бы считать, что радиус-вектор
скручивается в спираль (о чем мы пишем в статье, разбирая учебник [2] Фриш
С.Э., Тиморева А. В. Курс общей физики. - Т. 2. - М. : ФМ, 1962). С учетом пос-
тоянства не только площади контура, но и магнитной индукции В между равномер-
но вращающимися магнитами изменение магнитного потока (F = BS) по времени
равно нулю. Для наличия же ЭДС в контуре необходимо, чтобы происходило не от-
носительное движение контакта и диска, а абсолютное движение диска (электро-
нов) относительно пространства. Утверждение о том, что равно нулю изменение
магнитного потока в контуре в опыте с униполярным генератором приведено также
и в работах других авторов (см., например, [1, 5], а также Аленицин А.Г. и
др. Краткий ф-м. справочник. - М.: Наука, ФМ, 1990).
Рецензент предлагает проделать опыт, идея которого не нова и содержится в
статье Иванова-Смоленского А.В. Комментарий к статье «О неизвестных опытах по
электромагнитной индукции» //Электричество. - 1994. - №7. - С.69-71. В этом
опыте, когда щетка движется по краю диска (при этом, естественно, вторая щет-
ка должна синхронно вращаться вокруг центральной оси) , нет абсолютного выде-
ленного движения электронов относительно ЛСО, поэтому ЭДС не возникает, ток в
замкнутом контуре не течет. Это вполне понятно и физически, поскольку в маг-
нитном поле на электроны неподвижного диска не действует сила Лоренца. Движе-
ние же контактов и соединяющего оба контакта проводника не вызывает вращение
электронов диска вокруг его оси, происходит за пределами области с магнитным
полем, поэтому не приводит к появлению ЭДС. Аналогичный результат (ЭДС=0) на-
блюдается и в известном опыте М. Фарадея со стержневым магнитом и катушкой,
если двигать вольтметр с соединенными с катушкой проводами (о чем мы также
пишем в статье).
Таким образом, статья "несет смысловую нагрузку", и существует необходи-
мость новой интерпретации классической теорией Фарадея, в работе затронуты
другие важные проблемы. Авторы сознательно не отдают предпочтения общеприня-
тым формулировкам законов и теориям и считают, что истина определяется не ав-
торитетом сформированных школ и голосованием по принципу большинства, а ре-
зультатами самих экспериментов.
Как видим, мнения разошлись.
Литература:
1. Физическая энциклопедия. - Т.5. - М.: БРЭ, 1998. -С.224-225.
2. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. - Т.2. -М. :ФМ, 1962.
3. Тамм И.Е. Основы теории электричества. — М.: Техтеорлит, 1954; Физматлит,
2003. - С.544-549.
4. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. - Изд.2. - М.:
Физматлит, 1982. - С.303-308.
5 . Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. - Т.6.
Электродинамика. - М.: Мир, 1966.
6. Родин А.Л. О неизвестных опытах по электромагнитной индукции
//Электричество. - 1994. - №7. - С.67-69.
7. Иванов-Смоленский А.В. Комментарий к статье «О неизвестных опытах по
электромагнитной индукции» // Электричество. - 1994. - №7. - С.69-71.
8. Смирных Л.Н. Парадоксы униполярной генерации. О проблеме увлечения маг-
нитного поля вращающимся магнитом //Поиск математических закономерностей
мироздания: физические идеи, подходы, концепции. - Т.2/Под ред. М.М. Лав-
рентьева. - Новосибирск: ИМ СО РАН, 2004. - С.60-72.
9. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и
полей на основе представлений о газоподобном эфире. - Изд.2. - М.: Энер-
гоатомиздат, 2003.
Техника
Статическое
давление воздуха
Давление
встречного потока
ДАТЧИК ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
В авиации для измерения скорости движения летательного аппарата в воздушной
среде используется трубка Пито и электронный вычислитель или air data
computer.
Многие авиационные ADC измеряют полное и статическое давление от набегающе-
го потока и с помощью нехитрых формул получают несколько параметров, необхо-
димых для выполнения полетов - высота, вертикальная скорость и воздушная ско-
рость .
Для измерения барометрической высоты в теории и в большинстве случаев и на
практике - достаточно одного датчика абсолютного давления, например простой
датчик Bosch BMP180 вполне для этого подходит.
Когда же появляется задача достаточной точности в 1 метр или еще лучше в 10
см, то тут нужны более точные датчики и немного иные измерения.
Для измерения воздушной или приборной скорости полета, нужно уже использо-
вать датчик дифференциального давления, чтобы из полного давления, принимае-
мого в трубку Пито - получить давление динамическое.
В промышленности для этого используют подобные датчики и системы, называе-
мые дифференциальными.
v I
V
%
Стало интересно сделать свою реализацию барокамер для двух отдельных датчи-
ков и попробовать с их помощью получить заветные значения высоты и воздушной
скорости.
Хотя технически это осуществимо, использование двух датчиков абсолютного
давления с погрешностью ±1 кПа, скорее всего, приведет к большим неопределен-
ностям на более низких скоростях полета(от 0 до 30 км/ч).
♦ At 20 m/s (about 72 km/h or 45 mph) with typical air density at sea level (p »
о
1.225 kg/m ), the dynamic pressure is:
Pd=\pV2 = \-1.225 • (20)2 = 245 Pa
♦ A ±200 Pa error could overwhelm this dynamic pressure, leading to large inaccuracies,
particularly at lower airspeeds.
Но меня подстёгивала именно идея "попробовать" и после уже сделать выводы.
Опять таки, всем известный датчик фирмы ТЕ модель MS4525DO
Или модель MPX12DP
Кстати, MS4525DO хоть и имеет промышленно выполненный корпус и барокамеры,
содержит всего лишь 14-битный АЦП.
А
Г
V^RoHS
РСВ Mounted Digital Output Transducer
Combination Temperature and Pressure
l2C or SPI Protocol
Differential. Gage. Absolute. Compound. &
Vacuum
Temperature Compensated
3.3 or 5.0 Vdc Supply Voltage
Low Power Option Available (standby < 1uA)
FEATURES
• PSI Pressure Ranges
• PCB Mountable
• Digital Output
• Barbed Pressure Ports
APPLICATIONS
Blocked Fitter Detection
Altitude and Airspeed Measurements
Medical Instruments
Fire Suppression System
Panel Meter
Air Movement/Environmental Controls
Pneumatic Controls
The MS4525DO is a small, ceramic based, PCB mounted
pressure transducer from ТЕ Connectivity The transducer is built
using our proprietary UltraStable™ process and the latest CMOS
sensor conditioning circuitry to create a low cost, high
performance digital output pressure (Mbit) and temperature
(11 bit) transducer designed to meet the strictest requirements
from OEM customers
The MS4525DO is fully calibrated and temperature compensated
with a total error band (TEB) of less than 1.0% over the
compensated pressure range The sensor operates from single
supply of either 3 3 or 5 OVdc and requires a single external
component for proper operation
The rugged ceramic transducer is available in side port, top port,
and manifold mount and can measure absolute, gauge,
differential, vacuum or compound pressure from 1 to 150psi The
1/8" barbed pressure ports mate securely with 3/32" ID tubing.
В модуле, с которым провожу эксперимент, планирую использовать два датчика
MS5611 фирмы MEAS Switzerland с 24-битным АЦП.
Приступаю к моделированию корпуса, чтобы потом напечатать его на 3D принте-
ре.
Но моделирование оказалось не самым сложным в этом процессе, сложнее оказа-
лось напечатать и собрать герметичные барокамеры, и это оказалось очень слож-
ной задачей.
Проект практически был приостановлен, потому что около 2-х недель были по-
пытки найти оптимальную технологию печати и варианты барокамер.
Первая причина проблем - использование 3D печати, как мы все знаем, печать
выполняется методом экструзии пластика и соответственно неминуемо мы имеет
пустоты и поры.
А если 3D принтер невысокого качества то можно получить вообще решето как
ниже на фото.
А вот печать на более качественном 3D принтере черным PETG пластиком
Серым ABS пластиком
Но все равно, даже на 100 % заполнении пластиков, получаемые барокамеры
травили воздух, и вся идея сходила на нет.
Было решено сделать барокамеры отдельным модулем и печатать их на фотополи-
мерном принтере, в итоге сделано несколько вариантов барокамер
IS'
Я£К
Вроде бы все, проблемы негерметичности решены, но и тут не обошлось без не-
которых утечек в местах прохождения проводов от датчиков к микроконтроллеру.
Еще немного повозившись с герметизацией стыков и отверстий я получил 100%
герметизацию барокамер.
Чем собственно я проверяю герметичность? Обычно в авиации используют специ-
альные air data test set'bi или установки калибровки давления, в самом простом
варианте это КПУ-3
Я для этих целей применил модифицированный манометр низкого давления(0-6
кПа) и высокотехнологичный медицинский шприц на 20 мл
Сам манометр немного модифицировал, наклеив шкалу в knots, и получилась та-
кая установка
Для пересчета давления в воздушную скорость пришлось прибегнуть к некоторым
расчетам, не претендующим на великую точность, но очень близким к реальности
Таблица, рассчитанная от REFERENCE AND APPLICATION DATA - HoneyWell
Knots
0
16
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
175
200
225
Speed (km/h)
0.000
18.520
37.040
55.560
74.080
92.600
111.120
129.640
148.160
166.680
185.200
203.720
222.240
240.760
259.280
277.800
324.840
370.400
416.450
Speed (m/s)
0.000
5.144
10.288
15.432
20.576
25.720
30.864
36.008
41.152
46.296
51.440
56.584
61.728
66.872
72.016
77.083
90.744
102.880
115.000
Pressure (kPa)
0.000
0.106
0.214
0.320
0.427
0.534
0,584
0.778
1.042
1.349
1.629
1.975
2.356
2.767
3.209
3.689
4.025
4.530
5.065
Pressure (in.Hg)
0.000
0.0314
0.0630
0.0945
0.1260
0.1576
0.1727
0.2294
0.3075
0.3971
0.4814
0.5832
0.6950
0.8168
0.9488
1.0910
1.4918
1.9589
2.4943
Pressure (atm)
0.000
0.00105
0.00211
0.00316
0.00422
0.00526
0.00577
0.00767
0.01027
0.01329
0.01606
0.01948
0.02321
0.02727
0.03169
0.03601
0.04943
0.06458
0.08120
Pressure (mbar)
0.000
1.061
2.151
3.216
4.302
5.401
5.900
7.850
10.550
13.485
16.303
19.688
23.601
27.653
32.020
36.167
49.480
64.580
81.200
Конструктивно и аппаратно все было готово к испытаниям, оставалось написать
небольшой код для вычисления высот и скоростей полета.
Код для вычисления скоростей
// Структура для хранения IAS и TAS
typedef struct {
float ias_m_s; // Indicated Airspeed in m/s
float ias_kmh; // Indicated Airspeed in km/h
float ias_knots; // Indicated Airspeed in knots
float tas_m_s; // True Airspeed in m/s
float tas_kmh; // True Airspeed in km/h
float tas_knots; // True Airspeed in knots
} Speeds;
// Функция для вычисления давления по высоте
static inline double calcPressure(double alti) {
return (1013.25 pow((1.0 - (6.5 alti / 288150.0)), 5.255));
}
// Methods for Athmosphere Model used in Aviation
// With density of water from:
// http://www.csgnetwork.com/waterinformation.html
// @ 22.8 degree: 0.997585
// earth gravity: 9.0807 m/sA2
// and standard ICAO air density with 1.225 kg/m3 there is:
// V(km/h) = sqrt(2*( <mmH20> 0.997585 9.807 )/1.225) * 3.6
// Функция для расчета IAS и TAS на основе давления, высоты и температуры
static inline Speeds calculateSpeeds(float pascal, float altitude, float temp) {
// Проверяем, если динамическое давление меньше или равно нулю
if (pascal <= 0) {
return (Speeds){0.Of, O.Of, O.Of, O.Of, O.Of, O.Of};
// Устанавливаем IAS и TAS в 0
}
// Вычисляем IAS из давления в Паскалях (м/с)
float ias_m_s = sqrt(2 * pascal / 1.225);
// Преобразуем IAS в км/ч и узлы
float ias_kmh = ias_m_s * 3.6;
float ias_knots = ias_m_s * 1.94384;
// float ias_knots = ias_kmh / 1.852;
// Вычисляем TAS на основе IAS (в м/с)
// https://en.wikipedia.org/wiki/True_airspeed#Calculating_true_airspeed
double pressureRatio = calcPressure(altitude) / 1013.25;
float tas_m_s = ias_m_s / sqrt(288.15 / (temp + 273.15) * pressureRatio);
// Преобразуем TAS в км/ч и узлы
float tas_kmh = tas_m_s * 3.6;
float tas_knots = tas_m_s * 1.94384;
// Возвращаем значения в структуре
Speeds speeds = {ias_m_s, ias_kmh, ias_knots, tas_m_s, tas_kmh, tas_knots};
return speeds;
}
Код для вычисления высот
float Variometer::calcAltitude(long pressure) {
return 44330 * (1.0 - pow((float) pressure / (float) this->qnh, 0.1903));
}
В основном тут простая математика, основанная на данных давлений, получае-
мых от двух датчиков абсолютного давления, установленных в раздельных барока-
мерах .
Высота вычислялась с помощью вычисления атмосферного давления одним датчи-
ком, я назвал его STATIC.
Скорость воздушная вычисляется путем вычитания из полного давления PRESSURE
давления STATIC, тем самым получаем давление динамическое, которое уже под-
ставляется в формулу, тем самым рассчитывается скорость полета IAS.
Для получения скорости полета истинной - TAS, что для малой авиации в ос-
новном не так применимо, требуется коррекция скорости в зависимости от высоты
полета и температуры воздуха, т.к. все мы знаем, что с высотой воздух стано-
виться более разряженным, а самолет летит "опираясь" крылом на этот самый
воздух и очень важно знать скорость TAS.
Есть еще скорость GS, но ее можно вычислить только по GPS или с помощью
инерциального блока.
До проверки в железе, весь код был успешно оттестирован на основе симуляции
давлений в авиасимуляторе FlightGear
Данные полученные посредством формул были близки с получаемыми в полете.
Компьютер воздушных данных выдает данные воздушной скорости, высоты полета
и вертикальной скорости в шину CAN и соединен с указателем
И" О 2101
JV"
Самым сложным моментом при создании блока измерения воздушных данных была
не только герметизация барокамер, но и написание кода для вычисления верти-
кальной скорости или скорости изменения высоты полета.
В механических вариометрах для этого используется система анероидной короб-
ки и капилляра, а как это реализовать в коде ... пришлось некоторое время по-
рыться в интернете в поисках кода и решений, которое в итоге привело к напи-
санию рабочего класса на основе решения для параглайдеров
// alghoritm like here
// https://www.instructables.com/DIY-Arduino-Variometer-for-Paragliding/
void Variometer::calcVario(long now) {
float
float
float
float
float
N1
N2
N3
Dl
D2
=
=
=
=
=
0
0
0
0
0
// move the array one position to the left
for(int i = 1; i <= MAX_SAMPLES; i++) {
this->pressureArray[(i - 1)] = this->pressureArray[i];
this->timeArray[(i - 1)] = this->timeArray[i];
};
// after moving, add the new value to the end of the array
this->pressureArray[MAX_SAMPLES] = this->lastPressure;
this->timeArray [MAX_SAMPLES] = now;
float elapsedTime = this->timeArray[MAX_SAMPLES - SAMPLES] ;
for(int i = (MAX_SAMPLES - SAMPLES); i < MAX_SAMPLES; i++) {
float altitude = calcAltitude(this->pressureArray[i]);
N1 += (this->timeArray[i] - elapsedTime) * altitude;
N2 += (this->timeArray[i] - elapsedTime);
N3 += (altitude);
Dl += (this->timeArray[i] - elapsedTime) * (this->timeArray[i] - elapsedTime);
D2 += (this->timeArray[i] - elapsedTime);
};
// this->vario = 1000 ((SAMPLES N1) - N2 N3) / (SAMPLES Dl - D2 * D2);
this->vario = intervalVario ((SAMPLES N1) - N2 N3) / (SAMPLES Dl - D2 * D2);
}
Техника
МАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ
Для начала дадим определение: «Левитация (от лат. levitas — «лёгкость, лег-
ковесность») — преодоление гравитации, при котором субъект или объект парит в
пространстве (левитирует), не касаясь поверхности твёрдой или жидкой опоры.»
Мы привыкли к тому, что слово «левитация» относится к области либо какого-
то трюка/обмана, либо ко вполне научным явлениям, однако, требующим для этого
весьма специфических условий (или оборудования, если речь идёт об электронном
«подруливании» магнитными полями).
Тем не менее, что, если я скажу вам, что левитация всё-таки возможна, при-
чём, что любопытно, при комнатной температуре?
Ещё более любопытно то, что для её осуществления не требуется каких-либо
затрат энергии (имеется в виду подача постоянного или импульсного питания), а
также создания каких-либо экзотических условий (вполне достаточно даже вполне
доступных компонентов).
Многим хорошо знаком известный опыт, где нечто, будучи охлаждённое жидким
азотом, приобретает свойства сверхпроводника и летает над поверхностью магни-
тов или зависает над ними.
Это хорошо известный эксперимент, где используется, например, сплав YBCO
(оксид иттрия-бария-меди), представляющий собой высокотемпературный сверхпро-
водник второго типа (до 1950-х годов были известны только первого типа, для
которых потребовалось бы ещё более низкая температура (более -200 С) , чем в
демонстрируемом опыте), приобретающий свои свойства при температуре кипения
азота1:
1 https://www.youtube.com/watch?v=AWojYBhvfjM
Здесь мы видим воочию проявление эффекта Мейснера, где наблюдается выталки-
вание магнитного поля из физического объёма сверхпроводника, благодаря чему
начинают наблюдаться интересные явления, одним из которых является так назы-
ваемый «квантовый замок», суть которого (насколько мне удалось разобраться и
если сказать простыми словами) заключается в том, что вытесненное из сверх-
проводника поле не совсем вытеснено, а всё-таки проникает в его толщу на
очень небольшую глубину (Ю-2 мкм для металлов) , где проходит в виде тонких
нитей-вихрей, называемых «вихри Абрикосова», которые ещё называют квантами
магнитных потоков; эти вихри, в свою очередь, «цепляются» за наноразмерные
неоднородности в материале, которые могут быть представлены в виде включения
других фаз (где под ними подразумеваются какие-либо оксиды, иные примеси),
границы зёрен, другие искусственно созданные дефекты.
Таким образом, получается, что левитирующий сверхпроводник со всех сторон
«проткнут» очень близко к поверхности тонкими, волосоподобными, невидимыми
вихрями и подвешен в них: благодаря тому, что вихри зацепились за неоднород-
ности, они не могут перемещаться, и сверхпроводящий предмет висит неподвижно
в некотором стабильном положении.
Любопытным следствием этого является то, что положение сверхпроводника мож-
но менять, например, изменить его угол, и он всё равно будет продолжать ви-
сеть под этим углом, застыв — это и называется квантовым замком (насколько я
понимаю), а эффект такого зацепления вихрей называется пиннингом.
Однако левитация может быть обеспечена не только с помощью сверхпроводника
(этот вариант мы уже рассматривали), но и с помощью довольно известного приё-
ма: установки кольцевого магнита или ряда дискретных магнитов, в центре кото-
рых размещаются электромагнитные катушки.
Над всей этой конструкцией подвешивается платформа с прикреплённым к ней
магнитом, развёрнутым тем же полюсом к находящемуся внизу кольцевому магниту.
Естественно, платформа стремится перевернуться и слепиться с этим магнитом.
Однако всему этому противостоит электронное подруливание: в центре конст-
рукции установлены аналоговые датчики Холла, которые «видят» малейшие попытки
висящего магнита изменить своё положение и многократно — много раз в секунду
— включают и выключают соответствующие электромагнитные катушки, притягиваю-
щие начавший подниматься вверх край левитирующего магнита.
Так как это происходит с очень большой частотой, левитирующий магнит пови-
сает в некой уравновешенной позиции, и со стороны это выглядит так, как будто
он летает сам по себе.
Частенько на базе всей этой конструкции строят так называемые «левитирующие
цветочные горшки», которые выглядят довольно-таки симпатично2:
2 https://www.youtube.com/watch?v=TFjDH8Usrz4
В разобранном состоянии это выглядит примерно так3:
Если кому интересно ещё больше узнать об этом способе левитации, рекомендую
гуглить, по ключевым словам, «diy repulsive magnetic levitation» — там будет
много довольно подробных схем с описанием, как это собрать самостоятельно.
Всякие ардуины/езр32 + горстка аналоговых датчиков Холла KY-035 + кольцевой
ферритовый магнит + самостоятельно намотанные катушки смогут такое без про-
блем.
Тем не менее, и это не последний способ, каким образом можно обеспечить ле-
витацию — есть ещё один любопытный вариант и основан он на токах Фуко.
Суть здесь заключается в следующем: как мы знаем из физики, любой провод-
ник, по которому течёт электрический ток, приобретает собственное магнитное
поле.
Выше мы упомянули так называемые токи Фуко, которые представляют собой Со-
образные замкнутые токи в слое токопроводящего материала и, по сути, являются
коротким замыканием в толще материала. Насколько мне известно, глубина их
3 https://www.youtube.com/watch?v=tw5LQ24sbAg
проникновения зависит от частоты: чем она выше, тем ближе к поверхности рас-
полагаются эти токи — этот эффект называется «скин-эффектом».
Естественно, что эти токи вызывают нагрев материала, однако в нашем приме-
нении интересно не это, а то, что у этих токов появляется собственное магнит-
ное поле, которое может быть полезным образом использовано — и применений ему
в технике находится довольно много (например, для бесконтактного демпфирова-
ния, торможения).
В нашем же случае ещё одним его применением может быть левитация. Из наибо-
лее эффектных примеров, которые я знаю: пол скейт-парка выстилается листами
меди, поверх которых устанавливается скейт. На его нижней части расположены
четыре электродвигателя, быстро вращающие четыре мощных магнита, — в резуль-
тате наводятся вихревые токи в медных листах, появляется отталкивающее маг-
нитное поле, и скейт повисает над полом, обладая при этом внушительной грузо-
подъёмностью4 . Надо признать, что, похоже, летающий скейт из фильма «Назад в
будущее» многим не даёт покоя.
Силу возникающих полей легко можно примерно понять, если посмотреть извест-
ный эксперимент с бросанием неодимового магнита сквозь медную трубу, где
именно эти поля не дают магниту быстро упасть и тормозят его5:
4 https://www.youtube.com/watch?v=HSheVhmcYLA
5 https://www.youtube.com/watch?v=E97CYWlALEs&t=19s
Эти поля можно даже увеличить, если закрутить магнит6 (тот же эффект, что и
со скейтом):
Но это всё способы достаточно энергозатратные или экзотические — скажем,
получить сверхпроводимость на дому конечно можно, но это будет ограничено
временем испарения жидкого азота.
Если же говорить о системах электронного подруливания, наподобие той, кото-
рая я была использована выше в летающих цветочных горшках, то здесь мне ви-
дится в качестве основной проблемы нагрев электромагнитных катушек из-за то-
го, что они будут работать фактически в режиме 24/7.
Конечно, это всё решаемо — вентиляция, мощный блок питания, намотка толстым
проводом. Однако, тем не менее... С другой стороны, смотря для чего и как это
будет использоваться — если сама система с электрической стороны и со стороны
охлаждения продумана, и использоваться будет не выходя за пределы возможно-
стей, то почему бы и нет...
И тут, на мой взгляд, мы подошли к самому интересному: а можно ли получить
тот же самый эффект, который показывался самым первым, демонстрируя левитацию
в случае сверхпроводимости, только чтобы такая же левитация происходила при
комнатной температуре и без какого-либо подведённого питания?!
Я знаю, что ответ прозвучит странно, но, да, можно, и решением будет ещё
один вариант левитации — использование диамагнитных материалов.
Они называются так потому, что при воздействии магнитного поля на них про-
исходит их намагничивание в противоположном направлении, при этом сам процесс
проходит на достаточно микроскопическом уровне, где силовые линии магнитного
поля воздействуют на атомы самого вещества, где эти атомы и приобретают маг-
нитный момент, направленный в противоположном направлении относительно линий
магнитного поля.
Благодаря этому, если сила отталкивания позволяет преодолеть силу тяжести,
материал начинает левитировать.
Причиной появления такой намагниченности является возникновение электриче-
ских токов, представляющих собой движение электронов вокруг линий магнитного
поля; а как мы знаем, любой электрический ток приводит к появлению собствен-
ного магнитного поля.
Ещё одним интересным моментом является тот, что диамагнитные свойства ха-
рактерны многим материалам (и даже воде!) , однако в основном проявление их
достаточно слабое. Следствием этого является то, что заставить «летать» такие
6 https://www.youtube.com/watch?v=Q71eJTZ6E48
материалы, конечно, можно, но потребуется очень мощное магнитное поле...
Однако примечательно то, что для проявления диамагнитных свойств не требу-
ется охлаждать материал до экстремальных температур, как мы выше видели на
примере сверхпроводников — эти материалы проявляют свои свойства даже при
комнатной температуре.
Одним из таких интересных материалов, достаточно ярко проявляющим свои диа-
магнитные свойства, является пиролитическии графит, получивший своё название
от технологий производства, связанных с высокотемпературным преобразованием.
Результатом таких преобразований является получение особой формы углерода,
называемой графитом, которая отличается высокой однородностью, где атомы уг-
лерода расположены в виде слоев, что обуславливает его высокую магнитную вос-
приимчивость — благодаря строгой ориентации атомов в слоях, воздействие внеш-
них полей на них приводит к возникновению магнитного момента, чётко ориенти-
рованного в противоположном полю направлении.
Кроме того, что важно для нас, эта магнитная восприимчивость достаточно ве-
лика, чтобы вызвать левитацию от условно слабых полей. Для этого достаточно
будет неодимовых магнитов, а чтобы заставить левитировать, скажем, воду, —
потребуются поля ещё мощнее.
При этом здесь есть один нюанс — эта магнитная восприимчивость зависит от
ориентации кристаллической решётки, другими словами, как физически расположен
кусок графита относительно магнитного поля — вдоль слоев он обладает очень
высокой магнитной восприимчивостью, что обусловлено возможностью электронов
свободно перемещаться в слоях (и, как мы помним, такое их движение довольно
эффективно создаёт магнитные поля), в то время как в перпендикулярном направ-
лении эта восприимчивость многократно слабее, обусловленная затруднениями в
перемещении электронов.
Таким образом, если слои расположены параллельно воздействующему полю, воз-
никающая сила противодействия будет максимальной и левитирующий графит будет
обладать максимально возможной грузоподъёмностью (по крайней мере, в рамках
своих физических возможностей).
Также левитации способствует низкая плотность графита. Проще говоря, мы
имеем хороший магнитный материал малого веса, поэтому он и хорошо летает.
Однако для реализации каких-либо реальных практических применений, как мы
понимаем, «простого летания» — недостаточно и необходимо ещё каким-то образом
и «направлять куда надо» этот летающий объект.
Одним из эффективных способов такого контроля называют создание радиального
градиента магнитного поля, — другими словами, сила магнитного поля должна из-
меняться от центра к краю, что оказывает стабилизирующее действие и удержива-
ет пиролитическии графит в центре этого поля.
Для создания такого поля возможны два подхода:
1. создать сильное поле по краям, а слабое поле в центре — для этого можно
использовать кольцевые неодимовые магниты;
2. создать сильное поле в центре, а слабое по краям — для этого можно приме-
нить неодимовые магниты в виде диска.
К слову, ниже будет ряд видео, где как раз можно видеть этот способ удержа-
ния, но там он возникает скорее стихийно, так как градиент магнитного поля
возникает «сам собой», потому что в качестве «подложки» используется магнит-
ная подложка, собранная из множества магнитов, и хорошо видно, как левитирую-
щие пластинки из пиролитического графита движутся дискретно, удерживаясь в
определённых местах градиента магнитного поля.
Ну и, в качестве примера, вот как это выглядит, если высыпать пластинки пи-
ролитического графита на блок неодимовых магнитов7:
7 https://www.youtube.com/watch?v=QQPBEPiOpiM
Можно провернуть трюк и наоборот: взять достаточно большой брикет (чтобы
создать условно большую подъёмную силу) пиролитического графита и подвесить
над ним неодимовый магнит8:
Вполне себе летает, сколь угодно долго, при комнатной температуре и не тре-
бует никакого питания!
Однако, можно сделать и немного повеселее, например, дорожку из магнитов, а
к пластине пиролитического графита прикрепить фигурку велосипедиста9.
Или, скажем, лабиринт из неодимовых магнитов и летающей шайбы10.
Ну вот, мы вроде бы и узнали об интересном способе левитации с помощью пи-
ролитического графита. Однако, что, если я скажу вам, что существует ещё бо-
лее интересный способ, который является частным случаем способа с графитом?
Приходило ли вам в голову, что обычный графитовый стержень из обычного ка-
рандаша тоже может летать?
8 https : //www. you tube. com/watch? v=WhehlOVC4MQ
9 https : //www. you tube. com/watch? v=Tjqzxf OwLxA
10 https://youtu.be/o2blDfmgLys?si=05SyANfYeywYV_S2
Тут сразу следует сделать оговорку, что, судя по эксперименту ниже, лучше
всего летают стержни, продающиеся отдельно для заправки специальных «механи-
ческих» карандашей. Такой способ явно будет намного дешевле для ознакомления
с описанным эффектом, чем покупка пиролитического графита.
Этот способ хорош тем, что каждый может его самостоятельно проверить при
наличии под рукой неодимовых магнитов11:
Попробуем подумать, а почему летает этот графитовый стержень?
Структура такого стержня явно отличается от пиролитического графита в худ-
шую сторону, то есть характеризуется меньшей однородностью, так как, насколь-
ко мне известно, в таких стержнях часто используют в качестве одного из ком-
понентов наполнителя обычную глину (по крайней мере, в тех в стержнях, кото-
рые находятся внутри деревянного карандаша; что же касается стержней, продаю-
щихся отдельно, тут у меня информация отсутствует, но, предположим, что си-
туация там та же) , тем не менее, он обладает теми же диамагнитными свойства-
ми, а благодаря своей круглой форме легко может развернуться параллельно маг-
нитному полю неодимовых магнитов.
Также о нём следует сказать, что его собственный вес весьма мал, а поле не-
одимовых магнитов относительно весьма велико.
Таким образом, несмотря на предположительно имеющиеся примеси, влияющие не-
гативно , и не совсем оптимальную форму, он всё равно будет летать, так как
соотношение силы магнитного поля к весу самого стержня сохраняется относи-
тельно постоянным, примерно таким же, как и в случае с пиролитическим графи-
том.
Хорошо, с этим разобрались... Однако остаётся ещё один весьма любопытный во-
прос : выше мы видели вариант летающего скейта на токах Фуко. После того как
мы изучили информацию про диамагнитные материалы, естественным образом возни-
кает вопрос: а нельзя ли провернуть всё то же самое, только с пиролитическим
графитом? Например, сделать скейт из графита в натуральную величину с грузо-
подъёмностью настоящего скейта? Поистине потрясающая вещь была бы (в теории)!
Попробуем рассчитать...
Для этого будем использовать следующие формулы:
Сила для диамагнитного отталкивания:
F = xVB2/2vio
https://www.youtube.com/watch?v=yeIizmhzPQc&t=ls
где:
X — магнитная восприимчивость;
V — объём;
В — магнитная индукция, Тл (для неодимовых магнитов находится примерно в
пределе 1-1,5);
|10 "" магнитная постоянная.
Величина грузоподъёмности, то есть величина массы, которая может удержи-
ваться в «полёте»:
m = F/g
где: g — ускорение свободного падения.
Допустим, что вес ездока 90 кг.
Тогда:
m = 90 кг;
g = 9,81 м/с2;
X = -1,6'10~4 (для пиролитического графита);
ро = 4я*10"7 Гн/м.
F = mg = 90*9,81 * 882,9 н
Перепишем формулу выше (для F), чтобы выяснить, какой объём графита потре-
буется, для создания такой силы отталкивания:
V = 2vL0F/(XB2)
V = 2*4я*10"7*882,9/(-1,6*10"4*1,52)
В результате вычислений получим, что:
V = 2,22*10"3/(-3,6*10"4) « -6,17 м3
На минус не обращаем внимание (он показывает направление силы), и берём для
последующего анализа абсолютное значение в 6,17 м3.
Это количество графита будет примерно равно кубу со стороной, в 1,84 м.
Попробуем ещё узнать, а какой был бы у этого куба вес?
Для вычисления объёма куба потребуется формула:
V = а3
где: а = длина стороны куба.
Тогда:
V = (1,84)3 * 6,17 м3
Для вычисления массы будем использовать следующую формулу:
m = pV
где: р « 2,26 г/см3 = 2260 кг/м3 (плотность пиролитического графита).
Таким образом:
m = 2260*6,17 * 13944,2 кг
To есть, другими словами, примерно 13,9 тонны.
Подытожим: если бы нам вдруг пришла мысль об изготовлении скейта из пироли-
тического графита для удержания ездока весом 90 кг, то это был бы исполинских
размеров скейт, на который ушёл бы куб графита со стороной 1,84 м и общим ве-
сом примерно 13,9 тонны. «Неее, не пойдёт».
И это ещё без учёта того, что нужна была бы масса магнитов (или мощная
электромагнитная система под полом скейт-парка)! Однако это не отменяет при-
менимость этого эффекта для различных мелких самоделок.
Подытоживая, можно сказать, что хотя многие из рассмотренных вариантов
вполне могут быть применены для ряда самоделок, лично мне видится последний
вариант с пиролитическим графитом весьма интересным, так как он не потребляет
энергии. А если даже управлять этими висящими объектами, перемещая магнит
снизу, то затраты энергии будут явно существенно меньше, чем, скажем, при ис-
пользовании способа с электронным «подруливанием» (как в варианте с левити-
рующими цветочными горшками, рассмотренными выше). Тут площадка и висит, и
удерживается «сама по себе», остаётся только двигать магнит внизу, что по
энергозатратам уже совсем немного. В любом случае, используя рассмотренное,
каждый может попробовать подключить фантазию и сделать нечто своё, а привле-
кательность самого эффекта сделает и конечное изделие весьма впечатляющим.
Скажем, летающие шахматы почти без энергозатрат? Почему бы и нет...
Например, можно даже попробовать самому себе задать вызов и решить его:
шахматная доска из квадратных магнитов, а перемещение фигур происходит за
счёт генерации полей на самой летающей фигуре! Скажем, прямо поверх магнитов
уложена индукционная спираль для зарядки, а на каждой фигуре такая же (как у
беспроводной зарядки смартфонов), и фигуры могут «летать», перемещаясь с мес-
та на место, управляя генерацией поля в своём донышке. А беспроводная «заряд-
ка» нужна для питания этой системы на каждой фигуре.
А уж если сюда прикрутить голосовую распознавалку и отдавать задания голо-
сом — совсем интересно может получиться!
Техника
ВАКУУМНОЕ НАПЫЛЕНИЕ
Само название данной технологии вызывает ощущение чего-то сложного, науко-
емкого и недоступного простым смертным. Однако японский радиолюбитель Ryuichi
разрушил это представление своим видеороликом1 с демонстрацией установки для
вакуумного напыления меди из самых незамысловатых компонентов.
Его пример вдохновил и меня на создание подобной установки. Непосредствен-
ной целью Ryuichi было создание медных зеркал для самодельного С02-лазера.
Однако, конечно, технология напыления металлов имеет огромное количество и
других применений - от износостойких покрытий до микроэлектромеханических
систем (МЭМС) .
Наносимые покрытия могут иметь разную толщину — от миллиметров до единиц
атомов и совершенно точно воспроизводят структуру поверхности образца. Поэто-
му их применяют для подготовки образцов к тем видам исследования, при которых
они должны быть проводящими, например, для рассматривания в электронный или
сканирующий туннельный микроскоп.
Суть вакуумного напыления (в англоязычной литературе: physical vapour
deposition, PVD) состоит в оседании паров материала на подложку. Вакуум здесь
нужен по двум причинам:
1. Обеспечение беспрепятственного пролета паров от мишени до подложки (чем
меньше в камере газа, тем меньше вероятность их отклонения в стороны, хи-
мических реакций с газом и охлаждения в полете). Охлаждение в полете плохо
потому, что частице нужен некоторый запас энергии, чтобы немного углубить-
ся в материал подложки, «расшатав» атомы её поверхностного слоя.
1 https://www.youtube.com/watch?v=c4SiclDRXJI
2. Отсутствие кислорода, который при высоких температурах начал бы, конечно
окислять горячие поверхности мишени и растущей пленки, мешая процессу.
Для превращения материала мишени в пар (распыления) используют разные тех-
нологии, из которых мы попробуем две: магнетронное и ионно-плазменное распы-
ление . Вот пример латунной пленки, нанесенной на осколок стекла:
Эти процессы происходят не то чтобы совсем в вакууме, а скорее в разрежен-
ном разе - таком, чтобы поддерживался устойчивый электрический разряд. Разряд
превращает раз в плазму — смесь электронов и ионов. Ионы ускоряются электри-
ческим полем и в прямом смысле бомбардируют мишень, распыляя её. Представляе-
те, как это выглядит с точки зрения ползающей по мишени бактерии? Некоторые
называют это ионным или плазменным напылением, акцентируя внимание на той или
иной стороне этого простого, в сущности, явления.
Конструкция
установки
Рабочая камера установки представляет собой обыкновенную банку из под огур-
цов . В донышке ее просверлены два отверстия. В среднем отверстии вклеена
резьбовая шпилька, а в крайнем - патрубок для вакуумного шланга. В качестве
клея лучше всего использовать эпоксидку. На момент опыта у меня ее не оказа-
лось и потому пришлось обходиться клеем для ПВХ, суперклеем и фиксатором
резьбы, что, по-видимому не ухудшило качества работы установки а лишь услож-
нило процесс ее склеивания.
Термоклей здесь не подходит - во время работы банка нагревается и термоклей
размякнет (я проверял). Может возникнуть опасение, что просверленная нагретая
банка под вакуумом может лопнуть. Да, я думаю, может. Хотя вот эта конкретная
банка не лопнула пока, она может сделать это потом. Поэтому будьте осторожны
и, в идеале, работайте за толстым листом оргстекла или, по крайней мере, в
защитных очках.
Существует много способов получения отверстий в стекле. Но я выбрал самый
простой в XXI веке - купил в строительном магазине сверло по стеклу. На малых
оборотах, со смачиванием водой, сверление банки не вызвало затруднений.
Для создания вакуума я использовал один из самых дешевых китайских вакуум-
ных насосов, который легко купить в Москве за несколько тыс. руб. Это одно-
ступенчатый 185-ваттный насос VE115 производительностью 51 л/мин. Он способен
откачивать воздух до давления порядка 20 Па. Пожалуй, это самая дорогая де-
таль нашей установки, не считая ЛАТРа. Мне показалось, что мощность даже это-
го насоса избыточна для наших целей и можно было бы обойтись насосом более
примитивным, но у меня его не оказалось.
К резьбовой шпильке в центральном отверстии мы будем крепить держатель под-
ложек, он же анод (положительный электрод). Главное требование к нему, по су-
ти, одно - чтобы подложки не вываливались от вибрации стола, создаваемой мо-
тором вакуумного насоса. Желательное требование: регулировка высоты. Недолго
думая, я сварил его из обрезков металла, а можно было, например, свинтить из
чего-то или вообще согнуть из проволоки. Главное - не паять и не термоклеить!
Банка с установленным внутри ее держателем ставится на мишень - лист немаг-
нитного металла. После долгих поисков я купил 6-миллиметровый медный лист
(медь - лучший материал для напыления). Для герметичности между банкой и лис-
том надо поставить прокладку из резины. Сначала я использовал черную резину,
вырезанную из чего-то, похожего на клок автомобильной камеры. С ней не уда-
лось достичь хорошего вакуума. Тогда я вырезал прокладку из 2-миллиметровой
силиконовой резины и дело пошло. На краях красной силиконовой резины можно
видеть радужно блестящие слои всевозможных металлов, осевших туда при опытах
с установкой.
Крепить мишень к банке никак не нужно - при создании в банке вакуума, атмо-
сферное давление прижимает к ней мишень с силой в сотни ньютон. На этом со-
оружение вакуумной части закончено. Перейдем к электронной части, не более
сложной.
Электронная
часть
Состоит из ЛАТРа, трансформатора от микроволновки (далее - МОТ от англ.
Microwave Owen Transformer), выпрямительного диодного моста и высоковольтного
конденсатора (тоже от микроволновки).
НОРМАЛЬНОЕ ПОДКЛЮЧЕНИЕ
ВЫСОКОЕ
НАПРЯЖЕНИЕ
опасно
для жизни
220 В
ЛАТР
Выпрямитель
МОТ
Прошу обратить особое внимание на опасное для жизни напряжение, превышающее
1000 вольт. Эти эксперименты должны проводиться чтобы присутствовало несколь-
ко человек, чтобы при случае оказать помощь. Автор не несет никакой ответст-
венности за возможные их последствия, предоставляя желающим действовать на
свой страх и риск.
Резистор, показанный на схеме, изначально встроен в конденсатор микровол-
новки и предназначен как раз для того, чтобы постепенно разряжать конденсатор
после выключения прибора. Лично я не стал полагаться на этот резистор и перед
тем как копаться в установке разряжал конденсатор, замыкая анод и катод мед-
ным проводом (естественно, он должен быть в изоляции!). Однако, со временем,
бдительность притупляется, так что этот резистор может оказаться весьма кста-
ти.
ЛАТР служит, естественно, для плавной регулировки напряжения. Его выходная
обмотка подключается к низковольтной обмотке МОТ. Низковольтная это та, у ко-
торой меньше витков, но они более толстые. Эта обмотка имеет значительно
меньшее сопротивление и в микроволновке была подключена к 220 вольтам пита-
ния.
На высоковольтной обмотке МОТа оказывается высокое переменное напряжение,
которое нам нужно преобразовать в постоянное. Для этого служит диодный мост
из высоковольтных диодов HVM10 и HVM12. Диоды эти рассчитаны на 10-12 кВ, а
на выходе МОТ бывает гораздо меньше, поэтому за пробой диодов напряжением я
не переживал. Но по току диоды рассчитаны всего на 350 мА, поэтому я исполь-
зовал вместо каждого диода два параллельно соединенных. Этот подход себя оп-
равдал - даже когда в погоне за мощностью я доводил МОТ до легкого дымка,
диоды оставались целы.
После диодного моста мы получаем выпрямленный пульсирующий ток, который хо-
рошо бы сгладить, чтобы получить совсем уж постоянный (впрочем, я не проверял
- может быть, для наших целей можно и не сглаживать). Для этого было логично
применить конденсатор от микроволновки, который заведомо рассчитан на работу
при выходном напряжении МОТ. Тем более, что у него удобные выводы с двойными
клеммами, к которым я и подключил провода, идущие к вакуумной камере.
На этом электронная часть закончена - приступим к экспериментам!
Первый
тест
Сначала давайте испытаем установку без держателя подложки (чтобы лучше было
видно, что там происходит). Включим вакуумный насос и пусть поработает 1-2
минуты. У моего вакуумного насоса по звуку можно определить, получается ли
вакуум или есть течь. В любом случае, это станет ясно при включении питания.
Установим ЛАТР на минимальное напряжение и включим в сеть. Теперь плавно
повышаем напряжение. Если вакуум плох, то мы увидим яркие сине-зеленые искры
с пугающими резкими щелчками2. Значит что-то надо загерметизировать получше.
Зато в хорошем вакууме мы увидим тихий спокойный разряд сиреневого или
фиолетового цвета.
Надо сказать, что никакие ухищрения и режимы съемки не позволили мне пере-
дать красоту плазмы, которая бывает розовой и зеленой, синей и фиолетовой,
аквамариновой и вишневой, сиреневой и оранжевой, мерцающей и равномерной, в
общем, какой угодно. Даже одна только эстетическая сторона дела однозначно
стоит того, чтобы самостоятельно собрать такую установку и наблюдать плазмен-
ные явления воочию.
Магнитная
система
Теперь у нас есть отличная плазма и всё, что осталось - это заставить ее
делать то, что нам нужно. А что нам, собственно, от нее нужно?
Нужно сконцентрировать ее неподалеку от поверхности мишени, чтобы положи-
тельные ионы азота (я не понял, правда какие: N+ или N2+) , разгонялись в ее
направлении электрическим полем и вышибали атомы. Это и будет распыление. К
2 https://www.youtube.com/watch?v=PxB4_7arULw
счастью, человечество давно нашло простой способ сделать это
электроны по кругу магнитным полем вблизи мишени.
- закрутить
"И
I
На этом рисунке фиолетовым показаны линии магнитного поля, которое создает
небольшой цилиндрический магнит, вставленный в кольцевой. Электроны стремятся
покинуть отрицательный катод и устремиться вверх, к положительному аноду. Но
сила Лоренца (помните школьное "правило левой руки"?) отклоняет его путь, за-
ставляя бегать по кругу, в области, где у меня нарисован бледно-фиолетовый
как бы бублик в разрезе (скоро мы его увидим своими глазами).
Там электрон обязательно вскоре ударяется о молекулу азота и ионизирует ее,
выбивая еще один (а может, и не один?) электрон. Тогда разлетевшиеся в разные
стороны электроны как могут, наконец, добираются до анода (или опять попадают
в кольцо) , а ион азота делает то, что нужно нам - выбивает атом из мишени.
Да, кстати, откуда там азот? Конечно, из недооткачаннохю воздуха - ведь боль-
шую часть воздуха составляет именно он.
Итак, нам нужно добавить такое вот кольцевое магнитное поле. Небольшой ци-
линдрический магнит для расположения в центре в наши дни легко купить. Я на-
брал его из маленьких кольцевых просто потому что они оказались под рукой. А
большой кольцевой можно взять из мощного динамика или из магнетрона от микро-
волновки (там он тоже гоняет электроны по кругу). Система из таким вот обра-
зом скрещенных электрических и магнитных полей в вакууме и называется в тех-
нике магнетроном. В микроволновке идет магнетронная генерация СВЧ волн, а у
нас - магнетронное напыление.
У меня как раз вышли из строя два динамика и на всякий случай я поставил
один магнит на другой. От этого, по-видимому, установка стала работать лучше.
Вообще, слабые магниты формируют размытое плазменное кольцо, которое плохо
напыляет. В начале моих экспериментов кольцо было узким и белым, а в конце
(когда я значительно перегрел магниты за полдня непрерывной эксплуатации)
стало розовым и широким. Обратите внимание на это при создании собственной
установки и не допускайте слабых и перегретых магнитов. Чем сильнее магнитное
поле, тем лучше!
Поставим оба магнита на какую-нибудь железку. Она удержит их в нужном поло-
жении, замкнет с обратной стороны магнитное поле, и, (если это железяка про-
долговатая) , позволит удобно перемещать их под рабочей камерой, не задевая
рукой катод.
Инверсное
подключение
Прежде чем приступить к опытам, я хочу рассказать еще об одном нюансе, из-
за которого я потратил довольно много времени, недоумевая, почему собранная
система не работает.
Посмотрите еще раз на схему диодного выпрямительного моста. Мы хорошо зна-
ем, что полоски на диодах (и на их символах на принципиальных схемах) распо-
лагаются у минусового вывода (катода). Однако если (как сделал поначалу я)
соединить катоды диодов выпрямителя с катодом установки, то получится инверс-
ное подключение: всё наоборот. Катоды диодов, действительно, должны быть об-
ращены к минусу, но сами-то при этом являются источниками положительного то-
ка. В итоге у меня катод и анод поменялись местами. Что из этого вышло - сей-
час увидим.
Итак, теперь нам надо подложить магнит под мишень (Осторожно! Напряжение!).
Для этого у меня мишень располагается на двух деревянных брусочках. Помещая
магнит под мишень при инверсном подключении я получил некие кольцеобразные
структуры, но крайне тусклые и невыразительные3.
3 https://www.youtube.com/watch?v=yJnHPvYtR3s
ИНВЕРСНОЕ ПОДКЛЮЧЕНИЕ
ВЫСОКОЕ
НАПРЯЖЕНИЕ
опасно
для жизни
ЛАТР
Выпрямитель
МОТ
220 В
Однако, не догадываясь об этой ошибке, я подумал, что так и надо и поместил
в камеру держатель подложки, а на него образец - кусок стекла. При откачке
воздуха и подаче напряжения держатель стал светиться ярко розовым эмиссионным
светом. Но я и этому не придал значения.
Через некоторое (довольно долгое) время стало видно, что подложка темнеет.
Я вытащил ее и измерил проводимость. Проводимость оказалась нулевой. Это было
всё что угодно, но не металлическая пленка. Тогда я повторил опыт с другим
кусочком стекла, продержав его в камере ещё дольше. Он стал темнее, но муль-
тиметр по-прежнему не показал ни малейших признаков проводимости.
Тогда я стал подробнее читать о вакуумном напылении и понял свою ошибку. Но
что же за темное покрытие появлялось на моих образцах? Я думаю, это ионы азо-
та набились в поверхностный слой стекла, образовав там что-то вроде бурого
N02 • Какое это может иметь применение - пока непонятно.
Правильное
подключение
Поменяв полярность на правильную (см. схему в начале статьи), я снова попы-
тался поймать плазму в магнитное кольцо4. На этот раз дело пошло куда весе-
лей!
Итак, теперь у нас есть отличное плазменное кольцо. А если повысить напря-
жение , то на аноде появляется еще красивый плазменный шар5:
Напыление
медных пленок
Что ж, настало время поместить в держатель какую-нибудь термостойкую под-
ложку и скорее что-нибудь напылить! Я нашел в кладовке советскую коробочку с
тонкими пластинками слюды - кажется это то, что нужно. Откачиваем камеру. ..
Плавно повышаем напряжение... На подложке появляется быстро расширяющееся и
темнеющее бурое пятно: напыление началось!
4 https : / /www. you tube. com/watch? v=7 PsDAWhwHUI
5 https : //www. you tube. com/watch? v=D70eDo_hDpA
Проходит меньше минуты и подложка становится совсем непрозрачной. Выключим
напряжение и дадим ей немного остыть в вакууме - чтобы не подвергать горячую
медь воздействию атмосферного кислорода. Но сквозь банку уже видно как играет
оранжево-золотистыми бликами обратная поверхность свеженапыленного медного
зеркала.
Вот банка остыла. Остыла, видимо и подложка (в вакууме охлаждение идет мед-
ленней) . Пора доставать!
Мультиметр теперь совершенно согласен, что это медь - сопротивление между
противоположными углами пленки такое же, как и при замыкании щупов мультимет-
ра накоротко. И это притом, что пленка так тонка, что свет проходит через
нее. Только зеленый.
Оно и логично - ведь красная часть спектра от меди отражается, а зеленая и
сине-фиолетовая поглощается и излучается. Именно в такой странно-бело-зеленый
цвет ведь и окрашивает медь бесцветное пламя горелки.
На фото слева можно сравнить отражение на медной пленке вакуумного насоса
без вспышки (в лучах лампы) и со вспышкой (таким образом, свет дважды отра-
зился от медного зеркала пройдя к насосу и обратно).
Покрылась медью и банка (это ее вид уже после многих циклов напыления). По-
хорошему, надо предусмотреть некий защитный экран, а то рано или поздно при-
дется стать свидетелем грандиозного короткого замыкания в вакууме. Кстати,
интересно вообразить себе устройство работающее на принципе непрерывного на-
пыления пленки и ее же непрерывного разрушения токами короткого замыкания.
Кажется, это может породить какие-то замысловатые узоры или даже фракталы.
А что же стало с мишенью? О, на ней ионы прогрызли кольцо, как бы протертое
чем-то абразивным. А в середине и вокруг кольца, видимо медь напылилась сама
на себя.
Текстолит
Получив такую удивительную возможность, как нанесение меди, я стал думать,
куда бы ещё ее нанести? А, вот, например, на текстолит. Будет самодельная пе-
чатная плата. А почему бы и нет?
Сгорая от нетерпения изготовить самодельную печатную плату, я не стал долго
ждать пока покрытие приобретет толщину. Тем более, невысокая прозрачность
текстолита не позволяла оценить это. Поэтому я рановато достал подложку. По-
крытие нанеслось, но слишком тонкое. Так что когда я намазал его флюсом и по-
пытался залудить, силы поверхностного натяжения втянули медь в шарики олова,
стремительно отрывая ее от подложки и от соседних участков. Ох уж этот микро-
мир - всё не как у людей!
Значит, существует некая минимально допустимая толщина меди, при которой ее
не разорвут силы поверхностного натяжения. Ну ладно. Толстую медь напылить
несложно. Да и гальванически можно еще нарастить, если почему-то толстый слой
не захочет напыляться. Хотя пока и не видно причин, почему он может не хотеть
напыляться.
Фторопласт
Ещё раз напылять медь на текстолит было уже не так интересно, тем более мой
взгляд упал на фторопласт - материал, известный своей нелюбовью ко всяким по-
крытиям. Ага, вот, значит, тут-то ты и попался, братец фторопласт.
Помня о неудачном опыте с текстолитом, я не стал спешить, подождал несколь-
ко минут и получил то г что хотел: жирный слой меди на фторопласте:
Силикон
Тогда я осмелел и стал помещать в камеру всё более экзотические материалы.
На силиконовой резине, как и следовало ожидать, получилось гибкое, блестящее,
проводящее покрытие.
Металлы
Что бы ещё покрыть медью? А вот, например, оцинкованное железо.
Или алюминиевую деталь,
Бумага
Что ж, бумага. Сгорит или превратится в бумагу металлизированную? Нет, не
сгорела. Вот обычная офисная бумага. Слева - покрытая медью, справа - латунью
(об этом чуть позже). Сопротивление ее "от края до края" - сотни Ом.
Интересная игрушка для выяснения того, как распределяется напряжение в про-
водниках разной формы. Можно вырезать ножницами, скажем, букву "Г" и посмот-
реть , срезает ток путь или нет. Там где начнет обугливаться бумага, там и
путь тока. Ещё лучше склеить ее с термобумагой от кассового аппарата. На ней
путь тока будет виден ещё раньше и чётче.
Разве теперь проблема изготовить конденсатор или пленочный резистор, даже
сверхминиатюрный? Ведь совсем несложно измерять сопротивление участка подлож-
ки в процессе нанесения покрытия - и автоматически прекратить его, как только
сопротивление снизится до заданной величины. А потом защитить эпоксидом от
внешней среды. А конденсатор? Намного ли он будет хуже заводского?
А печатные платы - разве теперь их нужно травить через маску? Нет, их можно
наносить через маску. Скажем нет запаху и пятнам хлорного железа на рабочем
столе.
Разовьем эту мысль дальше. Давным-давно изобретены диоды, фото- и термоэле-
менты, состоящие только из меди и ее оксида. Стало быть, можно изготовить и
их. Но будет ли всё это выглядеть серьезно без царя электроники - транзисто-
ра? Тут уж одной медью не отделаешься - их величеству нужен кремний.
Кремний
Что ж, возьмем кремний. Для создания транзисторов нам понадобится наносить
на кремний медь и легировать его поверхность ионами элементов III и V групп.
Начнем с первого. Возьмем кремниевую пластину. С одной стороны она блестит
серым блеском металлического кремния, а с другой оксидирована слоем толщиной
несколько сот нанометров. Поэтому этот слой играет цветами радуги при наклоне
пластины, и вообще, смотрится очень высокотехнологично.
Среди кремниевых пластин у меня есть такие, которые были рассыпаны на пол
детьми и поэтому не претендуют на чистоту поверхности. На них и будем трени-
роваться .
Оказалось, что в нашу замечательную установку пластина не помещается. В
банку она пролезает, а вот держатель понадобится существенно переделывать. Ну
и ладно. Возьмем пока кусок разбитой пластины.
Как и ожидалось, с нанесением меди никаких проблем не возникло. Тончайший
слой, толщиной несколько микрон (это, как читатель уже, наверное, догадался,
я определил по числу радужных колец на краю покрытой области) тоже перелива-
ется цветами при наклоне пластины, как и слой оксида.
Пожалуй, можно попробовать использовать медь как защитный слой при травле-
нии оксидного слоя HF. А медь для собственно контактов можно всегда нанести
потом. Надо будет попробовать на досуге. А пока вернемся к напылению.
Напыление
кремния
На всякий случай я попробовал напылить на слюдяную подложку и сам кремний.
Для этого я разложил осколки кремниевой пластины на медной мишени. Но ничего,
как я и предполагал, не вышло - диэлектрик и есть диэлектрик.
Пластмассы
А можно ли напылять на пластмассы. В смысле, на термопластические пластмас-
сы. И если да, то на какие и что получится?
Вот кусочек 2-хмиллиметрового оргстекла с небольшим полупрозрачным слоем
меди. Он совсем нисколечко не проводит. Почему? Ответ нам дает картина по-
верхности образца под микроскопом, испещренная своеобразными трещинами. Види-
мо, нагреваясь (а по нему видно, что оно нагрелось) оргстекло, имея больший
коэффициент теплового расширения, чем медь, и будучи гораздо толще (в 1-2 ты-
сячи раз, должно быть) разорвало медную нанопленочку в клочья.
Что ж, давайте попробуем сделать пленку меди толще и посмотрим, разорвет ли
ее оргстекло теперь. А может, наоборот, это медь скукожит оргстекло? Я поднял
держатель повыше, чтобы вторая подложка из оргстекла меньше нагревалась от
соседства с плазменным кольцом.
Вообще, я не очень понял, влияет ли высота образца на качество покрытий. На
скорость нанесения точно влияет - чем выше образец, тем медленней. Оно и по-
нятно - меньше атомов долетают в единицу времени.
Также не вполне понятно как лучше вести процесс - на больших мощностях или
на малых. На больших опять таки, скорость выше, но и больше нагрев образца. А
на малых нагрев образца может быть выше из-за того, что он долго находится в
процессе напыления. Пока я не знаю, какой режим процесса соответствует мини-
мальному нагреву образца. А нагрев его мне не нравится тем, что медь иногда
получается не идеальной а с темными пятнами оксида меди и розовой матовостью.
Итак, образец оргстекла с более толстым медным слоем. Процесс шел пока орг-
стекло не начало кипеть - выделять пузыри газа, что в вакууме происходит
очень легко в силу отсутствия давления извне. Ничего, пузыри тоже покрылись.
Итак, есть ли проводимость теперь?
Опять нет! Что же там произошло? С краю, где покрытие тонко, результат та-
кой же, как и в прошлый раз. Видно как меняется форма трещин и островков в
зависимости от толщины покрытия на разных участках.
А вот как обстоят дела в середине образца, где покрытие имеет большую тол-
щину. Похоже, при нагревании оргстекло разорвало образовавшуюся микрофольгу
на кусочки, а при охлаждении еще и скомкало их! Эх, пронаблюдать бы весь про-
цесс в живую под микроскопом!
Отмечу также, что оргстекло при нагреве явно выделяет вредный для процесса
напыления газ. Выражается это в том, что при включении плазмы сначала рост
пленки меди идет быстро, но вскоре совсем затухает. Если выключить ток и дать
подложке остыть, то всё повторяется. Вот почему новая медь не заполнила тре-
щины в старой пленке пока оргстекло было горячим и расширенным.
Также я попробовал украсить медной пленкой деталь из конструктора LEGO(R).
Результат такой же: плавится и не проводит.
Напыление
алюминия
Напылив медь на всё подряд, я решил, что настало время понапылять и другие
металлы. Например, алюминий. Я заменил медную мишень на алюминиевую, поместил
слюдяную подложку в держатель и включил систему. Однако, разряд стал вести
себя совсем не так, как я привык это наблюдать6.
Мерцающие огоньки быстро перемещались по поверхности алюминия с места на
место. Я поднял напряжение на ЛАТРе примерно до 120 вольт (дальше он дымится)
и ждал дольше обычного, но никаких следов потемнения подложки не наблюдалось.
Тогда я выключил установку и посмотрел, что из этого вышло.
Со слюдой практически никаких видимых глазом изменений не произошло. Но ми-
шень ! Смотрите сами, что с ней случилось.
6 https://www.youtube.com/watch?v=Ylqip29fEjo
Это не похоже на матовость, вызванную разрядами, нет, перед нами какое-то
иное вещество. Это может быть, конечно, только оксид или нитрид алюминия, а
может быть, и их смесь. Похоже, алюминий реагирует с нашим рабочим газом, и
потому-то никакого напыления и не происходит.
Однако, нет худа без добра. Собственно говоря, надо всего лишь в несколько
раз повысить напряжение и этот процесс уже перерастет в ионную имплантацию —
важнейшую технологию легирования полупроводников (к вопросу о самодельном
транзисторе), создания проводящих путей в алмазе, и, кстати, помещения атомов
внутрь фуллеренов и нанотрубок. То есть азот надо посильнее «заколачивать» в
поверхность (сообщая ионам энергии 10-1000 кЭв) и тогда он «имплантируется»
не просто в виде соединений на поверхности, а проникнет на глубины в сотни и
тысячи атомных радиусов.
Но сейчас перед нами стоит совсем другая задача. Вот поэтому в профессио-
нальных установках магнетронного напыления в качестве рабочих газов использу-
ют , естественно, газы инертные. Обычно это наиболее дешевый и доступный газ -
аргон. Но иногда (наверное, для распыления материалов с большим атомным ве-
сом) используют и другие инертные газы. Интересно, что будет, если использо-
вать гелий? Так или иначе, вывод ясен: будущие версии данной установки непре-
менно нуждаются в устройстве дозированной подачи рабочего газа.
Напыление
латуни
Я раздобыл большой кусок латуни (которая, как известно, представляет собой
сплав Си и Zn) толщиной около 1.5 миллиметров и сначала не был уверен, сможет
ли он быть мишенью из-за своей небольшой толщины. Не промнется ли он внутрь
банки, закоротив установку и поразив меня градом осколков и искр? К счастью
этого не произошло.
Кусок латуни был при этом довольно кривым сам по себе. Это привело к тому,
что вся установка приподнялась над медной опорой и несколько отдалилась от
магнитов. Кольцо при этом стало расплывчатее и тусклее. Пришлось подложить
под магниты пластину из конструктора, чтобы приподнять их. В результате они
уперлись в медь, что было ошибкой - к концу статьи они перегреются и ослабе-
ют .
Несмотря на довольно большую мощность и время работы установки, на слюду
почти ничего не нанеслось. Да и на мишени след ионы оставили не очень серьез-
ный. Вряд ли дело тут опять в нитридах? Но тогда в чем?
Почему-то мне пришло в голову вырезать из латуни небольшой кусочек (по раз-
меру плазменного кольца) и поместить его прямо на поверхность медной мишени.
Результат оказался для меня совершенно неожиданным. По краям кружок как раз
касался плазменного кольца. Так вот в этих местах он быстро разогрелся до
оранжевого каления и стеклянная подложка стремительно (как минимум на порядок
быстрее, чем при напылении меди) стала темнеть, покрываясь блестящим (и, как
оказалось, хорошо проводящим) металлическим слоем!
Итак, технология напыления латуни была освоена. Но почему в виде кольца она
напылялась так хорошо? Нужны были дальнейшие эксперименты.
Я трижды попробовал напылить латунь на слюдяные пленки, и получил хорошие
покрытия. Но они своим видом всё больше напоминали... цинк!
А со стороны слюды обнаружилось видно странное явление - какие-то... желт-
ки,
По-видимому, в начале, когда латунный кусок холоден, напыления нет. Ионная
бомбардировка начинает его разогревать (ведь он касается медной основы лишь в
нескольких точках, а значит, имеет очень плохой теплоотвод). В небольшом ин-
тервале температур распыляется латунь в виде красивого ярко-желтого сплава,
но при превышение некой критической температуры происходит плавление или еще
какой-то подобный переход, и латунь начинает разделяться - атомы цинка цинк
уходят в вакуум, а меди - остаются на месте.
На месте ли? Да, на своем месте. Посмотрите, во что превратилась латунь на
поверхности распыляемого кусочка. Да это же медь!
Ионно-плазменное
распыление
Так, незаметно для себя мы вступили в область другой технологии, известной
под названием ионно-плазменного распыления. Недостаток ее нам уже известен:
материалы сложного состава разделяются на фракции. Википедия объясняет это
разницей в давлениях паров компонентов. Действительно, в литературе приводят-
ся графики скоростей испарения металлов в вакууме при разных температурах, из
которых следует, что цинк испаряется на много порядков быстрее меди.
Получается, если нам важно сохранить состав сплава, то технология магне-
тронного распыления - лучше. Нагрева металла при этом надо всячески избегать.
Вот почему мишени для магнетронного распыления в профессиональных установках
предусматривают водяное охлаждение. И подложки тоже порой охлаждают водой.
Но есть у нового метода и достоинство - и еще какое - невероятно высокая
скорость распыления. Причем оно как бы лавинообразно самоускоряется. Чуть
только войдет в этот режим и уже через секунды нарастает сплошное покрытие. И
значительно возрастает ток - потому что начинает дымиться МОТ. Что же проис-
ходит при этом? Какова природа этого загадочного явления?
Я предположил, что дело обстоит примерно так. При разогреве близких к плаз-
менному кольцу участков мишени из них начинается испарение металла, в нашем
случае - цинка. Однако, попав в кольцо, пары цинка претерпевают ионизацию, и
сами становятся положительными ионами. Как следствие - ускоряются и бомбарди-
руют поверхность мишени, вызывая ее дополнительный разогрев и выбивая при
этом дополнительные атомы.
- -
Но что произойдет, если атом цинка попадет не в латунную маленькую мишень,
а в большую, медную и холодную? Он, наверное, увязнет в ней. Обратите внима-
ние на фотографии выше (где латунь потеряла цинк) - как много осело цинка на
медную большую мишень. Причем осело так хорошо, что не особенно удалось со-
скрести даже наждачной бумагой.
А латунная (или уже бывшая латунная?) маленькая мишень после ряда распыле-
ний приобрела вот такой вид (справа - перевернутая). Собственно, она распла-
вилась в каплю.
Напыление
цинка
Что ж, раз мы смогли извлечь цинк из латуни, почему бы не напылить цинк в
чистом виде? Насыплем гранулы на место, где обычно присутствует плазменное
кольцо. И вокруг насыплем на всякий случай - не жалко.
Плазменное кольцо пронизало промежутки между гранулами сверху и снизу, од-
нако . . . не проявило к ним особенного интереса. Хотя мощность была не меньше
той, которая расплавила латунь (на целых 500 К более тугоплавкую!).
В результате гранулы едва спеклись, на них напылилось немножко меди. На
подложке осело немножко неведомо чего, а мишень превратилась в загадочный
инопланетный ландшафт.
Тут я вроде бы начал смекать, в чем дело. Ведь закругленные поверхности
имеют плохие эмиссионные свойства (и хороший теплоотвод). Помните, в школьном
курсе электростатики проходили, что заряд скапливается на остриях и стекает с
них? Должно быть, для эффективного распыления поверхности мишени, она должна
иметь острые края, которые разогреваются (а потом уже всё тело мишени). Тогда
я взял и зубилом отрубил кусок цинковой пластины толщиной около 2 мм по раз-
меру латунной капли. Края получились весьма острыми.
Эта идея оказалась плодотворной. Цинк распылился, да ещё как! И держатель и
банка оказались быстро покрыты добротным слоем цинка.
Ну а медная мишень вообще оцинковалась на славу. Даже то, что было под цин-
ком. Ну а почему бы и нет? Там ведь происходит почти всё то же самое, что и
сверху, только в перевернутом виде.
Покрытие цинка на подложке получилось великолепным. И проводящим электриче-
ство не намного хуже медного.
Теперь и на бумагу мы можем наносить не только медь, но, значит, и цинк. А
это значит, что мы уже практически можем создавать ну очень маленькие, а так-
же гибкие и плоские батарейки. На этот раз я взял не офисную, а глянцевую бу-
магу (от рекламной листовки), что благоприятно сказалось на внешнем виде по-
крытий .
Цинк нанесся каким-то матовым образом. Только в левом нижнем углу получился
блестящий участок. Видимо, он находился в каком-то правильно удаленном месте
камеры. А остальная поверхность, наверное, как бы забрызгалась микро (нано?)
частицами от чрезмерно активного распыления. Несмотря на матовый вид, под
микроскопом покрытие выглядит весьма ровным и однородным.
Более того - если потереть цинковое покрытие тряпочкой, матовость счищает-
ся, а блестящее покрытие остается.
Напыление
никеля
Раз острые края благоприятны для ионно-плазменного напыления, то с фольгой
оно должно происходить просто замечательно. Почему нет? У меня как раз давно
лежит без дела некоторое количество никелевой фольги. Скомкал я из нее нечто
по размеру латунной капли (ставшей неофициальным эталоном размера маленьких
мишеней). В этом опыте я поднял подложку несколько повыше, чтобы не получи-
лось матового покрытия как с цинком. Может быть, крупные микрокапельки до
подложки не долетят.
Ярко - оранжевые края маленькой мишени и темнеющая подложка - верный при-
знак, что что-нибудь интересное мы да получим!
И вот оно - прекрасное ровное зеркальное покрытие с характерным для никеля
благородным блеском! Это самый красивый из металлов, которые я напылял. Ника-
ких матовостей, окислений и прочих дефектов ни с какой стороны.
На просвет никель значительно отличаеся от меди. Ну так ведь, на то он и
никель.
А ещё он обладает примечательными магнитным свойствами. Такими, что полу-
прозрачная пленочка никеля может в поле не самого еще мощного магнита поднять
вес не только свой, но и всей слюдяной подложки.
Напыление оловянно-
свинцового припоя
Вдохновившись цинком и никелем я решил попробовать напылить другой доступ-
ный мне материал - оловянно-свинцовый припой. Для этого я обвел маркером на
омедненном текстолите внутреннюю окружность силиконовой прокладки и напаял
туда изрядное количество припоя.
Эта гибридная мишень находилась в плазме до тех пока я не почувствовал то,
что рано или поздно и должен был почувствовать - а именно, запах перегретого
текстолита. Тогда я прекратил эксперимент и стал смотреть, что получилось.
Во-первых, медь в рабочей зоне, очевидно, нагрелась, что вызвало какие-то
испарения из текстолита, которые вспучили медную фольгу пузырем в направлении
вакуума. Это, в принципе, можно было и предсказать.
Во-вторых, сам припой явно претерпел переплавку. Ну, другого мы от него и
не ждали. Посередине застывшей капли остался след от какого-то всплеска.
В-третьих, на подложке осело нечто невразумительное, темное и непроводящее.
Ра
В-четвертых, на краю этой подложки видны микроскопические шарики припоя.
Что всё это значит?
Вот как выглядят эти шарики под микроскопом:
Позже я прочел, что такие явления типичны при дуговом распылении легкоплав-
ких сплавов. Для борьбы с этим применяют специальной конструкции фильтры, не
допускающие крупные частицы материала до подложки.
Напыление
свинца
Так, что ещё у нас есть? Ага, свинец.
Результат такой же, как и с припоем - непроводящее бурое покрытие на под-
ложке, подплавленные гранулы маленькой мишени. Ну и немного меди напылилось
на свинец.
Напыление
висмута
Ещё у меня был висмут. Так как поверхность медной мишени уже содержала зна-
чительный участок таблицы Менделеева, я взял для чистоты эксперимента алюми-
ниевую мишень - алюминий-то уж точно напыляться на нашу подложку не станет.
Продолговатые гранулы висмута выглядят как дрова
плазма!
в костре. А вокруг бушует
Гранулы, конечно, расплавились, а на подложке снова образовалось бурое не-
проводящее покрытие, о составе которого можно только догадываться.
Впрочем, между висмутом, свинцом и оловом много общего. Может, потому они и
ведут себя одинаково. Может быть, эти темные покрытия состоят из изолирован-
ных микрошариков, за счет поверхностного натяжения склонных скорее образовать
видимые невооруженным глазом шары, чем пребывать в тонкопленочном состоянии.
А легкоплавкость не дает им пребывать в твердом состоянии, которое бы защити-
ло их от этого. Может и так. По крайней мере, действительно, прослеживается
тенденция - чем более тугоплавки металл, тем выше качество его напыленной по-
верхности. Наверное, я тоже приду со временем к водоохлаждаемым подложкам.
Найдя таблицу поверхностного натяжения металлов, я увидел, что у меди и ни-
келя оно даже выше, чем у "капризных" легкоплаких металлов. Значит, дело всё-
таки, скорее всего, в легкоплавкости и отсутствии охлаждения.
Ионно-плазменое
распыление алюминия
Тогда я решил вернуться к проблеме нанесения пленок алюминия с учетом новых
знаний по части ионно-плазменного распыления. Я отрезал кусочек тонкого алю-
миниевого листа наподобие цинкового и загнул вверх четыре его острых уголка
"для пущей эмиссии".
Однако упрямый металл расплавился, но не распылился.
Но и я не собирался сдаваться. Я сложил тонкую алюминиевую фольгу в пачку и
сделал ножницами надрезы с многих сторон, придав ей форму снежинки.
Я положил это на кусок алюминиевого листа и выкрутил ручку ЛАТРа на такое
напряжение, при котором еще можно было надеяться, что МОТ вот-вот не вспых-
нет . Но тщетно. Алюминий немного подплавился и забронировался в своей оксид-
но -нитридной пленке. Никакого напыления и на этот раз не произошло.
Напыление
стали
Оставив алюминий в покое до тех пор, пока не удастся добыть аргон, я взялся
за сталь. Подобрал соответствующего размера шайбу и слегка обработал ее шкур-
кой.
Стальная шайба, в отличие от остальных ранее напыляемых материалов, сущест-
венно изменила конфигурацию магнитного поля в установке. Кольцо окружило шай-
бу по внешнему контуру. А при повышении напряжения появилось второе кольцо на
контуре внутреннем.
В результате, поверхность шайбы приобрела характерную ободранность, а на
подложке появилось интересное радужное покрытие с синеватым оттенком. Сталь
это или остатки антикоррозионного покрытия с шайбы - сказать трудно. По край-
ней мере, оно не притягивается магнитом.
А
Напыление
нержавеющей
стали
Следующей мишенью стала большая пластина из немагнитной нержавейки (по-
видимому, AISI 304). На подложке ничего вразумительного не получилось, однако
кольцо ионы прогрызли, осадив вокруг тонкие радужные слои, по виду напоминаю-
щие то, что осело на подложке при распылении покрытой чем-то железной шайбы.
Что это? Железо? Никель? Хром?
Ясно одно: мощности для непосредственно магнетронного распыления у нас не
хватает. Что ж, попробуем ионно-плазменный вариант. Я стал искать что-то из
нержавейки, близкое к размеру плазменного кольца и не слишком массивное. Уда-
лось найти вот такое кольцо, размером несколько меньше идеального:
Плазма стала быстро разогревать кольцо. Если отключить ток, то видно, какое
оно горячее7.
В результате кольцо не расплавилось, но приобрело характерный для прогретой
стали серый вид. Может оно при этом ещё и азотировалось?
7 https://www.youtube.com/watch?v=5WRX7_CjIIU
На подложке осело тонкое, довольно прозрачное, равномерное зеленоватое по-
крытие, не похожее на медь. Но трудно сказать, что это и какого состава. Во-
обще нужно как-то научиться определять состав покрытий. Травлением или каки-
ми-нибудь методами аналитической химии.
Мне пришла в голову мысль, что, может быть, какая-то существенная часть то-
ка идет под действием магнитного поля прямо по кольцу и разогревает его напо-
добие индукционной печи. Чтобы проверить, не так ли это, я перекусил кольцо
плоскогубцами. Если есть какая-то индукционная составляющая в его нагреве, то
он должен значительно уменьшиться.
Нагрев кольца нисколько не уменьшился, так что мои подозрения были напрас-
ны. Тогда я решил проверить ещё одну идею - что всё-таки нагревает кольцо -
ионная бомбардировка или высокая плотность тока на острых углах, где идет
эмиссия электронов? Для этого я положил сверху ещё одно кольцо, рассуждая
так: оно ближе к аноду, и если дело в эмиссии, то нагреется сильнее оно. А
если в ионах - то нижнее.
Намного быстрее нагрелось нижнее кольцо. Таким образом, ионная бомбардиров-
ка - основной источник нагрева мишеней в нашем варианте напыления, а польза
от тонких краев маленьких мишеней в основном, видимо, обусловлена плохим теп-
лоотводом.
Увлекшись опытами я и не заметил, как от нагрева размагнитились магниты.
Это и закончило данную серию экспериментов. Нужна, должно быть, там, катушка,
а не магниты. Особенно если охлаждать мишень водой - тогда охлаждалась бы и
катушка.
Другие металлы
и опыт других
экспериментаторов
У меня не оказалось под рукой других металлов в приемлемом для мишени виде.
Однако известно, что Ryuichi наносил смешанные покрытия Au-Cu положив на мед-
ную мишень золотую цепочку, а Виталий Сарычев в своей самодельной установке
напылял8 серебро и золото с использованием аргона в качестве плазмообразующе-
го газа. В качестве кухонной альтернативы вакуумному колоколу он использовал
не банку, а салатницу, что, конечно прогрессивно, так как улучшает обзор,
снижает ее загрязнение парами металла и, в принципе, дает возможность нано-
сить покрытия на большей площади:
https : / /www. you tube. com/watch? v=bN5xxj f RFuM
Другие методы
физического
напыления
В обоих рассмотренных нами пока технологиях для испарения мишени использо-
ван пучок ионов - будь то азота в случае магнетронного напыления, или самого
материала мишени в случае ионно-плазменного напыления.
Однако существует ряд альтернативных способов нагреть материал мишени до
температуры испарения. Таких способов немало:
■ Резистивный — мишень испаряется пропусканием по ней (или по лодочке, в ко-
торой она лежит) электрического тока. Это довольно древний и примитивный
способ, который, конечно, стоит попробовать.
■ Индукционный, но без непосредственного контакта проводов с мишенью. Это,
вероятно, позволит нагревать мишень до температур, которые бы не выдержали
провода и напылять, скажем, вольфрам.
■ Электродуговой, когда для испарения мишени используется дуга с низким на-
пряжением и большой силой тока.
■ Нагрев по принципу лампы с полым катодом - его выделяют в отдельную кате-
горию , но я не вполне понял, чем отличается от электродугового.
■ Лазерный — название его говорит само за себя. Думаю, для этой цели подой-
дет 50-ваттный ИК лазерный диод.
■ Радиочастотный. Использует для генерации ионов безэлектродный радиочастот-
ный разряд (по-видимому, такой как появляется в разреженных газах вблизи
катушки Тесла). Работает при большем вакууме (что повышает качество покры-
тий) и пригоден для напыления диэлектриков.
■ Плазменный (High-target-utilization sputtering, HiTUS). В этом методе
плазма генерируется в стороне от мишени и подается на нее плотной струей.
■ Ионно-лучевой. Здесь ионы образуются и нейтрализуются в стороне от мишени
и на нее поступает поток высокоэнергетических нейтральных частиц. Позволя-
ет напылять диэлектрики, а также независимо контролировать энергию и ин-
тенсивность пучка ионов.
■ Электронно-лучевой — самый перспективный, на мой взгляд, метод. Во-первых,
его можно осуществлять в той же самой установке, поменяв полярность элек-
тродов и, возможно, добавив фокусирующую и ускоряющую системы. Во-вторых,
позволяет наносить диэлектрики. В-третьих, электронный луч очень управляем
(вспомним электронно-лучевые мониторы и электронные микроскопы) и можно
было бы с его помощью не просто распылять мишень как придется, а вытравли-
вать на ней канавки и фигурки по компьютерным моделям. Например, удалять в
нужных местах участки фоторезиста. В общем, двигаться дальше в сторону фо-
толитографии , МЭМС и всего такого.
Существуют также разнообразные модификации процесса напыления — например,
проведение его не в непрерывном, а импульсном режиме (думаю, это может значи-
тельно снизить нагрев и окисление покрытия, повышая его качество), или метод
Ion Assisted Deposition — когда поток нейтральных ионов сбивает с подложки
плохо закрепленные участки покрытия, а хорошо укрепившиеся — нет. Так выращи-
вают алмазоподобные пленки в NASA.
Популярно и так называемое реактивное напыление. Нет, это не напыление при
помощи струи реактивного двигателя. Просто в камеру вводится активный газ —
кислород, азот и т.п., вступающий в химические реакции с атомами мишени на
пути к подложке. Так именно и получают разнообразные интересные покрытия типа
AlTiN или Ti02.
Радиационная
безопасность
Заряженные частицы в камере проходят разность потенциалов в несколько сотен
(примерно до 1000) вольт. При торможении их теоретически возможно излучение
фотонов с энергией до 1 кЭв, что лежит в диапазоне так называемого мягкого
рентгеновского излучения (SX). В предисловии к книге Р. Элтона "Рентгеновские
лазеры" сказано, что длина пробега фотонов мягкого рентгена в биоматериалах
составляет единицы - десятки микрон. То же написано и в книге Э. Кларка "Мик-
роскопические методы исследования материалов". Таким образом, даже если мяг-
кий рентген при работе установки и возникает, дальше поверхностного слоя кожи
он не проникнет.
Из обсуждения к видеоролику Ryuichi выходило, что при тех напряжениях, ко-
торые присутствуют в процессе, электроны высокой энергии последовательно рас-
ходуют ее на ионизацию азота и камера излучает преимущественно в области
ультрафиолетовых волн, эффективно поглощаемых стеклом камеры.
В пользу безопасности процесса говорят два соображения. Во-первых, как мы
знаем, полупроводниковые матрицы видеокамер фотоаппаратов и телефонов показы-
вают "снег" - вспыхивающие пиксели - под действием ионизирующих излучений. Я
подносил планшет с включенной и прикрытой от света камерой почти вплотную к
установке и ничего подобного не заметил. Во-вторых, те, кто работал со свар-
кой или УФ лампами знают, насколько неприятное ощущение возникает в глазах
через некоторое время после даже мимолетного взгляда на не самый ещё жесткий
ультрафиолет. Я полдня смотрел на магнетронную плазму практически в упор и
даже сходил в аптеку за альбуцидом, опасаясь, что с глазами начнется нечто
ужасное. Но абсолютно ничего не произошло. Видимо, процесс напыления имеет
высокий КПД и не рассеивает особенно много энергии в виде рентгена и ультра-
фиолета .
Ввиду важности вопроса я всё-таки нашел научное подтверждение безопасности
такого рода установок в книге А. Своллоу "Радиационная химия органических со-
единений" :
Проникающая способность рент-
геновских лучей меняется в широ-
ких пределах. Так, жесткие рентге-
новские лучи проникают через слой
свинца толщиной в несколько сан-
тиметров (для 3 Мэв рентгеновских
лучей слой половинного поглощения
Рис. 9. Рентгеновская свинцом составляет около 195см).
Грубка. В то же время мягкие рентгенов-
/-фокусирующее приспособ- СКИв ЛуЧИ (например, Излучение, ПО-
Гическиа^ лучаемое при максимальном значе-
лучей: 4 - вольфрамовая ми- нии разности потенциалов на трубке
тень: 5 — высокое напряжение: ггч \
о-массивный анод. 50 Кв) С ТруДОМ ПрОНИКаЮТ СКВОЗЬ
стенки стеклянного сосуда. Поэтому
при работе с такими мягкими рентгеновскими лучами не тре-
буется практически никакой защиты оператора. Установки на
средние напряжении (например, терапевтический рентгеновский
аппарат на 200 кв максимум) необходимо помещать в закрытые
кабины с выносным пультом управления. Для ускорителей элек-
тронов, как уже говорилось выше, строят специальные помеще-
ния с толстыми стенами.
Кроме того, вращающиеся в кольце электроны должны издавать циклотронное из-
лучение в диапазоне радиочастот. Было бы интересно научиться определять час-
тоту этого излучения, а еще лучше считывать и использовать ее как параметр
контроля работы установки.
Конструктивные
соображения по
созданию более
совершенной
установки
Интересно, чем можно заменить связку ЛАТР-МОТ. Наверняка, человечество уже
придумало что-то более электронное, дешевое и компактное. Какой-нибудь управ-
ляемый тиристором умножитель или в этом роде. И, конечно, лучше избежать
включенных параллельно диодов.
Несмотря на удобство использования банки или, тем более, салатницы, непри-
ятным и опасным моментом является сверление в них отверстий. Это не может не
приводить к созданию в стекле трещин, сколов и напряжений, что чревато вне-
запным лопанием банки под нагревом и вакуумом. Поэтому я стал искать вариан-
ты компоновки рабочей области установки, не связанные со сверлением стекла.
Вариантов оказалось несколько.
С одной стороны, можно было попробовать подвести вакуум и ток к аноду через
изолированные отверстия в мишени. Тогда банку (или в данном случае, лучше са-
латницу) можно использовать, как она есть без всякой доработки. Это сильно
облегчит и замену банки в случае ее засорения металлами или повреждения. С
другой - если научиться аккуратно удалять дно банки, получится отличный стек-
лянный цилиндр, к которому через вторую силиконовую прокладку можно приложить
пластину из нержавейки или фторопласта с многочисленными вводами-выводами га-
зов и электрических кабелей (к чему, по-видимому, идет дело.)
Кроме того, цилиндр имеет принципиальное преимущество - из него можно стро-
ить многоступенчатые конструкции с вводами и выводами посередине, которые нам
могу еще не раз пригодиться.
Однако после неудачной попытки получить ровный цилиндр из банки при помощи
популярного метода горящей нитки, и столь же неудачного распиливания банки
болгаркой (диском по камню) , я стал в нем сомневаться. По-видимому лучший
способ получения стеклянных цилиндров из банок и бутылок путем ровного скалы-
вания по предварительно нарезанному стеклорезом контуру с использованием раз-
ности температур.
С другой стороны, можно обойтись и вообще без банок и цилиндрических по-
верхностей. Они ведь никак не участвуют в самих вакуумных процессах (надеюсь)
и взяты круглыми и стеклянными просто по аналогии с научными приборами, каки-
ми мы их привыкли видеть. Что, если представить себе каркас куба к которому
со всех шести сторон атмосферным давлением (или не только им) прижаты пласти-
ны. Любую пластину можно выбрать какой заблагорассудится. Это может быть ми-
шень , может быть стекло, обычное и, если нужно, кварцевое, может быть пласти-
на металлическая или диэлектрическая, полная отверстий, патрубков и оборудо-
вания. Хоть все шесть пластин можно сделать такими.
А если на гранях пластин сделать фаски (или просто взять пластины чуть
меньше), то можно объединять кубы в трехмерные конструкции, практически неог-
раниченные в своей сложности и расположении технологических вводов.
В принципе, используя большую шайбу, можно даже поворачивать такие модули
на произвольные углы.
В целом система мне нравится, осталось придумать только как делать сами ку-
бы и какие конкретные размеры взять за основу. Можно варить кубы из нержавею-
щего уголка. А можно из обычного, а затем покрывать фторопластом. Эх, нау-
читься бы выращивать или напылять нержавеющие уголки.
В литературе пишут, что в вакуумной технике используется также медь, алюми-
ний, латунь, дюраль, сталь 20 и сталь 45. Бывалые говорят, что варить обору-
дование для вакуума надо не обычной сваркой, а аргонно-дуговой. Хотя, может
быть, полуавтомат с защитным газом тоже подойдет.
Однако, в высоковольтных системах (а у нас, ведь, такая) металлические кубы
могут стать нежелательными проводниками. Хорошо бы им состоять из чего-то ва-
куум-плотного, но диэлектрического. Из стекла такие не сделать. Текстолит?
Эпоксидные смолы, наверное, выделяют в вакууме разные газы. Но что, если куб
из армированной стеклотканью эпоксидной смолы предварительно прогреть? А по-
том нанести какое-то вакуум-плотное покрытие? Эти вопросы пока не решены. Но,
возможно, когда-нибудь мы увидим удобную и простую в изготовлении open source
установку, по своим возможностям не уступающую имеющимся в продаже.
Технологии
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
(продолжение)
Текущая порция работ в домашней лаборатории-мастерской: применение
сравнительно крупных, 0 42 мм, труб из стекла молибденовой группы. К
этому — изготовление имеющимися ограниченными средствами традицион-
ной гребешковой ножки с впаянным «невидимым» штенгелем; замена доро-
гостоящего никеля (электроды) на более дешёвую и распространённую
нержавеющую сталь.
Существует великое множество рецептов стёкол, из которых для работ электро-
вакуумных используется ряд вариантов с коэффициентом теплового расширения
(КТР) близким или равным некоторым металлам и сплавам для изготовления выво-
дов . Группы стёкол традиционно именуются по металлу, пригодному для впая —
платиновая, молибденовая, вольфрамовая.
Платиновая группа стёкол наиболее дешёвая, легко обрабатывается на газо-
воздушном низкотемпературном пламени, а недорогой заменитель платины — плати-
нит, преотлично и без хлопот впаивается. Однако высокий КТР делает ручную ра-
боту с таким стеклом чрезвычайно сложной из-за большой склонности к растрес-
киванию при нагреве-охлаждении.
Стекло же молибденовой группы намного покладистей — оно имеет меньший ТКР,
не требует таких драконовских мер по предотвращению термоударов, промежуточ-
ные детали с горелки могут охлаждаться прямо на открытом воздухе — брака в
этом смысле очень мало. Стеклотрубки этой группы, однако, дороже, более туго-
плавки — в воздушное дутьё горелки уже требуется подмешивать немного кислоро-
да . Кроме того, стекло этой группы заметно твёрже и прочнее.
Первым же камнем преткновения, на который налетел с размаху, была вульгар-
ная резка заготовок. Приёмы, привычные с платиновым стеклом, здесь работать
перестали вовсе или давали много брака и порезанные пальцы.
Для обычной конструкции стеклянной части лампы с гребешковой ножкой исполь-
зуются заготовки-стеклотрубки трёх диаметров — имеющийся набор — для техноло-
гической трубочки-штенгеля — 05 мм, для ножки 0 18 мм, и для колбы — 0 42
мм. Штенгельная трубочка, к счастью, режется как обычно — в нужном месте де-
лается риска ребром алмазного надфиля, смачивается, ломается руками с растя-
гиванием, если заготовки длинные, отбивается на стальной призме, если корот-
кие.
Обычная резка трубок 0 18 мм — риска алмазом, приложенная к накалённой ни-
хромовой проволоке, здесь дала сбой. Выяснено, что кольцевая черта твердо-
сплавным роликом стеклореза, проведённая с усилием, даёт результаты лучше.
Фото 2. Для работы применил свой самодельный, несколько переобо-
рудованный резак для бутылок. На фото — штатная его работа.
Фото 3. Вариант резака для некрупных трубок — сделал и закрепил под-
ставку с V-образной канавкой, настроил положение режущей головки.
Фото 4. После стеклореза, прикладываем черту к накалённой проволоке
настольного приспособления. Заготовку приходится проворачивать и
держать чуть подольше, чем на стекле платиновом.
Фото 5. Крупные заготовки-трубы резал такой же нихромовой проволо-
кой, но с полным охватом для лучшего прогрева. Пришлось собрать от-
дельное полевое приспособление — небольшой отрезок нихрома 0 0,8 мм
растянул между подвесов из мягкой стальной вязальной проволоки — в
потолок ввинтил крюк, снизу подобрал небольшой груз.
Фото 6. Для нагрева петли применил низковольтный сильноточный транс-
форматор, соединив его вторичные обмотки последовательно-
параллельно. При работе от сети 230 вольт получается 10 вольт с то-
ком около 18 А. Трансформатор работает через ЛАТР и пригодится и для
других работ, например, распыления ламповых геттеров пропусканием
через них тока и подобным.
Фото 7. Общий вид установки.
Фото 8. Положение груза лучше отрегулировать поближе к полу, чтобы
он при падении не наделал загибов-барашков на рабочей петле.
Исторически первая конструкция группового ввода в более или менее сложных
электровакуумных приборах (ЭВП), хорошо подходит для ручного изготовления.
Рис. 9. Последовательность изготовления простой гребешковой ножки: 1
— разворачивание края трубки, отрезание заготовки; 2 — частичное
сплющивание второй стороны заготовки; 3 — впаивание группы остекло-
ванных электродов.
Рис. 10. Каждая лампа оснащается нетолстой технологической трубочкой
— штенгелем, для её откачивания (наполнения). В конце работ штенгель
перепаивают около колбы прибора, герметизируя его. Штенгель часто
припаивают сбоку или на макушке колбы лампы. Очень популярная конст-
рукция штенгеля в лампах с гребешковой ножкой — встраивание его в
ножку (на рисунке). Тонкая трубочка (поз. 1) вводится в заготовку
ножки вместе с электродами и расплющивается-запаивается в её верхуш-
ку. С внутренним объёмом лампы штенгель сообщается через небольшое
отверстие (поз. 2) — точку напротив штенгеля снаружи сильно разогре-
вают горячим игольчатым факелом, раздувают тончайший пузырик, скалы-
вают и оплавляют его края. Если же это отверстие проколоть вольфра-
мовой иглой, то горелка с игольчатым «паяльным» пламенем для работы
не понадобится вовсе — упрощение огневого оснащения.
Фото 11. Конец заготовки-трубки сильно разогреваем в горячем пламени.
Фото 12. Размягчённый, переносим в дальнюю часть пламени и развора-
чиваем юбочку специальным инструментом с графитовой или обугленной
текстолитовой (деревянной) рабочей частью. Фокус в сильном нагреве
только края, иначе конус или тарелочка сомнутся, и положения инстру-
мента и заготовки в пламени. Должна получиться этакая шляпа.
Фото 13. Неопытным стеклодувам очень помогает дополнительная формов-
ка — разогреть и прижать получившуюся волнами деталь к плоской по-
верхности. При невеликом нагреве и сильной деформации, обычной гра-
фитовой плитке лучше предпочесть поверхность менее теплопроводную,
иначе появляются трещинки даже на молибденовом стекле. Моё покрытие
рабочего стола хорошо справляется, хотя остаются лёгкие подпалины.
Фото 14. Несколько заготовок для гребешковых ножек, разной степени
правильности.
Фото 15. Перед впаиванием выводов они должны быть подготовлены —
очищены и остеклованы, скреплены для удобства операции. Здесь два
трёхзвенных проволочных вывода (в середине) никель-молибден-никель.
Молибденовая вставка обеспечивает вакуум-плотный впай в стекло и
полностью им покрыта для предотвращения распыления в сильном пламе-
ни. По краям — две проволочины 0 1 мм из нержавеющей стали — стойки
для крепления тяжёлых электродов в крупной лампе. Технологическая
траверса сверху, из нержавеющей проволоки, приварена контактной
сваркой.
Фото 16. Коротенькую заготовку для изготовления ножки (Фото 14) ру-
ками в пламени, конечно, не удержать, тем более непрерывно вращая —
нужна державка. Сделал её из недлинного кусочка открытой с обеих
сторон термостойкой трубочки, такой, чтобы внутрь помещался штенгель
0 5 мм и несколько проволочин 0 0,5 мм. Для плотной посадки обраба-
тываемой стеклянной детали, навертел на державку ленту из стеклотка-
ни, мягкой проволокой зафиксировав конец.
Фото 17. Вид ножки в сборе перед запаиванием выводов.
Фото 18. Чуть прогрев сборку в мягком газо-воздушном пламени, добав-
ляем в дутьё толику кислорода и сильно разогреваем открытый конец
заготовки.
Фото 19. Размягчённое стекло в несколько приёмов
расплющиваем гладкой частью губок крупного пинцета.
прогреваем-
Фото 20. Прокол отверстия в запаянном штенгеле. Выполняется раска-
лённой в горячем пламени вращаемой вольфрамовой иглой. Стекло должно
быть тоже прогрето. Готовую ножку на всякий случай закоптил в светя-
щем пламени и уложил в базальтовое одеяло для снижения скорости ох-
лаждения .
Фото 21. Пара готовых двухвыводных гребешковых ножек с двумя допол-
нительными стойками и встроенным штенгелем.
Фото 22. Отверстие — выход штенгеля в лампу. На стекле видны остатки
сажи, они без следа выгорят при промежуточном отжиге детали.
Фото 23. Гребешковая ножка — деталь сложная и ответственная, стекло
её элементов при изготовлении сильно деформируется, есть области
увеличенной толщины, КТР нержавеющей стали стоек не соответствует
стеклу — полный печной отжиг детали для снятия внутренних напряжений
будет здесь очень полезен. Для стекла молибденовой группы — нагрев
со скоростью 0,02 гр/сек до 520 С, выдержка 30 минут, охлаждение со
скоростью 0,01 гр/сек.
Трубки молибденовой группы теперь доступны только из старых запасов, не
всегда хранящихся должным образом — доставшееся пришлось тщательно очистить и
отмыть в тёплой воде с мылом, в том числе и внутри — с помощью тампона из х/б
ветоши, продёргиваемого верёвочкой или проталкиваемого деревянной палочкой.
Отмытое и высушенное стекло проинспектировал, отбраковал куски с дефектами,
обрезал (Фото 5) зазубренные концы.
Любую заготовку-трубку в пламени нужно непрерывно и равномерно вращать, это
основной навык и работа стеклодува. Манипулировать длинной, крупной и тяжёлой
трубой трудно, её перекатывают на специальных роликах.
Фото 24. Подставки с роликами обычно делают металлическими и универ-
сальными. Соберём наш экспресс-вариант на основе магазинных роликов
— сменных колесиков для сухопутных коньков, и из дерева — обрезков
хвойных дощечек, скреплённых на столярный ПВА и саморезы. Осями по-
служит стандартный крепёж Мб.
Фото 25. Отрезок немытой трубы на двух подставках. Сравнительно лег-
ко и плавно вращается одной рукой.
Фото 26. Электродная система индикаторной газоразрядной лампы для
работы на постоянном токе (светится только один электрод сквозь вто-
рой) . Цилиндр из листовой нержавейки 0,4 мм, сетчатый внешний элек-
трод из нержавеющей проволоки 0,5 мм и 0,8 мм. Сборка контактной
сваркой. Для предотвращения замыкания сетка снабжена рядом изолято-
ров из стеклянного бисера.
Фото 27. Сформовал выводы ножки.
Фото 28. Сборка электродной системы на ножке контактной сваркой.
Фото 29. Гребешковая ножка в сборе. Тяжёлый цилиндр закреплён на
двух стойках, сетка удерживается на месте одним из выводов и изоля-
торами опирается с одной стороны на цилиндр, с другой
лампы, облегчая её сборку-заварку.
— на колбу
Фото 30. Вид на рабочий стол, подготовка — выполнение сужения — диа-
метр юбочки ножки заметно меньше диаметра трубы. Виден асбестовый
отражатель пламени, несколько улучшающий нагрев стекла.
Фото 31. Вращающийся размягчённый край стекла сузил лопаткой из не-
ржавеющей стали, несколько складок выровнял изнутри крупной графито-
вой развёрткой, заделанной в стеклянную ручку.
Фото 32. Поместил в трубу ножку в сборе, прикрыв её штенгель трубкой
из тугоплавкого стекла.
Фото 33. Разогревая в горячем узком пламени край трубы, спаял его с
юбочкой ножки.
Фото 34. Разогрев на сильном пламени трубу выше электродов, сделал
перетяжку.
Фото 35. Закоптил лампу в светящем пламени и уложил в базальтовое
одеяло для замедленного охлаждения.
Несмотря на неудавшуюся лампу — тонкий штенгель при заварке, увы, сохранить
не удалось, работа была полезна. Удалось освоить гребешковую ножку новой кон-
струкции, крупная заготовка баллона впечатляет возможностями и видом готовой
лампы, роликовые подставки очень облегчают работу с крупными и длинными труб-
ками.
h
»
Фото 36. Готовая лампа, к несчастью, с неустранимым браком.
Вместе с тем: горелка (ручная) с небольшим тонким и горячим паяльным факе-
лом нужна обязательно, как и отдельное широкое, мощное пламя. Трудно обхо-
диться без набора хваталок и державок для горячего стекла, полезными будут
резиновые пробки, вращающийся шарнир для дутья, графитовая пластина с ручкой.
Технологии
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
(продолжение)
Первое же, не вполне удачное применение более или менее крупных
стеклотрубок молибденовой группы указало на ряд недочётов в имеющем-
ся оснащении: нужна некоторая реорганизация рабочих огней, дополни-
тельный инструмент и оснастка. Займемся пока работой с применением
своих старых заготовок — тонкостенных трубок из стекла группы плати-
новой, добытых из трубчатых ламп дневного света (ЛДС) нескольких ти-
поразмеров . Заодно и выясним пригодность электродов из нержавеющей
стали для замены дорогого никеля.
Стекло платиновой группы дешёвое и легкоплавкое, с очень простым и надёжным
изготовлением проволочных выводов-впаев из спецбиметалла — платинита, но име-
ет весьма высокий коэффициент теплового расширения (КТР) из-за чего чрезвы-
чайно склонно к растрескиванию во время нагревания-охлаждения — при ручной
работе много брака. Стекло колб ЛДС тонкостенное, что делает работу с ним от-
части возможной — внутренним напряжениям там негде очень уж разгуляться, они
с нетерпением ждут любых утолщений и наплывов, а особенно крупных и несиммет-
ричных. Использование старых и новых, морально устаревших ЛДС затрудняется
ещё и их ртутным наполнением — работать приходится, соблюдая известные меры
предосторожности, стекло от впитавшейся Нд протравливать ядовитой плавиковой
кислотой.
Свои ранние стеклодувно-электровакуумные экзерсисы начинал, как водится — с
разрядных трубок. Работали они без наполнения, в разреженных остатках воздуха
(азота) и не все оказались удачными. Кроме того, осталось немного заготовок
для гребешковых ножек, колб с припаянным штенгелем. Последнее, кстати — моя
нынешняя горелка не позволяет хорошо выполнить эту работу.
Фото 1.
Фото 2. Несколько битых заготовок и разрядных трубок с длинными
штенгелями. Из каждой можно выкроить хорошую колбу для компактной
лампы. В общем же случае ЛДС нужно как следует отмыть в тёплой воде,
на открытом воздухе разрезать на несколько удобных частей и тампоном
из ветоши на верёвочке или палочке стереть слой люминофора с внут-
ренних стенок, промыть трубки внутри тёплой водой с мылом, в очках и
резиновых перчатках, протравить заготовки 3...5% раствором HF.
Некогда, имея на вооружении ручную водород-кислородную микрогорелку, запи-
танную от электролизёра, припаивать штенгели удавалось относительно легко,
причём намного удобнее и аккуратнее — сбоку к колбе. В исходном виде такие
лампы не помещаются в мою технологическую электропечь для откачки-наполнения.
. 4
Фото 3. Одну из своих ранних открытых ламп с таким боковым штенгелем
на пробу откачал-наполнил аргоном с нагревом в печи с узко-длинной
рабочей камерой. Штенгель для этого пришлось изогнуть и нарастить,
чтобы выпустить его наружу.
Фото 4. Даже временно спаять две тонкие трубочки непросто — их узкий
канал так и норовит заплавиться. Спай удаётся лучше, если на обоих
концах сделать расширения-вороночки.
Фото 5. Сделать вороночки, очень удобно нагрев запечатанный конец
трубки, раздув его в тончайший пузырь, сколов у основания и оплавив
тонкие зазубренные края. Не всегда, однако, имеется доступ к обрат-
ной стороне заготовки, для дутья. Тогда пускаем в ход специальный
инструмент — развёртку. На фото — микроразвёртка с графитовой рабо-
чей частью из гальванического элемента AAA, запаянной в стеклянную
ручку. Рядом для сравнения — штенгель с оливкой для шланга.
Фото 6. Лампа из-за неудачной конструкции и материалов работает, но
неважно — при разумных токах и напряжениях светится только первый
электрод-буква, тем не менее — колбы с боковыми штенгелями можно
пускать в дело.
Фото 7. Одну из сторон трубок разогрел на широком мягком пламени,
оттянул, переплавил, поддул через штенгель или открытый конец для
выравнивания «пробирочного дна».
Фото 8. Второй неровный или с впаянным электродом, конец заготовок
отрезал нагретой нихромовой проволокой , чиркнув предварительно реб-
ром алмазного надфиля. На платиновом стекле с высоким ТКР способ ра-
ботает безотказно и быстро.
Относительно небольшие размеры ламп и тонкое платиновое стекло не дают волю
внутренним напряжениям. Вдумчивый плавный нагрев стекла в пламени и промежу-
точные печные отжиги сильно увеличивают время работ, но ещё больше снижают
процент брака. Хорошенько подумав, припомнил основное место растрескиваний.
Фото 9. Одна из моих старых рукодельных ламп с гребешковой ножкой.
Отмечено характерное место растрескивания при остывании собранного
прибора. Остывание в базальтовом одеяле — неминуемый брак. Выживала
только часть, хорошо прогретых на мягком пламени, ламп, сразу же по-
сле заварки, с горелки, горячими помещённых в нагретую до 350...400 С
печь, с последующим полным отжигом. Присмотревшись, можно отметить,
массивную область стекла с выводами, которая и откалывалась от тон-
костенной части при остывании.
Фото 10. Гребешковая ножка старого образца (снизу) и нового (сверху).
Старые ножки приходилось собирать с остеклованными толстым слоем про-
волочинами-выводами, иначе в тогдашнем негорячем пламени они не впаи-
вались — стекло размягчалось и растекалось плохо, герметичности с ма-
лым его количеством, достичь не удавалось. При лучшем разогреве хорошо
впаять получается и вовсе не остеклованные выводы из платинита, при
этом утолщённая часть ножки выходит втрое меньше старой, вероятность
её раскалывания внутренними напряжениями ощутимо снижается.
Фото 11. Изготовление ножек нового облегчённого образца. Выводы, как
всегда — трёхзвенные — торчит наружу и внутри колбы Ni, посередине
вакуум плотно запаян в стекло платинит. Сборка контактной сваркой,
концы проволочек для сварки внахлёст в одну линию, приходится чуть
расплющить небольшим молотком на чистой наковальне.
Фото 12. Ножка подготовлена к впаиванию выводов. Те для удобства скре-
плены сваркой. Стеклянные части нашлись готовые от старых эксперимен-
тов, в общем же случае — трубки от ЛДС типа Т5 обработаны и подготов-
лены, как и колбы — вскрыты, очищены от люминофора, отмыты, протравле-
ны HF. Юбочка выполнена раздуванием и скалыванием тонкостенного пузы-
ря , оплавлением остатков. Конец частично сплющен нержавеющей лопаткой,
деталь на державке и после изготовления отожжена в печи.
Фото 13. При хорошем разогреве стекла, платинитовая проволока преот-
лично в него впаивается вообще без всякой подготовки — небольшой
слой окисей образуется в процессе нагрева. Верхняя часть сплющивает-
ся крупным пинцетом и проплавляется. Державка — стеклянная трубочка
чуть меньшего диаметра с наверченной на конец стеклотканью. Новый
похудевший вариант ножки без брака остывает в базальтовом одеяле.
Фото 14. Имеющие на конце оливку или запаянные штенгели, обрезал на
стальной призме — смоченная риска алмазным надфилем, лёгкий удар же-
лезкой по свободной части.
Фото 15. Перед сборкой ламп все стеклянные детали отжёг в электропе-
чи. Для тонкого платинового стекла режим такой: нагрев со скоростью
0,02 гр/сек до температуры 515 С, выдержка 1 час, охлаждение до тем-
пературы комнатной, со скоростью 0,01 гр/сек.
Фото 16. Цель работы — свежим взглядом ещё разок посмотреть в сторо-
ну платинового стекла и оценить пригодность нержавеющей стали в ка-
честве электродов. Последние выполнены без затей — две одинаковые
пластинки (для работы на переменном токе — светятся обе). Вариант №1
— плоскопараллельные, с зазором ^3 мм. На фото их приваривание к вы-
водам ножки.
Фото 17. Вариант №2 — разрезанный диск. Электродная система, обещаю-
щая к тому же и с пониманием отнестись к неточностям наполнения лам-
пы рабочим газом. Обычно изготовление затруднено круглой формой -
выпиливать её вручную долго и неудобно, здесь же это готовый элек-
трод от разобранной разрядной трубки.
Фото 18. Крупные пластины на тонких проволочках гребешковой ножки сто-
ят нетвёрдо. Скрепив электроды сверху, получим постоянный зафиксиро-
ванный зазор — приварил на их концах по проволочке, соединил стеклян-
ным изолятором. Разогнув и S-образно сформовав концы проволочин, сде-
лал центрирующую распорку, очень облегчающую сборку-заварку лампы.
Фото 19. Гребешковую ножку в сборе вставил в колбу и вдумчиво разогрел
место спая деталей широким мягким пламенем. Лишнюю часть колбы не об-
резал, она служила удобной второй ручкой. Размягчил стекло ниже юбочки
ножки в горячем жёстком факеле, сделал перетяжку, пропаял стык.
Фото 20. Остудил спай в светящем пламени, хорошенько и равномерно
закоптив низ лампы. Сажистый углерод способствует лучшему распреде-
лению температуры, основная его часть легко стирается после охлажде-
ния, а остатки без следа выгорают при отжиге. Лампу с горелки немед-
ленно уложил в базальтовое одеяло для замедленного остывания.
Фото 21. Собранная остывшая лампа с плоскопараллельными электродами.
Фото 22. Лампочка с электродами-полудисками.
Фото 23. Нарастил штенгель лампы — на кусочке трубки 0 5 мм, раздул
оливку, на обоих концах развернул по вороночке и хорошо прогрев их в
мягком пламени, примерившись, слепил.
Фото 24. Пропустил штенгель лампы через отверстие в заслонке печи
(на фото), уплотнил его комочками базальтовой ваты. Присоединил лам-
пу снаружи печи к системе откачного поста. Нагретую до 400 С лампу
промыл аргоном 17 раз, откачивая ручным насосом Комовского, оставил
Аг при давлении ^200 Па, лампу снаружи отпаял и остудил. Как и при
отжиге — нагрев 0,02 гр/сек, остывание 0,01 гр/сек.
Фото 25. Лампа с электродами-полудисками. Питание от 400 вольт пере-
менного тока через токоограничивающий резистор 10 кОм. Ток в цепи 12
мА. Свечение пасмурным днём при лёгком затемнении.
Фото 26. Лампа с электродами — крупными пластинами. Питание от ^230
вольт через токоограничительный резистор 3,8 кОм. Ток в цепи 9,4 мА
— параметры получились удачнее. На постоянном токе ярко светится
один из электродов при токе всего 2 мА.
Ш^'-^
Фото 27. Лампа, пригодная для прямого питания от сети, с приставлен-
ным цоколем Е27.
В результате проделанной работы освоил вариант изготовления ЭВП из стекла
платиновой группы от трубчатых ЛДС типов Т5 и Т8, убедился в работоспособно-
сти электродов из нескольких сортов нержавеющей стали.
Технологии
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
(продолжение)
Основная цель работы — изучение возможности изготовления имеющимися
скромными любительскими средствами простого, экономного варианта га-
зоразрядных ламп, в первую очередь — декоративно-сувенирных, со све-
тящимися символами. Здесь, изготовление прототипа из дешёвого легко-
плавкого стекла платиновой группы и с упрощёнными электродами.
Известно, что у любой газоразрядной индикаторной лампы светится катод (-).
На токе переменном электроды светятся по очереди, переключаясь с удвоенной
частотой питающей сети — глаз человека воспринимает это мельтешение как оди-
наковое ровное свечение обоих электродов. При этом газоразрядные индикаторные
лампы с одинаковыми электродами принято относить к «работающим на переменном
токе», с выражено разными — «на постоянном». Для ламп крупных, работа на по-
стоянном токе как будто бы выгоднее — потребляемый ток и нагрев электродов
ниже, меньшим может быть и токоограничительный резистор. Прохладная лампа
проработает дольше.
Фото 2. Самодельная лампа с аргоновым наполнением и одинаковыми
электродами-полудисками на переменном токе промышленной частоты. За-
твор камеры запечатлел момент работы одного из полупериодов.
Лампы, светящиеся не просто так, а со смыслом — сувенирные или декоратив-
ные, могут иметь электроды причудливых очертаний. Часто удобно один из них
выделить — включить его катодом на постоянном токе, тогда анод следует делать
максимально незаметным, например, сетчатым, не мешающим наблюдению. Изготовим
прототип такой лампы — сплошной светящийся прямоугольник-катод и возможно бо-
лее тонкая и невидимая сетка-анод перед ним. Стеклянную часть возьмём анало-
гичную — тонкостенное платиновое стекло от трубчатых ламп дневного света
(ЛДС) типоразмера Т5 и Т8.
Как и у нескольких предыдущих ламп, выполнена из тонкостенного стекла от
ЛДС типоразмера Т8, 026 мм. Лампы разрезал накалённой нихромовой проволокой,
чиркнув предварительно риску алмазным надфилем, стёр люминофор с внутренних
стенок трубок, несколько раз продёрнув тампон из х/б ветоши на верёвочке,
промыл в тёплой воде с моющим средством, протравил 5% плавиковой кислотой от
впитавшейся в стекло ртути. Все работы выполнил на открытом воздухе — пары
ртути и HF ядовиты.
Фото 3. Стекло ЛДС от старых работ — разрядных трубок, с впаянным
боковым штенгелем. На одном из концов сделал перетяжку, переплавил
её тонкую часть и поддув, выровнял «пробирочное дно».
Фото 4. Резка трубок накалённым нихромом. Ребром алмазного надфиля
сделал коротенькую риску, приложил её к горячей петле — термоудар
раскалывает стекло.
Фото 5. Отрезание короткой части тонкой трубки (штенгеля) на сталь-
ной призме — та же риска алмазом, приложить место разреза к призме,
смоченной чертой вверх, тюкнуть по свободной части заготовки нетяже-
лой железкой, например, ножом.
Здесь мы используем стекло платиновой группы. В него надёжно впаивается
платина и нетолстая проволока из специального биметалла — платинита — железо-
никелевого сплава с нормированным слоем гальванической меди поверх. Платинит
не слишком стоек в пламени и разряде — лучше всего его полностью прятать в
стекло. Выполним проволочные выводы трёхзвенными — внутри лампы нержавеющая
сталь или никель, в стекло вакуум плотно впаян платинит, снаружи лампы ни-
кель .
Фото 6. Нарезка проволок для выводов. Внешне одинаковый никель и не-
ржавеющую сталь часто можно различить магнитом.
Фото 7. Перед сваркой проволочек внахлёст и в линию, их концы лучше
слегка расплющить на чистой наковальне.
Фото 8. Сборка выводов контактной сваркой.
Фото 9. Группу электродов для одной ножки сварил концами для удобст-
ва сборки. На фото — восемь пар выводов для двухэлектродных ламп.
Сорок восемь отмеренных проволочек, 40 сварных точек.
Фото 10. Заготовка гребешковой ножки перед впаиванием группы выво-
дов . Выполнена из трубки от колбы ЛДС типоразмера Т5, обработанного
аналогично Т8 — отмывка, вскрытие и резка на части, удаление люмино-
фора, травление. Воронку изготовил раздуванием и скалыванием крупно-
го пузыря с оплавлением остатков. Щель на втором конце — след от во-
ткнутой в размягчённое стекло лопатки из нержавеющей стали. Практи-
чески выяснено — запаивание неостеклованной проволоки в ножку из ка-
призного платинового стекла благоприятно — размер и масса образую-
щейся детали меньше, брака немного. Впаи при этом удаются хорошего
качества. Да здравствует платинит!
Фото 11. Впаивание выводов в гребешковую ножку. Заготовка на держав-
ке — стеклянной трубке с намоткой из стеклоткани на конце, разогрев
в сильном горячем пламени, размягчённое стекло, в несколько приёмов
сплющил гладкой частью губок крупного пинцета, тщательно проплавил и
уложил деталь замедленно остывать в базальтовое одеяло.
Фото 12. Несколько заготовок-колб и ножек подверг полному печному от-
жигу для снятия внутренних напряжений. Для стекла платиновой группы
режим «с запасом» — нагрев со скоростью 0,02 гр/сек до 515 С, выдержка
1 час, охлаждение до комнатной температуры со скоростью 0,01 гр/сек.
Фото 13. Сетку выполнил с ячейкой ^5x5 мм, проволока для неё нашлась
из N1 0 0.3 мм. Такой электрод, конечно, слишком мягок для жизни са-
мостоятельной — снабдил его рамкой из нержавеющей проволоки 0 0,8
мм. Мой аппарат для контактной сварки справился и с той и с другой.
Проволочины сетки переплёл.
Фото 14. Электроды, гребешковая ножка. Колечки внизу электродов для
приваривания их к выводам в двух точках.
Фото 15. Приваривание электродов к выводам ножки.
Фото 16. Проволочины торчащие сверху, связал стеклянным изолятором — ра-
зогрел их в пламени горелки, тут же расплавил кончик стеклянного штенге-
ля в каплю, обмотал стеклом обе проволоки, оплавил. Подгибая проволочки,
выровнял и отрегулировал межэлектродный зазор — около 3 мм.
Фото 17. Уточнив длину оставшихся сверху проволочек, по месту, обрезал
лишнее и сформовал в S-образную распорку, облегчающую сборку лампы.
..-*<£■■
®5
Фото 18. Поместил ножку в сборе с электродной системой в заготовку колбы.
Фото 19. Заварка лампы — разогрел в мягком пламени низ колбы (на фо-
то) , на жёстком горячем факеле размягчил место чуть пониже юбочки нож-
ки, сделал перетяжку, тщательно пропаял место стыка колбы с ножкой.
Фото 20. Хорошо закоптил спай в светящем пламени, это первичное за-
медленное охлаждение, уложил в базальтовое одеяло для дальнейшего
плавного остывания.
Фото 21. Остывшей лампе нарастил и изогнул штенгель, чтобы та смогла
поместиться в узкую рабочую камеру технологической печи откачного
поста. Суставы на штенгеле — места спаев — чтобы тонкий канал не за-
плавился в пламени, на концах соединяемых трубочек удобно делать не-
большие расширения-вороночки.
Фото 22. Собранную лампу вместе с другими текущими заготовками и де-
талями отжёг1 в электропечи для снятия внутренних напряжений.
Откачка-наполнение лампы выполнена упрощённым способом, промывкой рабочим
газом — аргоном — лампа нагрета со скоростью 0,02 гр/сек до 400 С, выдержана
час при давлении внутри ^200 Па, для условного обезгаживания, сделано 17 цик-
лов наполнения Ar-откачки, рабочий газ оставлен в горячей лампе при давлении
^200 Па, прибор отпаян и охлаждён до комнатной температуры со скоростью 0,01
гр/сек. Откачка — ручным вакуумным насосом Комовского.
Фото 23. Лампа со штенгелем, пропущенным через дверь-заслонку печи.
Отверстие уплотнено несколькими комочками базальтовой ваты, заслонка
— половина строительного блока из вспененного бетона.
Фото 24. Готовая лампа, внешний вид.
Фото 25. Работа лампы на постоянном токе, катод (светится) — пластина.
Фото 2 6. Область свечения вокруг катода широкая и распространяется,
в том числе, и на обратную сторону электрода-пластины.
Фото 27. Работа лампы на постоянном токе, катодом (светится) включён
электрод-сетка.
Фото 28. Работа лампы на переменном токе. Во всех случаях напряжение
на лампе было около 330 вольт, ток в цепи — 4 мА.
Лампа получилась вполне экономной (4 мА) , хотя и несколько более высоко-
вольтной, чем ожидалось. Пропускание через неё тока 6...7 мА заметно увеличива-
ет яркость свечения, колба спустя время теплеет. Распыления электродов не об-
наружено . Характерное приэлектродное свечение получилось несколько размытым и
менее выраженным, чем обычно, вероятно, из-за большой погрешности при напол-
нении лампы рабочим газом. Собственно, здесь оно выполняется почти что нау-
гад.
Электрическая разница между работой лампы на постоянном и переменном токе,
паче чаяний, оказалась незначительной, вероятно, из-за малой площади электро-
да-сетки .
Сетчатый электрод предложенной конструкции трудоёмок и неточен при ручном
изготовлении, его лучше выполнять намоткой тонкой проволоки на рамку, как
сетки в лампах приёмно-усилительных, изготовить и применять шаблоны-оснастку.
Уточнённая технология работы с тонким платиновым стеклом от ЛДС, снова по-
казала хорошие результаты, несмотря на общий скверный характер стёкол этой
группы из-за высокого коэффициента теплового расширения (КТР).
Лаборатория
РАБОТА С ФЕРМЕНТАМИ
Т.А. Кукулянская, О.И.Губич
(окончание)
РЕГУЛЯЦИЯ
АКТИВНОСТИ
ФЕРМЕНТОВ
Клетки живых организмов обладают способностью синтезировать огромное коли-
чество разнообразных белков. Однако они никогда не синтезируют все возможные
варианты. Количество и разнообразие белков, в частности ферментов, определя-
ется степенью их участия в метаболизме. Синтез белка регулируется внешними и
внутренними факторами и условиями, которые диктуют клетке синтез такого набо-
ра белков, который необходим для выполнения конкретных физиологических функ-
ций.
Общую теорию регуляции синтеза белка разработали Ф. Жакоб и Ж. Моно. Сущ-
ность этой теории сводится к «выключению» или «включению» генов, т. е. к воз-
можности или невозможности проявления их способности передавать закодирован-
ную в структурных генах ДНК генетическую информацию для синтеза специфических
белков. Эта теория доказана на бактериях, у которых установлена возможность
индукции ферментов (синтез ферментов de novo) при добавлении в питательную
среду субстратов этих ферментов. Добавление конечных продуктов реакции, обра-
зование которых катализируется этими же ферментами, напротив, вызывает умень-
шение количества синтезируемых ферментов. Это явление получило название ре-
прессии синтеза ферментов.
У высших животных синтез ферментов de novo наблюдается реже, чем у бакте-
рий. В настоящее время он описан для тирозинтрансаминазы, серии- и треонинде-
гидротазы, триптофанпирролазы (их количество возрастает в ответ на обильный
прием белковой пищи), а также гидроксилаз эндоплазматического ретикулума (при
поступлении в организм ядов, алкалоидов, фармакологических средств).
Кроме того, было показано, что концентрация многих ферментов в клетках рез-
ко снижается при повышении содержания конечных продуктов, образующихся в цепи
ферментативных реакций. Такой эффект часто наблюдается в реакциях биосинтеза.
В этих случаях молекулы репрессора, также образующиеся «по команде» гена-
регулятора, являются неактивными и сами по себе не обладают способностью по-
давлять деятельность гена-оператора, следовательно, всего оперона, но приоб-
ретают такую способность после образования комплекса с конечным или одним из
конечных продуктов биосинтетического процесса.
Основными способами регуляции активности уже синтезированных ферментов яв-
ляются :
1. Аллостерическая регуляция.
2. Регуляция путем посттрансляционной ковалентной модификации молекулы фер-
мента .
3. Регуляция ограниченным протеолизом.
4. Изменение физико-химических условий внутриклеточной среды.
Аллостерическая регуляция
Помимо активного центра в молекуле фермента может присутствовать также ал-
лостерический центр, представляющий собой пространственно удаленный от актив-
ного центра участок молекулы, с которым нековалентно связываются определен-
ные, часто низкомолекулярные, вещества (эффекторы, или модификаторы), струк-
турно отличающиеся от молекул субстрата. Присоединение эффектора к аллостери-
ческому центру приводит к изменению третичной (четвертичной) структуры фер-
мента и, соответственно, конфигурации активного центра, вызывая снижение или
повышение ферментативной активности.
Эффектор, вызывающий снижение активности фермента, называют отрицательным
эффектором, или ингибитором. Эффектор, вызывающий повышение активности фер-
ментов, называют положительным эффектором, или активатором. Ферменты, актив-
ность которых подвергается аллостерической регуляции, называются аллостериче-
скими ферментами.
Аллостерическая регуляция ферментов обратима: отсоединение эффектора вос-
станавливает исходную каталитическую активность фермента.
Локализация аллостерических ферментов метаболическим путем
Известно, что скорость метаболических процессов зависит от концентрации ве-
ществ, использующихся (или образующихся) в данной цепи реакций. При накопле-
нии конечного продукта он может действовать как аллостерический ингибитор
фермента, катализирующего начальный этап данного метаболического пути:
*
Фермент, катализирующий превращение субстрата А в продукт В имеет аллосте-
рический центр для отрицательного эффектора, которым служит конечный продукт
метаболического пути F. Если концентрация F увеличивается (т. е. вещество F
синтезируется быстрее, чем расходуется), аллостерически ингибируется актив-
ность первого фермента метаболического пути (ретро-ингибирование).
В некоторых метаболических путях активаторами ключевых ферментов могут быть
исходные вещества. Как правило, при этом аллостерическои активации подверга-
ются ферменты, катализирующие ключевые реакции заключительных этапов метабо-
лического пути:
+
- Ei Ез Е* Ед Е>
В качестве примера можно рассмотреть регуляции гликолиза важнейшим конечным
продуктом данного процесса - АТФ. При избытке в клетке АТФ происходит ретро-
ингибирование аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы.
При образовании большого количества фруктозо-1,6-бисфосфата наблюдается алло-
стерическая активация пируваткиназы.
Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они
чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния
клетки.
Регуляция каталитической активности
ферментов путем ковалентной модификации
Модификация ферментов является одним из типов регуляции, определяющих ин-
тенсивность процессов обмена веществ многоклеточного организма.
Конформация
Активный центр активного центра
изменена
НО
Прсггеинкиназа
АТФ АДФ
Е-ОН +
=* Е-ОРОяН2
Н,Р04
Фо с фопроге ин-
фосфатаза
Д ефос фори лирова нны й
фермент
НО
Фосфорилированный
фермент
Активный
(неактивный)
Неактивный
(активный)
Рис. 14. Регуляция активности ферментов фосфорилированием и де-
фосфорилированием.
Ковалентная модификация включает в себя следующие преобразования молекулы
фермента:
1. фосфорилирование и дефосфорилирование;
2 . метилирование и деметилирование;
3 . гликозилирование и дегликозилирование;
4 . уридилирование и деуридилирование;
5 . аденилирование и деаденилирование;
6. АДФ-рибозилирование;
7 . гидроксилирование по остаткам пролина и лизина;
8. ацетилирование;
9. карбоксилирование остатков глутамата и аспартата;
10. фарнезилирование остатков цистеина.
Наиболее быстрый и широко распространенный способ ковалентной модификации
ферментов - их обратимое фосфорилирование и дефосфорилирование по ОН-группам
аминокислот. Присоединение остатка фосфорной кислоты протеинкиназой или его
отщепление фосфатазой приводит к изменению конформации активного центра и его
каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни фер-
менты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее
активными (рис. 14).
Активность самих протеинкиназ и фосфатаз регулируется гормонально, что по-
зволяет быстро изменять активность ключевых ферментов метаболическим путем в
зависимости от условий внешней и внутренней среды.
Регуляция активности ферментов ограниченным протеолизом
Некоторые ферменты, функционирующие в желудочно-кишечном тракте и в плазме
крови (ферменты системы свертывания крови), синтезируются в виде неактивных
предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или не-
скольких пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы
предшественника. В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит
конформационная перестройка и формируется активный центр фермента. Данный
процесс впервые описан в 50-х гг. XX в. К. Линдергстрёмом-Лангом и получил
название ограниченного протеолиза.
Физико-химические факторы,
влияющие на скорость
ферментативных реакций
Скорость ферментативной реакции определяют по количеству молей субстрата,
превращаемых в стандартных условиях (25 С, оптимальное значение рН, полное
насыщение фермента субстратом) в единицу времени, или по количеству молей
продукта реакции, образующихся в единицу времени в этих условиях.
Скорость ферментативной реакции, измеренная при соблюдении стандартных ус-
ловий, обозначается Vmax и называется максимальной скоростью ферментативной
реакции.
Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции
Скорость ферментативной реакции линейно возрастает с увеличением концентра-
ции субстрата. При достижении состояния насыщения фермента субстратом ско-
рость ферментативной реакции достигает значения Vmax.
8 некоторых случаях увеличение концентрации субстрата, которое вначале при-
водило к увеличению скорости реакции, вызывает затем ее снижение. Данное яв-
ление получило название субстратного торможения.
Влияние концентрации фермента на скорость катализируемой реакции
Зависимость скорости реакции от концентрации фермента является линейной и
пропорциональна концентрации фермента. Нелинейная зависимость при высоких
концентрациях фермента наблюдается вследствие нехватки субстрата или актива-
тора , агрегации молекул фермента, приводящей к маскировке активных центров.
Отсутствие прямо пропорциональной зависимости при небольших концентрациях
фермента может быть результатом присутствия в инкубационной среде токсических
примесей, связывающихся с ферментом и инактивирующих его.
Влияние величины рН на скорость ферментативной реакции
Графическая зависимость скорости большинства ферментативных реакций от ве-
личины рН имеет колоколообразную форму (см. рис. 15).
0,7
в 0,6
3 5 °>5
|| 0,4
£§ °«3
И °'2
uw 0,1
0
1 1 1
2 4 6 8 10
Величина рН
■ i i
12
Рис. 15. Зависимость скорости реакции от величины рН.
То значение рН, при котором скорость реакции максимальна, называется опти-
мумом рН; при отклонении рН в любую сторону от этого значения скорость реак-
ции снижается.
Чувствительность ферментов к изменению рН определяется наличием в их соста-
ве ионогенных групп, участвующих в катализе. Кроме того, рН может оказывать
косвенное влияние на активность фермента, дестабилизируя его структуру, нару-
шать прочность связи апофермента с кофактором, изменяя состояние активаторов
и ингибиторов фермента.
Значение рН, соответствующее оптимуму, не обязательно совпадает со значени-
ем рН, характерным для нормального внутриклеточного окружения этого фермента.
Влияние температуры на скорость ферментативной реакции
Зависимость каталитической активности фермента от температуры выражается
типичной кривой, представленной на рис. 16.
S 0,9
3 0,8
Ъ 0,7
| 0,6
1 0,5
s 0,4
£ 0,3
| 0,2
е о,п
а о
1 1 1 1 1 1
■
> 15 25 35 45 55 65 15
Температура, °С
Рис. 16. Влияние температуры на активность фермента.
Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна,
называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для различных
ферментов неодинаков. При температурах выше оптимальных происходит активное
окисление фермента и его инактивация.
Влияние ингибиторов на активность ферментов
Ингибитор - вещество, специфически уменьшающее скорость ферментативной ре-
акции.
Взаимодействие ингибитора с ферментом может быть обратимым или необратимым.
Критерием обратимости (необратимости} на практике служит восстановление (не-
восстановление) активности фермента при диализе или сильном разведении рас-
твора , содержащего фермент и ингибитор.
Обратимое ингибирование активности фермента может быть четырех типов:
1. конкурентное;
2 . неконкурентное;
3. бесконкурентное;
4. смешанное.
К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости фермента-
тивной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фер-
мента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса.
Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при ко-
тором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного
центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстра-
та . Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации
молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с
активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной
реакции.
Бесконкурентное ингибирование наблюдается в том случае, когда ингибитор
обратимо взаимодействует с ферментом только после образования фермент-
субстратного комплекса. Образующийся в этом случае тройной комплекс «фермент
- субстрат - ингибитор» не подвергается дальнейшему превращению, в результате
чего скорость реакции замедляется.
Смешанное ингибирование сочетает в себе конкурентное и неконкурентное тор-
можение. Ингибитор, присоединяясь в активном центре фермента, изменяет срод-
ство фермента к субстрату и, одновременно, каталитическую активность фермен-
та.
Влияние активаторов на активность ферментов
К числу природных активаторов ферментов относятся ионы С1~ и многих метал-
лов. Показано, что 15 различных катионов металлов, а именно Na, К, Rb, Cs,
Mg2+, Ca2+, Zn2+, Cd2+, Cr3+, Cu2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Al3+ и NH4+, активируют
один или несколько ферментов. Например, ионы Мд2+ - обычный активатор киназ,
синтетаз и ферментов, катализирующих гидролиз ангидридов фосфорной кислоты.
Мп2+ активирует креатинфосфокиназу, малат-дегидрогеназу, глутаматсинтетазу,
люциферазу.
Определение активности каталазы
и изучение зависимости
активности фермента от температуры
Метод определения активности каталазы основан на способности пероксида во-
дорода образовывать с молибдатом аммония стойкий окрашенный комплекс. Актив-
ность исследуемого фермента определяют спектрофотометрически при длине волны
410 нм.
Реактивы:
1. Трис-НС1-буфер, 0,05 М, рН 7,4.
2 . 0,08 % Пероксид водорода.
3. 4,5 % Аммоний молибденовокислый (молибдат аммония).
Ход работы:
1. Готовят реакционную смесь (субстратно-буферную), содержащую 10 мл Трис-
HCl-буфера (рН 7,4) и 30 мл 0,08 % пероксида водорода.
2. К 2 мл субстратно-буферной смеси добавляют по 2 мл 4,5 % раствора аммония
молибденовокислого (табл. 3).
Табл. 3. Схема проведения опыта
Реактивы
Субстратно-бу-
ферная смесь
Гомогенат
Молибдат
аммония
Гомогенат
Контрольная
проба
2 мл
-
2 мл
0,1 мл
Опытная
проба
2 мл
0,1 мл
2 мл
Ход работы
Инкубировать 10 мин при 37 С
Инкубировать 3 мин при 37 С
После добавления молибдата измерить оп-
тическую плотность опытной пробы при 410
нм (Аоп)
После добавления гомогената измерить оп-
тическую плотность контрольной пробы при
410 нм (Ак)
В качестве оптического контроля используют: 1 мл буфера, 3 мл дис-
тиллированной воды и 0,1 мл гомогената (А = 0/ZERO) . Расчет результатов про-
изводят по следующей формуле:
Активность каталазы ( (Е/мл)/мин) = = (Ак - АоП) *12 000*4, 1*10б/22 ,2Юб*3,
где 12 000 - фактор разведения; 4,1 - объем реакционной смеси; 10б - ко-
эффициент пересчета в мкмоль; 22,2'10б - коэффициент молярной экстинкции пе-
роксида водорода при 410 нм; 3 - время инкубации 3 мин.
Проведите определение активности каталазы, инкубируя реакционную смесь в
течение 10 мин и 3 мин (см. табл. 3) при 4 С, 10 С, 20 С, 25 С, 30 С, 35 С,
45 С и 60 С. Постройте график зависимости активности каталазы от температуры
инкубации. Сделайте вывод о температурном оптимуме этого гемопротеина.
Выделение, определение активности
и изучение регуляции активности
гликогенфосфорилазы
Гликогенфосфорилаза катализирует фосфоролитическое расщепление ос(1—>4)-
гликозиднои связи в молекуле гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата, а
также протекание обратной реакции - реакции синтеза гликогена:
гликогенфосфорилаза
(глюкоза)п + Фн <=================> (глюкоза) п-1 + глюкозо-1-Ф
Гликогенфосфорилаза представляет собой сложный субъединичный фермент, ко-
ферментом которого является пиридоксальфосфат.
Фосфорилаза является регуляторным ферментом гликогенолиза. Фермент сущест-
вует в двух формах: активной (А) и неактивной (Б) , состоящих из одинаковых
субъединиц. Фосфорилаза А состоит из четырех субъединиц, а фосфорилаза Б - из
двух. Превращение неактивной формы в активную осуществляется в процессе фос-
форилирования:
киназа фосфорилазы Б
2фосфорилаза Б + 4АТФ > фосфорилаза А + 2АДФ
Катализируется активация фосфорилазы ферментом киназой фосфорилазы Б. Акти-
вация гликогенфосфорилазы приводит к повышению содержания глюкозы в мышцах,
печени и крови.
Выделение гликогенфосфорилазы Б из скелетных мышц
Реактивы:
1. ЭДТА, 1,5 мМ, рН 7,0.
2. СНзСООН, 1 н.
3 . КНСОз, кристаллический.
4. (NH4)2S04, насыщенный раствор при комнатной температуре, рН 7,0 (рН до-
водят NH4OH) .
5. Трис-НС1, 1 мМ, рН 7,5.
6 . Трис-основание, 2 М.
7. Цистеин, 0,3 М, рН 6,8 (свежеприготовленный).
8. Mg(CH3COO)2'4H20, 1M.
9. АМФ, 0,1М, рН 7,0.
Ход работы:
1. Экстракция. К 10 % гомогенату скелетных мышц добавляют равный объем ЭДТА
и экстрагируют при комнатной температуре 15 мин. Экстракт отбирают (отжи-
мают через марлю) и повторяют процедуру. Дальнейшую работу проводят на
холоде. Полученный экстракт подкисляют предварительно охлажденной СН3СООН
до рН 5,2-5,3 и центрифугируют при 3000 об/мин в течение 15 мин при 4 С.
Надосадочную жидкость фильтруют через складчатый фильтр и нейтрализуют
КНСОз •
2. Фракционирование. К полученному экстракту при постоянном перемешивании
добавляют насыщенный раствор (NH4)2S04 до насыщения 0,41 (700 мл/л). Для
осаждения белков раствор оставляют на 10 ч при 4 С, а затем центрифугиру-
ют при 12 000 об/мин в течение 15 мин. Осадок растворяют в ЭДТА и диали-
зу ют против Трис-HCl (рН 7,5).
3. Тепловая обработка. К белковому раствору добавляют раствор цистеина до
конечной концентрации 0,03 М, ЭДТА - до 0,001 М и доводят рН смеси до 7,5
Трис-основанием. Смесь инкубируют 30 мин при 37 С. Образовавшийся после
инкубации осадок удаляют и доводят Трис-основанием рН смеси до 8,5. Смесь
инкубируют 30 мин при 37 С. После инкубации смесь охлаждают до комнатной
температуры, нейтрализуют СН3СООН и центрифугируют при 3000 об/мин в те-
чение 10 мин при комнатной температуре. Осадок отбрасывают.
4. Кристаллизация. Раствор фермента (надосадочную жидкость) охлаждают и до-
бавляют 1/100 объема раствора Мд(СН3СОО)2 и 1/100 объема раствора АМФ. Че-
рез 20-30 мин начинается кристаллизация.
5. Перекристаллизация. Суспензию кристаллов центрифугируют при 15 000 д в
течение 20 мин при 4 С. Осадок растворяют в растворе цистеина (0,03 М)
при 30 С (не растворившуюся часть удаляют центрифугированием при комнат-
ной температуре). К раствору добавляют Мд(СН3СОО)2 ДО конечной концентра-
ции 0,01 М и АМФ - до 0,001 М. Смесь охлаждают (при охлаждении начинается
кристаллизация фермента). Суспензию кристаллов гликогенфосфорилазы хранят
при 4 С.
Определение активности гликогенфосфорилазы
Метод определения фосфорилазной активности основан на измерении количества
неорганического фосфата, образующегося в результате синтеза гликогена из глю-
козо-1-фосфата.
Реактивы:
1. Глицил-глициновый буфер, 0,2 М, рН 6,8.
2. Гликоген, 4 % в глицил-глициновом буфере (1).
3. Глюкозо-1-фосфат, 0,064 М в глицил-глициновом буфере (1).
4. АМФ, 0,05 М, рН 7,0.
5. Фосфорилаза, 1 мг/мл в глицил-глициновом буфере (1).
6. H2S04, 0,1Н.
Реактивы для определения неорганического фосфата с аскорбиновой кислотой
(см. прил.).
Ход работы:
1. Готовят опытную и контрольную пробы:
■ 0,2 мл раствора гликогена;
■ 0,02 мл раствора ферментного препарата;
■ 0,38 мл глицил-глицинового буфера.
2. Пробы инкубируют при 30 С в течение 10 мин.
3. В контрольную пробу вносят 0,016 мл раствора АМФ и 0,2 мл раствора глюко-
зо-1-фосфата, быстро перемешивают и начинают отсчет времени реакции.
4. Через 5, 10 и 15 мин из контрольной пробы отбирают по 0,2 мл и вносят в
пробирки с 3 мл 0,1 н H2S04 (для остановки реакции).
5. В отобранных образцах определяют содержание фосфата неорганического. Кон-
трольную пробу инкубируют с контрольной, не добавляя глюкозо-1-фосфат и
АМФ.
6. Рассчитывают удельную активность фосфорилазы, предварительно определив со-
держание белка в ферментном препарате биуретовым методом.
Изучение регуляции активности гликогенфосфорилазы
Гликогенфосфорилаза представлена в клетках двумя формами: активной (А) и
неактивной (Б). Превращение неактивной формы в активную происходит под дейст-
вием фермента киназы фосфорилазы в присутствии Мд2+ и АТФ, инактивация - под
действием фосфатазы. Активатором фосфорилазы является АМФ, ингибитором фосфа-
тазы - NaF. Активность киназы, фосфорилазы и фосфатазы регулируется гормо-
нально (под действием глюкагона, адреналина, норадреналина и др.) с участием
цАМФ, Са2+, АТФ, глюкозо-6-фосфата и глюкозы. Определение активности фосфори-
лазы А и Б проводят в тканевом экстракте.
Получение тканевого экстракта
Среда выделения:
1. Глицил-глициновый буфер, 0,2 М, рН 6,8;
2. NaF, 0,2 М.
Ход работы
1. Навеску ткани 3-4 г (предварительно очищенную от жира, соединительной
ткани и промытую охлажденной средой выделения) измельчают ножницами и го-
могенизируют с 3 объемами среды выделения в течение 1 мин.
2. Гомогенат центрифугируют при 600 g в течение 10 мин. Супернатант сливают
в стакан и помещают на лед. Осадок ресуспендируют в четырех объемах среды
выделения и вновь гомогенизируют в течение 30 с.
3. Супернатант и полученный гомогенат объединяют и центрифугируют при 15 000
g в течение 15 мин.
4. Супернатант отбирают (при необходимости фильтруют через 4 слоя марли) .
Полученная фракция представляет собой 12 % тканевой экстракт.
Для изучения влияния фторида натрия на активность фосфорилазы получают тка-
невой экстракт в среде выделения, содержащей 0,2 М NaF, и без него. Перед оп-
ределением фосфорилазы экстракт разводят средой выделения в 6 раз.
Реактивы
1. Глицил-глициновый буфер, 0,2 М, рН 6,8.
2. Гликоген, 2 % в глицил-глициновом буфере (1).
3. Глюкозо-1-фосфат, 0,04 М в глицил-глициновом буфере (1).
4. NaF, 0,2 М.
5. АМФ, 3 мМ, рН 7,0.
6. ТХУ, 5 %.
Реактивы для определения неорганического фосфата с аскорбиновой кислотой
(см. прил.).
Ход работы:
1. Заполнение опытных и контрольных проб проводят одновременно (табл. 4).
Пробы инкубируют в течение 10 минут при 3 С. Реакцию останавливают добав-
лением 0,4 мл ТХУ. В контрольные пробы ТХУ добавляют перед инкубацией. По
окончании инкубации пробы центрифугируют при 3000 об/мин в течение 10
мин. В безбелковом супернатанте определяют содержание фосфата неорганиче-
ского .
2. Активность фосфорилазы выражается количеством мкмоль фосфата неорганиче-
ского, образовавшегося за 1 мин на 1 мг белка (содержание белка в ткане-
вом экстракте предварительно определяют биуретовым методом).
3. Определение фосфорилазной активности проводят в тканевых экстрактах, по-
лученных с NaF, и без него в среде выделения. По разнице между удельной
активностью общей фосфорилазы и удельной активностью фосфорилазы А опре-
деляют активность фосфорилазы Б.
Табл. 4. Состав реакционной смеси
Состав пробы
Объем в
пробе, мл
Конечная
концентрация
Для определения активности фосфорилазы А
Глицил-глициновый буфер, рН 6,8
NaF
Глюкозо-1-фосфат
Гликоген
Тканевой экстракт
0,1
0,2
0,2
0,2
0,1
100 ммоль/л
100 ммоль/л
20 ммоль/л
1%
-
Для определения общей фосфорилазной активности
Глицил-глициновый буфер, рН 6,8
NaF
Глюкозо-1-фосфат
Гликоген
АМФ
Тканевой экстракт
0,1
0,2
0,2
0,2
0,2
0,1
100 ммоль/л
100 ммоль/л
20 ммоль/л
1%
1,5 ммоль/л
-
На основании полученных данных делают вывод о соотношении различных форм
фосфорилазы, а также влиянии ингибитора фосфатазы NaF на активность гликоген-
фосфорилазы.
ОРГАНИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
В КЛЕТКАХ И ТКАНЯХ
Органы и ткани многоклеточных организмов отличаются друг от друга не только
по морфологическим и анатомическим признакам, химическому составу, но и по
характеру протекающих в них метаболических процессов, каждый из которых, в
свою очередь, определяется набором ферментов и их активностью. Особенности
распределения ферментов в различных органах и тканях можно использовать в
клинической практике для диагностики заболеваний. Так, креатинкиназа - это
фермент мышц, в норме в сыворотке крови она содержится в следовых количест-
вах. Однако при повреждении скелетной мускулатуры (мышечная дистрофия) и мио-
карда (коронарная недостаточность) активность креатинкиназы в крови возраста-
ет в 50 (!) раз.
Внутри клетки ферменты, как правило, содержатся и функционируют в строго
определенных органеллах. Внутриклеточная локализация фермента непосредственно
связана с той функцией, которую выполняет данный компартмент клетки.
Так, ферменты гликолиза находятся в цитозоле, ферменты цикла Кребса и р-
окисления жирных кислот - в матриксе митохондрий, ферменты окислительного
фосфорилирования - во внутренней мембране митохондрий и т. д.
Многие ферменты благодаря их строго определенному расположению в клетке ис-
пользуют как маркеры тех или иных внутриклеточных структур. Так, маркерами
плазматических мембран являются Ыа+,К+-АТФаза и аденилатциклаза; маркером ци-
тозоля - лактатдегидрогеназа; аппарата Гольджи - галактозилтрансфераза; лизо-
сом - кислая фосфатаза; пероксисом - каталаза и оксидаза D-аминокислот; эндо-
плазматического ретикулума - глюкозо-6-фосфатаза и НАДФН-цитохроморедуктаза;
митохондрий - глутаматдегидрогеназа.
Вместе с тем распределение ряда ферментов внутри клетки может быть неодно-
типным у различных представителей млекопитающих. Так, фосфоенолпируват-
карбоксилаза в печени крыс обнаружена в цитозоле, кролика - в митохондриях, а
морской свинки - и в митохондриях, и в цитозоле.
Существуют также возрастные изменения в наборе ферментов в тканях и их ак-
тивности, которые наиболее четко заметны в период развития организма.
Ферментные системы и
принципы их организации
Ферментная система (мультимолекулярный ферментный комплекс) представляет
собой совокупность ферментов, катализирующих последовательные стадии превра-
щения определенного субстрата.
Типичными примерами ферментных систем являются пируватдегидрогеназная и ос-
кетоглутаратдегидрогеназная системы окислительного декарбоксилирования пиру-
вата и ос-кетоглутарата животных, соответственно, синтетаза жирных кислот
дрожжей, дыхательная цепь митохондрий и хлоропластов.
Отличительными особенностями подобных систем являются:
1) пространственная и функциональная ассоциация ферментов в комплексе;
2) обеспечение ферментной системой определенной последовательности прохожде-
ния промежуточных стадий во времени, обусловленной порядком расположения
ферментов в пространстве, т. е. ферментная система фактически представляет
собой путь превращения субстрата в пространстве и во времени;
3) высокая молекулярная масса комплекса (2'10б - 10'10б Да) .
По особенностям организации мультиферментные системы можно разделить на 3
группы:
1) В простейшем случае отдельные ферменты системы растворены в цитоплазме и
работают независимо друг от друга. Небольшие молекулы субстратов, обладаю-
щие высокой скоростью диффузии, легко переходят от одного фермента к дру-
гому.
2) В более организованных системах отдельные ферменты могут ассоциироваться
друг с другом и функционировать совместно. Примером подобной системы может
служить синтетаза жирных кислот дрожжей, представляющая собой систему из 7
ферментов, молекулы которых объединены в тесно ассоциированный недиссоции-
рующий комплекс. Ферменты, составляющие данный комплекс по отдельности,
оказываются неактивными. Биологический смысл существования систем подобной
организации заключается в сокращении расстояния, на которое молекулы суб-
страта должны диффундировать по мере протекания отдельных стадий метабо-
лического цикла.
3) К наиболее высокоорганизованным относятся ферментные системы, связанные с
крупными надмолекулярными структурами, такими как биологические мембраны и
рибосомы (дыхательная цепь митохондрий).
Определение активности
и изучение свойств
аминотрансфераз
Аминотрансферазы катализируют реакции межмолекулярного переноса аминогрупп
от а-аминокислоты на ос-кетокислоту. Реакции трансаминирования, открытые в
1937 г., являются универсальными для всех живых организмов. В настоящее время
известно много аминотрансфераз, проявляющих различную субстратную специфич-
ность относительно аминокислоты. Кофактором всех этих ферментов является
прочно связанный с е-аминогруппой лизина апобелка пиридоксаль-5-фосфат, кото-
рый выполняет роль переносчика аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту:
н
Н^РОНС
пнрндоксальфосфлт
+ H2N-
-соон
н
H20jPOH2C
Н R
|=N—С— СООН
Н
ОН
YYUH
KttK.. ^^ НАЮН.С
С—NH,
"N СН.
лльднмнн
ОН
лир ндоксам ннфосфат
? __
+ о=1—соон +о=!— «юн « " наронх^^^ ^он
продукт рык цни (1)
Н
ЦО.РОНС
ТУ + н^
R'
^N^^CH,
-СООН
Н
лиридоксальфосфлт продукт реакции (2)
Аспартатаминотрансфераза (L-аспартат: 2-оксоглутарат-аминотрансфераза, КФ
2.6.1.1) катализирует перенос аминогруппы от аспарагиновой кислоты на ос-
кетоглутаровую кислоту. Продуктами реакции являются щавелевоуксусная кислота
(1) и глутаминовая кислота (2):
СООН
НС NR +
СООН
=о
аспартатамино-
трансфераза
СООН
=о
СООН
СООН
СН2
СН;
СООН
+ НС NH,
СООН
CR
си
СООН
аспартат а-кетогпутарат окзсапоацетат (1) ппуташт{2)
Аспартатаминотрансфераза (АсАТ) широко распространена во всех органах и
тканях, но наиболее активна в печени, мозге, сердечной и скелетных мышцах. В
клетках обнаруживаются две изоформы АсАТ: цитоплазматическая и митохондриаль-
ная, отличающиеся регуляторными характеристиками. В митохондриях аспартатами-
нотрансферазная реакция сдвинута в сторону образования ос-кетоглутаровой ки-
слоты, что связано с участием этой оксокислоты в цикле Кребса (цикле трикар-
боновых кислот). В цитоплазме более эффективно образуется щавелево-уксусная
кислота, что обусловлено участием оксалоацетата в процессах глюконеогенеза и
транспорта ряда веществ (ацил- и ацетил-КоА, НАДН и др.) через митохондриаль-
ную мембрану.
Аланинаминотрансфераза (L-аланин: 2-оксоглутарат-аминотрансфераза, КФ
2.6.1.2) катализирует реакцию переаминирования между L-аланином и ос-
кетоглутаровой кислотой. Продуктами реакции являются пируват (1) и глутамино-
вая кислота (2):
СООН
СООН
аланинамино-
трансфераза
НС—NH,
CR
-н
Нтрансфероза
о ^^
CR
СООН
=0
СООН
I
НС—NH
CR
CR
СН,
СН
аланин
СООН
а-кетоглутарат
пируват(1)
СООН
глутамат (2)
Большая часть аланинаминотрансферазы (АлАТ) в клетке локализована в цито-
плазме, однако небольшое количество АлАТ связано с митохондриями. Цитоплазма-
тическая и митохондриальная аминотрансферазы отличаются физико-химическими
свойствами, рН-оптимумом действия, и кинетическими параметрами. Цитоплазмати-
ческая фракция проявляет регуляторные свойства в отношении синтеза глюкозы de
novo, так как предшественником почти половины углеводов, образующихся в про-
цессе глюконеогенеза, является аланин.
Получение тканевых экстрактов и субклеточных фракций мышц и печени
Среда гомогенизации для печени:
1) Сахароза, 0,25 М в 0,05 М Трис-HCl буфере, рН 7,4.
Среда гомогенизации для мышц:
1) Трис-HCl буфер, 0,05 М, рН 7,4.
Ход работы:
1. Навеску ткани промывают охлажденной средой гомогенизации, удаляют жир и
соединительную ткань, обсушивают, измельчают ножницами и гомогенизируют с
девятью объемами среды гомогенизации.
2. Гомогенат центрифугируют при 600 g в течение 10 мин.
3. Полученный супернатант сливают и помещают на лед, а осадок вновь гомоге-
низируют с 10 объемами среды гомогенизации.
4. Гомогенат центрифугируют при 600 g в течение 10 мин. Осадок отбрасывают,
а супернатанты объединяют, фильтруют через 4 слоя марли и центрифугируют
при 15 000 g в течение 15 мин. Супернатант представляет собой препарат
растворимых аминотрансфераз.
5. Осадок, содержащий митохондрии, ресуспендируют и используют для определе-
ния активности митохондриальных аминотрансфераз. В обоих препаратах опре-
деляют содержание белка.
Определение активности
аминотрансфераз с помощью
сопряженных ферментных систем
Активность ряда ферментов определяется с помощью энзиматических методов,
отличающихся высокой точностью, чувствительностью и специфичностью. Эти мето-
ды позволяют непрерывно регистрировать накопление продуктов реакции во време-
ни. Наиболее распространенным является спектрофотометрический метод определе-
ния активности, основанный на использовании сопряженной ферментной системы -
пиридин-зависимых дегидрогеназ. При взаимодействии НАД- или НАДФ-зависимой
дегидрогеназы с одним из продуктов реакции происходит окисление или восста-
новление кофермента, количество которого зквимолярно количеству образовавше-
гося продукта. Скорость превращения кофакторов соответствует скорости изучае-
мой реакции.
Точность и высокая чувствительность данных методов обусловлена тем, что
восстановленные формы НАДН и НАДФН имеют максимум поглощений при X = 340 нм
(коэффициент молярной экстинкции е равен 6,22'103 М_1см_1) . Активность фермента
выражают в количестве мкмоль восстановленного или окисленного НАД или НАДФ,
приходящихся на 1 мг белка ферментного препарата. Данный метод позволяет оп-
ределить до 1 нмоль вещества в пробе.
Используемые в энзимологии сопрягающие ферментные системы отличаются про-
стотой (одноступенчатые системы) и строгой субстратной специфичностью сопря-
гающих ферментов. Сопрягающие ферменты не лимитируют скорость изучаемой реак-
ции.
Используя сопрягающие ферментные системы при определении активности фермен-
тов в гомогенатах или субклеточных фракциях, необходимо учитывать, что в об-
разцах могут содержаться, например, пиридин-зависимые дегидрогеназы и их ко-
ферменты. Изменение оптической плотности реакционной смеси может быть неспе-
цифическим, а в используемых сопрягающих ферментных препаратах также могут
содержаться примеси изучаемых ферментов. Поэтому крайне необходимо провести
правильное планирование эксперимента (постановка контролей).
Определение активности аланинаминотрансферазы
Определение активности аланинаминотрансферазы основано на измерении количе-
ства образующейся пировиноградной кислоты, которая в сопряженной лак-
татдегидрогеназной системе восстанавливается до молочной кислоты при участии
НАДН. За ходом реакции наблюдают по уменьшению оптической плотности при X =
340 нм:
аланин + а-кетоглутарат
алан и нам и нотран сфе раза
^ ► пиру ват + глу тамат
лактатдегн д роген аза
— НАДН Н+
лактат
Реактивы:
1. Трис-HCl буфер, 0,1 М, рН 7,5.
2. L-Аланин, 1Mb Трис-HCl буфере, рН 7,5.
3. ос-Кетоглутарат, 1М в Трис-HCl буфере, рН 7,5.
4. НАДН, 1,5 мМ.
5 . Лактатдегидрогеназа, 0,4 Е/мл.
6. Тканевой экстракт или суспензия митохондрий.
Ход работы:
1. Реакцию начинают внесением тканевого экстракта или суспензии митохондрий.
Быстро перемешивают и начинают отсчет времени реакции.
2. Измерение оптической плотности при X = 340 нм производят в течение 3-5
мин через каждые 30 с против контроля (дистиллированной воды) (табл. 5).
Чтобы избежать погрешности в оценке активности фермента, необходимо изме-
рить изменение оптической плотности при X = 340 нм без внесения лактатдегид-
рогеназы в реакционную среду (для учета возможного неспецифического окисления
НАДН) .
Табл. 5. Состав реакционной смеси для определения
активности аланинаминотрансферазы
Исходные реактивы
Трис-HCl буфер
L-Алании
ос-Кетоглутарат
НАДН
Лактатдегидрогеназа
Тканевой экстракт или суспензия митохондрий
Объем в
пробе, мл
1,5
0,3
0,3
0,3
0,05
0,05
Конечная концентрация
в пробе, моль/л
0,05
0,1
0,01
1,510"4
-
—
Активность аланинаминотрансферазы выражают в мкмоль НАДН, затраченного на
восстановление пирувата за 1 мин на 1 мг белка ферментного препарата.
Определение активности аспартатаминотрансферазы
Определение активности аспартатаминотрансферазы основано на измерении ко-
личества образующейся щавелево-уксусной кислоты (ЩУК), которая вос-
станавливается до малата сопряженной ферментной системой - НАДН-зависимой ма-
латдегидрогеназой. За ходом реакции наблюдают по уменьшению оптической плот-
ности при X = 340 нм:
ас па рта та м ин о тра н сфера за
аспартат + u-кетоглутарат м ► ЩУК + глутамат
мала тдеги д роген аза
а t"- НАДН-Н+
^ НАД+
малат ^
Реактивы:
1. К-Фосфатный буфер, 0,2 М, рН 7,5.
2. L-Аспартат, 0,33 М в К-фосфатном буфере, рН 7,5.
3. ос-Кетоглутарат, 0,5 М в К-фосфатном буфере, рН 7,5.
4. НАДН, 1,5 мМ.
5 . Малатдегидрогеназа, 0,4 Е/мл.
6. Тканевой экстракт или суспензия митохондрий.
Тканевой экстракт перед проведением определения развести в 100 раз.
Ход работы:
Реакцию начинают внесением ос-кетоглутарата. Быстро перемешивают и начинают
отсчет времени реакции. Измерение оптической плотности при X = 340 нм произ-
водят в течение 3-5 мин через каждые 30 с против контроля (дистиллированной
воды) (табл. 6).
Табл. 6. Состав реакционной смеси для
определения активности аспартатаминотрансферазы
Исходные реактивы
К-Фосфатный буфер
L-Аспартат
ос-Кетоглутарат
НАДН
Малатдегидрогеназа
Тканевой экстракт или суспензия митохондрий
Объем в
пробе, мл
1,5
0,3
0,3
0,3
0,05
0,05
Конечная концентра-
ция в пробе, моль/л
0,1
0,033
0,005
1,510"4
-
—
Для учета возможного неспецифического окисления НАДН необходимо измерить
изменение оптической плотности при X = 340 нм без внесения малатдегидрогеназы
в реакционную среду.
Активность аспартатаминотрансферазы выражают в мкмоль НАДН, затраченного на
восстановление пирувата за 1 мин на 1 мг белка ферментного препарата.
Определение активности аминотрансфераз,
локализованных в различных субклеточных фракциях
Проводят определение удельной активности аспартатаминотрансферазы и алани-
наминотрансферазы в тканевом экстракте и митохондриальной фракции, предвари-
тельно определив содержание белка. На основании полученных результатов и дан-
ных об объеме и концентрации гомогената, тканевого экстракта и митохондриаль-
ной фракции делают вывод о локализации этих аминотрансфераз в клетках.
ПРИМЕНЕНИЕ
ФЕРМЕНТОВ
Действуя с высокой степенью избирательности, живые организмы используют те
ферменты, которые осуществляют необходимые разнообразные химические реакции;
при этом ферменты сохраняют свою активность не только в клетке, но и вне ор-
ганизма .
Ферменты нашли широкое применение в таких отраслях промышленности, как хле-
бопечение, пивоварение, виноделие, чайное, кожевенное и меховое производства,
сыроварение, кулинария (для обработки мяса) и т. д. В последние годы ферменты
стали применять в тонкой химической индустрии для осуществления таких реакций
органической химии, как окисление, восстановление, дезаминирование, декарбок-
силирование, дегидратация, конденсация, а также для разделения и выделения
изомеров аминокислот L-ряда (при химическом синтезе образуются рацемические
смеси L- и D-изомеров), которые используют в промышленности, сельском хозяй-
стве , медицине. Овладение тонкими механизмами действия ферментов, несомненно,
предоставит неограниченные возможности получения в огромных количествах и с
большой скоростью полезных веществ в лабораторных условиях почти со 100 % вы-
ходом .
В настоящее время развивается новая отрасль науки - промышленная энзимоло-
гия, являющаяся основой биотехнологии. Сегодня наиболее широко применяются
иммобилизованные ферменты.
Применение техники иммобилизации в промышленности получило название инже-
нерной энзимологии. Ряд примеров свидетельствует об огромных возможностях ин-
женерной энзимологии в различных областях промышленности, медицины, сельского
хозяйства. В частности, иммобилизованную р-галактозидазу, присоединенную к
магнитному стержню-мешалке, используют для снижения содержания молочного са-
хара в молоке, т. е. такого продукта, который не расщепляется в организме ре-
бенка с наследственной непереносимостью лактозы. Обработанное таким образом
молоко, кроме того, хранится в замороженном состоянии значительно дольше и не
подвергается загустеванию.
Разработаны проекты получения пищевых продуктов из целлюлозы, превращения
ее с помощью иммобилизованных ферментов - целлюлаз - в глюкозу, которую можно
превратить в пищевой продукт - крахмал. С помощью ферментной технологии в
принципе можно также получить продукты питания, в частности углеводы, из жид-
кого горючего (нефти), расщепив его до глицеральдегида, и далее при участии
ферментов синтезировать из него глюкозу и крахмал. Несомненно, имеет большое
будущее моделирование при помощи инженерной энзимологии процесса фотосинтеза,
т. е. природного процесса фиксации С02; помимо иммобилизации, этот жизненно
важный для всего человечества процесс потребует разработки новых оригинальных
подходов и применения ряда специфических иммобилизованных коферментов.
В качестве примера иммобилизации ферментов и использования их в промышлен-
ности приводим схему непрерывного процесса получения аминокислоты аланина и
регенерации кофермента (в частности, НАД) в модельной системе. В этой системе
исходный субстрат (молочная кислота) подается при помощи насоса в камеру-
реактор, содержащий иммобилизованные на декстране НАД и две НАД-зависимые де-
гидрогеназы: лактат- и аланиндегидрогеназы; с противоположного конца реактора
продукт реакции - аланин - удаляется с заданной скоростью методом ультра-
фильтрации .
Применение
ферментов
в медицине
Медицинская энзимология развивается по трем главным направлениям: энзимопа-
тология, энзимодиагностика и энзимотерапия.
Область исследований энзимопатологии является теоретической, фун-
даментальной частью патологии. Она призвана изучать молекулярные основы раз-
вития патологического процесса, исходя из данных о нарушениях механизмов ре-
гуляции активности или синтеза индивидуального фермента или группы ферментов.
По мере углубления наших представлений о механизмах различных ферментативных
реакций становится все более ясно, что энзиматические нарушения в той или
иной степени сопровождают любой патологический процесс в организме. Наиболее
ярким примером этого могут быть молекулярные болезни, называемые также на-
следственными энзимопатиями. Это генетически обусловленные нарушения биосин-
теза какого-либо фермента, когда в тканях не продуцируется один из жизненно
важных энзимов и организм утрачивает «ключи» от определенного звена метабо-
лизма, что становится несовместимым с нормальной жизнедеятельностью.
Второе направление медицинской энзимологии - энзимодиагностика - развива-
ется по двум путям. Один путь - использование ферментов в качестве избира-
тельных реагентов для открытия и количественного определения нормальных или
аномальных химических веществ в сыворотке крови, моче, желудочном соке и др.
(например, выявление с помощью ферментов глюкозы, белка или других веществ в
моче, в норме не обнаруживаемых). Другой путь - открытие и количественное оп-
ределение самих ферментов в биологических жидкостях при патологии. Оказалось,
что ряд ферментов появляется в сыворотке крови при распаде клеток (отсюда их
название - некротические ферменты).
Третье направление медицинской энзимологии - энзимотерапия, т. е. использо-
вание ферментов и модуляторов (активаторов и ингибиторов) действия ферментов
в качестве лекарственных средств. В настоящее время широко используются про-
теолитические ферменты: пепсин, трипсин, химотрипсин и их смеси (абомин, хи-
мопсин), которые применяют для лечения ряда болезней пищеварительного тракта.
Помимо протеиназ, ряд других ферментов, в частности РНКаза, ДНКаза, гиалуро-
нидаза, коллагеназы, эластазы, отдельно или в смеси с протеиназами использу-
ются при ожогах, для обработки ран, воспалительных очагов, устранения отеков,
гематом, келоидных рубцов, кавернозных процессов при туберкулезе легких и др.
Ферменты применяются также для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, рас-
творения сгустков крови. В нашей стране разработан первый в мире препарат им-
мобилизованной стрептокиназы, рекомендованный для лечения инфаркта миокарда.
Калликреины - ферменты кининовой системы - используются для снижения кровяно-
го давления.
Важной и многообещающей областью энзимотерапии является применение ингиби-
торов ферментов. Так, естественные ингибиторы протеиназ (oci-трипсин, oci-
химотрипсин, а-макроглобулин) нашли применение в терапии острых панкреатитов,
артритов, аллергических заболеваний, при которых отмечается активация протео-
лиза и фибринолиза, сопровождающаяся образованием вазоактивных кининов.
Иммобилизованные
ферменты и их
применение
Иммобилизация ферментов - прикрепление их в активной форме к нерастворимой
основе или заключение в полупроницаемую мембранную систему. Прикрепление фер-
мента к носителю осуществляется адсорбционно, химической связью или путем ме-
ханического включения фермента в органический или неорганический гель (в кап-
сулу и т . п.) .
Преимущества иммобилизованных ферментов перед нативными предшественниками:
1. Гетерогенный катализатор легко отделим от реакционной среды, что дает воз-
можность остановить реакцию в любой момент, использовать фермент повторно,
а также получать чистый от фермента продукт.
2. Ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов можно
проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход
продукта.
3. Модификация фермента целенаправленно изменяет его свойства, такие как спе-
цифичность (особенно в отношении макромолекулярного субстрата), зависи-
мость каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров
среды, стабильность к денатурирующим воздействиям.
4. Можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных ферментов
путем изменения свойств носителя действием физических факторов, таких как
свет и звук. Иммобилизовать ферменты можно как путем связывания на нерас-
творимых носителях, так и путем внутримолекулярной или межмолекулярной
сшивки белковых молекул низкомолекулярными бифункциональными соединениями,
а также путем присоединения к растворимому полимеру.
Иммобилизованные ферменты в настоящее время широко используются в тонком
органическом синтезе, анализе, в медицине, пищевой и фармацевтической промыш-
ленности .
Для синтетической органической химии важно то, что в двухфазных реакционных
средах фермент сохраняет каталитическую активность даже при исключительно ма-
лом содержании воды, поэтому равновесие катализируемой реакции (выход продук-
та) экспериментатор может регулировать в широких пределах, подбирая нужный
органический растворитель. Иммобилизованные ферменты дали толчок к созданию
принципиально новых методов «безреагентного» непрерывного анализа многоком-
понентных систем органических (в ряде случаев и неорганических) соединений.
В медицине иммобилизованные ферменты открыли путь к созданию лекарственных
препаратов пролонгированного действия со сниженной токсичностью и аллергенно-
стью. Иммобилизационные подходы способствуют решению проблемы направленного
транспорта лекарств в организме.
Проблемы биоконверсии массы и энергии в настоящее время пытаются решить
микробиологическим путем. Тем не менее, иммобилизованные ферменты вносят ощу-
тимый вклад в осуществление фотолиза воды и в биоэлектрокатализ.
Иммобилизованные ферменты могут использоваться и как усилители слабых сиг-
налов . На активный центр иммобилизованного фермента можно подействовать через
носитель, подвергая последний ультразвуковой обработке, механическим нагруз-
кам или фотохимическим превращениям. Это позволяет регулировать каталитиче-
скую активность системы «фермент-носитель» под действием механических, ульт-
развуковых и световых сигналов. На этой основе были созданы механо- и звуко-
чувствительные датчики и открыт путь к бессеребряной фотографии.
Промышленные процессы с применением иммобилизованных ферментов внедрены
прежде всего в пищевую и фармацевтическую промышленность. В пищевой промыш-
ленности с участием иммобилизованных ферментов идут процессы получения глюко-
зо-фруктовых сиропов, глюкозы, яблочной и аспарагиновой кислот, оптически ак-
тивных L-аминокислот, диетического безлактозного молока, Сахаров из молочной
сыворотки и др.
В медицине иммобилизованные ферменты используются также как лекарственные
препараты, особенно в тех случаях, когда необходимо локальное воздействие.
Кроме того, биокатализаторы широко применяют в различных аппаратах для перфу-
зионной очистки биологических жидкостей. Возможности и перспективы использо-
вания в медицине ферментов в иммобилизованном состоянии гораздо шире, чем
достигнутые на сегодняшний день, именно на этом пути медицину ждет создание
новых высокоэффективных методов лечения.
Ферментативный гидролиз
белков молочной сыворотки
Ферментативный гидролиз белков, широко используемый в настоящее время в пи-
щевой промышленности для получения продуктов со специально заданным составом,
позволяет существенно снизить антигенный потенциал белковых компонентов. При-
чем чем выше степень гидролиза, тем ниже антигенность гидролизатов. Изучение
активности протеолитических ферментов в различных концентрационном и времен-
ном диапазонах, влияние на степень гидролиза различных факторов позволяют по-
лучить продукты с заданной степенью гидролиза, составом и размерами пептидов,
определенным соотношением аминокислот.
В сыворотке молока, получаемой путем кислотного осаждения казеина, белки
составляют от 0,8-1,0 % и представлены в основном р-лактоглобулином (от 7 до
12 % общего количества белков молока) и ос-лактоальбумином (от 2 до 5 % от об-
щего количества белков молока) (рис. 17).
В данной работе гидролиз белков молочной сыворотки проводили с использова-
нием фермента алкалазы FG. Алкалаза FG - это протеолитический фермент, полу-
ченный глубинной ферментацией селекционированного штамма Bacillus lichenifor-
mis. Основной ферментный компонент - субтилизин А, или субтилизин Карлсберга,
является эндопротеазой, которая хорошо описана в литературе. Препарат алкала-
зы FG представляет собой темно-коричневую жидкость, легко растворимую в воде
при любых концентрациях.
66,2
Казеин
(З-Лактоглобулин
а-Лактоальбумин
-^
►[
45,0
35,5
25,0
18,4
14,4
/
2
4
5
Рис. 17. Электрофореграмма белков, содержащихся в молоке, сыво-
ротке и гидролизатах, полученных промышленным способом. На до-
рожках: 1 - молоко цельное сухое; 2 - концентрат белков сыворот-
ки; 3 - детское питание NAN; 4 - стандарты молекулярных масс
белков; 5 - белковый гидролизат «INGREDIA PRODET GF 006»; 6 -
белковый гидролизат «Ingredia SA 5153 AVENUE FERNAND LOBEREDDEZ
62033 ARRAS CEDEX FRANSE».
Реактивы:
1. K-Na-фосфатный буфер, 0,2 M, pH 7,72.
2. NaOH, 0,5 М р-р.
3. Концентрат белков молочной сыворотки (сухой), содержание протеинов 50 %.
4. Алкалаза, 2,4 Е/г.
Ход работы:
1. Готовят 5 % раствор концентрата белков сыворотки в дистиллированной воде.
Полученный раствор центрифугируют при 10 000 об/мин в течение 20 мин. На-
досадочную жидкость фильтруют через капроновый фильтр.
2. К 50 мл полученного фильтрата добавляют 10 мл фосфатного буфера, измеряют
рН и при необходимости доводят раствором NaOH до 7,5-7,8. Доводят объем
гидролизата дистиллированной водой до 100 мл. Таким образом получают 2,5 %
раствор концентрата сыворотки, содержащий около 1 % белков.
Рабочий раствор алкалазы: исходный препарат алкалазы FG разбавляют в 20 раз
(к 50 мкл исходного препарата приливают 0,95 мл дистиллированной воды).
В пластиковые пробирки разливают по 5 мл приготовленного 2,5 % раствора,
помещают в термостат и через 10 мин запускают процесс гидролиза, приливая 50
мкл рабочего раствора алкалазы (конечная концентрация фермента составляет
0,05 %).
Гидролиз проводят в течение 2 ч. Затем пробирки с реакционной смесью извле-
кают из термостата, переносят по 1 мл из каждой пробирки в пронумерованные
пробирки Эппендорфа, ставят в кипящую водяную баню на 10 мин для инактивации
фермента и помещают в морозильную камеру.
Анализ продуктов гидролиза белков сыворотки
алкалазой методом тонкослойной хроматографии
Реактивы:
1. Пластинки Silika gel 60 F254
2. K-Na-фосфатный буфер, 0,2 М, рН 7,5.
3. Этиловый спирт, 70 %.
4. Нингидрин, 0,2% раствор в этаноле - проявляющий реагент.
Ход работы:
1. Пластинки с силикагелем обрабатывают буфером. Для этого погружают нижний
край пластинки на 2 см в буфер. После того как фронт растворителя подни-
мется до верхнего края, пластинку высушивают на воздухе в горизонтальном
положении. Процедуру повторяют, повернув пластину на 90°.
2. Хроматографическую камеру насыщают системой разделения в течение 10-20
мин. На пластины с силикагелем (обработанные буфером) наносят предва-
рительно центрифугированные при 12 500 об/мин в течение 10 мин пробы гид-
ролизатов в объеме 2 мкл. Разделение проводят в 70 % этаноле.
3. После разделения пластинки высушивают и опрыскивают раствором нингидрина.
Проявление розово-фиолетовых пятен происходит при нагреве пластинки до 70
С (рис. 18).
е
/
1
2
*
•
t
3
т
t
t
4
4
•
i
5
•
•
•
6
С
•♦
t 1
% i
7 8
% алкалазы:
/ - без алкалазы;
2-0,005;
3-0,01
4 - 0,02
5 - 0,03
6 - 0,04
7-0,05
5-0,1
Рис. 18. Хроматограмма продуктов гидролиза белков сыворотки алкалазой.
Анализ продуктов гидролиза белков сыворотки алкалазой методом SDS-
электрофореза в полиакриламидном геле (ПААГ)
Реактивы:
1. Раствор мономеров для геля, 30 % (29,2 г акриламида и 0,8 г мети-
ленбисакриламида растворяют в воде, приливают 25 мл глицерина и доводят
объем водой до 100 мл. Смесь перемешивают, нагревают до 40 С, фильтруют
через угольный фильтр).
2. Буфер для разделяющего геля, рН 6,8 (18,7 г Трис-основания и 0,4 г SDS
(додецилсульфат натрия) растворяют в 100 мл воды, рН доводят НС1 концен-
трированной) .
3. Буфер для фокусирующего геля, рН 6,7 (0,84 г Трис-основания и 0,05 г SDS
растворяют в 50 мл воды, рН доводят до 6,7).
4. Электродный буфер: 3,5 г глицина, 0,1 г SDS растворяют в 1 л дис-
тиллированной воды. При непрерывном перемешивании добавляют Трис-
основание крист., доводя рН до 8,3.
5. Диссоциирующая смесь: 10 % раствор SDS в 25 % водном растворе р-
меркаптоэтанола.
6 . ТЭМЭД (N,N,N! ,N!-тетраметилендиамин) .
7 . Персульфат аммония.
8. Краситель для геля: 10% коллоидный раствор кумасси G-250 в 3,5 % водном
растворе хлорной кислоты.
9. Лидирующий краситель: 2 % раствор бромфенолового синего в 50 % глицерине.
10. Уксусная кислота, 10 %.
Ход работы:
1. Заливка разделяющего 16 % геля. В стакане на 50 мл смешивают:
■ 10 мл раствора мономеров,
■ 5 мл буфера для разделяющего геля,
■ 3 мл воды,
■ 40 мкл ТЭМЭД,
■ 30 мкл раствора персульфата аммония.
Быстро перемешивают и заливают в ячейку электрофоретической камеры для
вертикального электрофореза. На поверхность геля наслаивают дистиллирован-
ную воду. Время полимеризации 20-30 мин.
2. Заливка фокусирующего 5 % геля. В стакане на 50 мл смешивают:
■ 1 мл раствора мономеров,
■ 5 мл воды,
■ 40 мкл ТЭМЭД,
■ 30 мкл персульфата аммония.
Быстро перемешивают, заливают в электрофоретическую ячейку на поверхность
заполимеризовавшегося разделяющего геля (предварительно удалив воду с по-
верхности) и вставляют гребенку, чтобы сформировались карманы для нанесе-
ния образцов. Время полимеризации 20-30 мин.
3. Подготовка образцов. К 100 мкл гидролизата, содержащего около 2,5 мг бел-
ка, добавляют 100 мкл разделяющего геля и 100 мкл диссоциирующей смеси.
Закрытые пробирки помещают на водяную баню и кипятят в течение 20-40 мин
до полного растворения белков. Пробирки охлаждают и добавляют в реакцион-
ную смесь по 100 мкл раствора бромфенолового синего в 50 % глицерине.
4. Проведение электрофореза. После того как гель застынет, достают гребенку и
промывают карманы электрофоретическим буфером. Помещают гель в собранную
электрофоретическую камеру. Заливают электрофоретический буфер (так, чтобы
карманы в геле были заполнены буфером). Подготовленные пробы вносят в кар-
маны геля. Включают источник питания. Сила тока при вхождении красителя в
гель 20 мА, затем силу тока увеличивают до 40 мА (рис. 19).
5. Фиксация и окрашивание геля. По окончании электрофореза гель извлекают из
ячейки, промывают дистиллированной водой и помещают в 30 % раствор ТХУ на
20-40 мин. Из раствора ТХУ гель переносят в раствор красителя и окрашивают
в течение 40-120 мин. После окрашивания гель промывают дистиллированной
водой и помещают в 10 % раствор уксусной кислоты для отмывки. Отмывку про-
водят до полного обесцвечивания фона, несколько раз меняя раствор для от-
мывки, и заменяют его свежим.
Р-Лактоглобулин —> щ^ _
а-Лактоальбумин —► ^^ ._
% алкалазы:
1 - без алкалазы;
2-0,005;
3-0,01:
4 - 0,02
5-0,03
6-0,04
7-0,05
#-0,1
Рис. 19. Электрофореграмма белков сыворотки, гидролизованных ал-
калазой в различных концентрациях.
Изучение влияния различных концентраций фермента
на степень гидролиза сывороточных белков
В пластиковые пробирки разливают по 5 мл приготовленного 2,5 % раствора сы-
воротки, помещают в термостат и через 10 мин запускают процесс гидролиза,
приливая расчетное количество фермента (табл. 7).
Табл. 7. Содержание и концентрация алкалазы в реакционной смеси
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
Рабочий раствор
алкалазы, мкл
0
5
10
20
30
40
50
100
Содержание исходного
препарата алкалазы
в реакционной смеси, мкл
0
0,25
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
5
Конечная
концентрация
алкалазы,%
0
0,005
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,1
По окончании гидролиза проводят анализ продуктов ферментативного расщепле-
ния белков методами ТСХ и SDS-электрофореза в ПААГ.
Определение содержания глюкозы
глюкозооксидазным методом
Благодаря высокой специфичности, позволяющей определять глюкозу в присутст-
вии других Сахаров, энзиматическии метод имеет ряд преимуществ перед другими
методами.
Глюкоза в водной среде в присутствии кислорода воздуха и при участии фер-
мента глюкозооксидазы окисляется до глюколактона (глюконовой кислоты). Этот
процесс сопровождается образованием пероксида водорода.
В присутствии пероксида водорода фермент пероксидаза катализирует перокси-
дазное окисление о-толидина (3,3т-диметилбензидина), которое сопровождается
образованием окрашенного окисленного продукта реакции.
Химизм реакций схематически можно представить следующим образом:
глюкозооксидаза
глюкоза + 02 + Н20 > глюконовая кислота + Н2О2;
пероксидаза
о-толидин + 2Н202 > о-толидин + 2Н20.
(восстановленный) (окисленный)
Интенсивность окраски прямо пропорциональна концентрации глюкозы и измеря-
ется спектрофотометрическим методом.
Реактивы:
1. Ацетатный буфер, 0,25 М, рН 4,8.
2.3% раствор ТХУ.
3. Глюкозооксидаза.
4. Пероксидаза из хрена.
5. Стандартный раствор глюкозы (100 мг/100 мл).
6.1% р-р о-толидина в 96 % этаноле.
7. Биологическая жидкость (плазма, сыворотка, моча).
Ход работы:
1. Готовят рабочий реактив для определения глюкозы. В 80 мл ацетатного буфера
растворяют 1 мг глюкозооксидазы и 1 мг пероксидазы, приливают 1 мл 1 %
раствора о-толидина и доводят объем смеси до 100 мл ацетатным буфером. Ре-
актив готовится за 1-2 ч до определения.
2. Проводят депротеинизацию биологических жидкостей: в центрифужную пробирку
вносят 1,8 мл ТХУ и вливают по стенке 0,2 мл исследуемой биологической
жидкости. Содержимое перемешивают, центрифугируют 10 мин при скорости 3000
об/мин.
3. Подготавливают опытную, стандартную и контрольную пробы согласно табл. 8.
Табл. 8. Схема проведения опыта
Проба, мл
Биологический материал (центрифугат)
Стандартный раствор глюкозы
Вода
Рабочий реактив
Опытная
1
-
-
3
Стандартная
-
0,1
0,9
3
Контрольная
-
-
1
3
Примечание. Знак «-» обозначает отсутствие биологического материала,
глюкозы или воды.
Подготовленные пробы перемешивают и инкубируют при 37 С в течение 15 мин.
Затем измеряют оптическую плотность опытной (Аоп) и стандартной (Аст) проб по
отношению к контрольной при X = 490-540 нм, кювета = 1 см. Окраска стабильна
в течение 15 мин. Если оптическая плотность пробы превышает 0,85, ее разводят
дистиллированной водой в соотношении 1:1, а полученный результат умножают на
2.
Содержание глюкозы (Соп) в исследуемой жидкости рассчитывают по формуле:
•оп **оп I^ct/^ct
ПРИЛОЖЕНИЯ
Определение содержания
белка методом Лоури
Реактивы:
1. Стандартный раствор белка, содержащий 0,25 мг в 1 мл.
2. Na2C03 - 2 % раствор в 0,1 Н растворе NaOH.
3. CuS04'5H20 - 0,5 % раствор в 1 % растворе цитрата натрия.
4. Рабочий раствор: 1 мл реактива 3 смешивают с 50 мл реактива 2. Рабочий
раствор готовят в день определения.
5. Реактив Фолина - Чокальтеу: 10 г Na2Wo4'2H20 (перекристаллизованный) и 2,5
г Na2Mo04'2H20 помещают в круглодонную колбу на 200-250 мл, приливают 70 мл
воды и хорошо перемешивают. К полученному раствору добавляют 5 мл 85 %
раствора фосфорной кислоты и 10 мл концентрированной НС1 (х.ч.). Колбу
присоединяют к обратному холодильнику (на шлифе), ставят на сетку и кипя-
тят в течение 10 ч. Затем в раствор добавляют 15 г Li2S04, 5 мл Н20 и одну
каплю брома. Раствор перемешивают и нагревают для удаления брома. После
охлаждения доводят Н20 до 100 мл, фильтруют и разводят Н20 с таким расче-
том, чтобы получился 1 Н раствор кислоты (т. е. приблизительно вдвое). Ки-
слотность определяют титрованием разведенного в 10 раз реактива 0,1 Н рас-
твором NaOH в присутствии фенолфталеина. Реактив может храниться в темной
склянке длительное время.
6. СС13С00Н (ТХУ) - 10 % раствор.
7. NaOH - 1 н раствор.
Ход работы:
1. К 0,4 мл исследуемого раствора, содержащего 10-100 мкг белка, приливают
2,0 мл рабочего раствора 4, перемешивают и оставляют при комнатной темпе-
ратуре на 10 мин. Затем добавляют 0,2 мл реактива Фолина - Чокальтеу, со-
держимое пробирки тщательно перемешивают и через 30 мин колориметрируют
при 750 нм. Содержание белка рассчитывают по калибровочному графику, по-
строенному для стандартного раствора.
2. В случае предварительного осаждения белка к исследуемому раствору добавля-
ют СС13СООН (ТХУ) из такого расчета, чтобы конечная концентрация ее была
равна 3—4 %. Раствор тщательно перемешивают и оставляют на 10-20 мин. Вы-
павший осадок белка отделяют центрифугированием и промывают 2 % раствором
CCI3COOH. К осадку добавляют 1-2 мл 1 Н раствора NaOH и осторожно подогре-
вают до растворения осадка белка. Раствор белка количественно переносят в
мерную колбу на 25-50 мл, доводят водой до метки, тщательно перемешивают и
проводят определение белка.
Определение
неорганического фосфата
с аскорбиновой кислотой
Реактивы:
1. 0,42 % раствор (NH4) 2Мо04'4Н20, приготовленный на 1Н H2S04 (реактив 1).
2. 10 % раствор аскорбиновой кислоты свежеприготовленный (реактив 2).
3. Смесь 1 объемная часть реактива 1 и 6 объемных частей реактива 2. Гото-
вится непосредственно перед определением.
4. Стандартный раствор фосфата (КН2Р04) , содержащий 0,23 мкмоль фосфата в 1
мл.
Ход работы:
1. К 0,9 мл исследуемого раствора (безбелкового фильтрата) добавляют 3 мл
раствора 3. Перемешивают и инкубируют 20 мин при 45 С или 60 мин при 37 С.
2. После охлаждения фотометрируют при 820 нм против контрольной пробы. Кон-
трольная проба готовится так же, как и опытная, вместо исследуемого рас-
твора вносится дистиллированная вода.
Для построения калибровочного графика берут несколько проб с различными ко-
личествами стандартного раствора фосфата (по 0,15; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9 мл,
объем доводят до 0,9 мл дистиллированной водой).
Лаборатория
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ
Одно из интереснейших явлений — открытие «квантовых точек», и многие назы-
вают это существенной вехой, которая даёт начало целым направлениям в науке и
технике.
Посмотрим поближе, что они представляют собой, и насколько реально их соз-
дать самому?
Под квантовыми точками в общем случае понимаются частицы полупроводников
(CdSe, PbS, ZnS, ZnO и т.д.) л размер которых весьма мал — меньше длины волны
де Бройля для электрона (1-10 нм), что позволяет электрону начать вести себя
как волна, при этом, так как электрон находится в ограниченном пространстве
квантовой точки, он может занимать только чётко определённые энергетические
уровни — своего рода «ступеньки лестницы». Такое явление называется «кванто-
ванием энергетических уровней».
Переход электрона между разными уровнями происходит с излучением или погло-
щением им фотона света.
Чем больше уровни отстоят друг от друга, тем большей энергией обладает фо-
тон , а длина волны укорачивается — т.е. происходит сдвиг её спектра в синюю
область.
Применительно к квантовым точкам это работает так: спектр излучаемого света
зависит от физического размера точки.
Например, квантовые точки относительно малого размера (2-3 нм) имеют отно-
сительно большую разницу между уровнями электрона, что позволяет им излучать
свет с более короткой длины волны, который будет смещён в синюю и фиолетовую
область спектра.
В свою очередь, относительно крупного размера точки (5-7 нм) имеют относи-
тельно меньшую разницу между уровнями, что позволяет им излучать свет большей
длины волны, который будет смещён в область красного цвета спектра.
В общем случае, привлекательность квантовых точек заключается в их узком
спектре излучения, то есть меняя их размер можно добиться излучения только в
определённом спектре, что позволяет создавать высококачественные дисплеи на
их основе.
Так как одним из самых доступных для работы самостоятельно является полу-
проводник оксид цинка (ZnO), далее будем всё рассматривать применительно к
нему.
Сразу следует отметить, что, к сожалению, оксид цинка обладает слишком
большой запрещённой зоной1, что не позволяет изменять цвет волны в широких
пределах (как это доступно для других полупроводников, например, CdSe), одна-
ко, можно попробовать сдвинуть спектр его излучения немного в более видимую
область (тогда как, в основном, он излучает в ультрафиолетовом диапазоне 375
нм) .
Хороший пример происходящего можно привести, используя аналогию кота, кото-
рому «надо запрыгнуть с пола на стол», а «величиной запрещённой зоны» будет
выступать расстояние от пола до поверхности стола.
Почему запрещённой: как кот не может зависнуть в прыжке между столом и по-
лом, так и электрон не может находиться в запрещённой зоне — он может её
только перепрыгнуть.
В нашем же случае, если говорить языком физики, в качестве «пола» будет вы-
ступать так называемая «валентная зона» (то есть зона, где находятся электро-
ны, связанные с атомами), а в качестве «стола» (куда надо допрыгнуть) — «зона
проводимости».
Как кот перед прыжком собирается и накапливает силы, которые будут исполь-
зованы затем для прыжка, так и электрон должен получить достаточную порцию
энергии для перехода на другой уровень (в зону проводимости).
Логично было бы предположить, что чем больше расстояние от пола до стола,
тем большую энергию это потребует.
Так оно есть и в случае электрона, где после прыжка через относительно
большую запрещённую зону он излучает эту накопленную энергию в виде фотона
света с относительно большой энергией; в то же время после прыжка через отно-
сительно маленькую запрещённую зону также излучается фотон света, только уже
с относительно малой энергией.
Ну и, конечно, здесь нельзя забывать и то, о чём мы говорили ранее: в общем
случае переход через большую запрещённую зону приводит к излучению короткой
длины волны (синяя, фиолетовая часть спектра), а маленькая запрещённая зона —
к излучению фотонов с большей длиной волны (красная, оранжевая часть спек-
тра) .
Ещё из любопытного можно отметить что полупроводники обладают таким разме-
ром запрещённой зоны, которая позволяет им как излучать, так и поглощать
свет.
В свою очередь, металлы не имеют запрещённой зоны, поэтому они не обладают
свойством также работать со светом.
Что же касается непроводящих материалов, то есть изоляторов, то у них за-
прещённая зона настолько велика, что не позволяет2 перемещаться и электронам,
а, соответственно, они не обладают и возможностью манипулировать светом по-
добно полупроводникам.
Дело здесь в следующем: насколько мне известно, под воздействием электриче-
ского поля у электронов, летающих вокруг ядра атома, происходит вытягивание
Здесь под запрещённой зоной понимается, если сказать совсем простыми словами — ве-
личина промежутка между двумя уровнями.
2 Тут, на самом деле, тоже не всё так просто и нельзя однозначно сказать, что «изо-
ляторы не проводят ток и всё тут» — это будет не совсем верно.
орбиты, после чего ядро атома и электроны начинают, условно говоря, представ-
лять собой букву О — где, например, в нижней части расположено ядро атома, а
в верхней части — крайняя точка орбиты электронов. Такую конструкцию называют
«диполем».
В какую конкретно сторону произошло вытягивание, зависит от того, где про-
странственно находится положительный по знаку потенциал электрического поля
(здесь, скорее всего, не совсем корректно сказал). Так как электроны заряжены
отрицательно, происходит вытягивание орбиты в сторону положительного по знаку
потенциала поля (так как противоположные заряды притягиваются).
Такое вытягивание занимает определённое время и зависит от величины прило-
женной разницы потенциалов.
В течение этого времени можно сказать, что сквозь диэлектрик протекает ток
— такое явление называют «диэлектрической проницаемостью».
То есть, можно сказать, что диэлектрики проводят электрический ток, но это
зависит от величины приложенной разности потенциалов и происходит в течение
ограниченного времени — пока происходит вытягивание орбит и, соответственно,
смещение электронов и ядра атома в пространстве в противоположные стороны.
Этот процесс называют поляризацией.
Тем не менее, если быстро менять полюса один на другой, ток также будет
течь сквозь диэлектрик — то в одну, то в другую сторону.
Однако вернёмся обратно к квантовым точкам...
Как мы уже узнали выше, размер точек напрямую влияет на спектр излучаемого
ими света; тем не менее, снова повторим, что для ZnO этот эффект не такой вы-
раженный, и можно спектр света изменять только в некоторых ограниченных пре-
делах :
■ Размер точки — 2-3 нм: фиолетовый, синий (350-400 нм) ;
■ Размер точки — 4-5 нм: синий, голубой (400-450 нм) ;
■ Размер точки — 6-7 нм: зелёный (500 нм).
Свечения в других областях спектра можно добиться только с помощью легиро-
вания или создания композиций с другими материалами (об этом будет ниже).
В общем случае можно сказать, что размер точек регулируется временем проте-
кания реакции и температурой — чем они больше, тем больше растут и кристаллы
точек:
■ Точки размером в 2-3 нм (фиолетовый, синий цвет свечения): время протека-
ния реакции — 10-15 мин, температура — 60-80 С;
■ Точки размером в 4-5 нм (синий, голубой цвет свечения): время протекания
реакции — 20-30 мин, температура — 80-90 С;
■ Точки размером в 6-7 нм (зелёный цвет свечения): время протекания реакции
— 30-60 мин, температура — 100-120 С.
Несмотря на то, что выше мы говорили о квантовых точках из оксида цинка
(ZnO), непосредственно в самой реакции для выращивания кристаллов из ZnO ис-
пользуется ацетат цинка Zn(CH3COO)2, а последовательность действий выглядит
следующим образом:
1. 1 г ацетата цинка растворяется в 100 мл воды.
2. Далее добавляется 0,5 г лимонной кислоты в качестве стабилизатора (ли-
ганда).
3. Смесь нагревается до нужной температуры (диапазоны температур для полу-
чения точек нужного размера показаны выше).
4. Добавляется 5 мл перекиси водорода — работает в роли окислителя (3% рас-
твор из аптеки) и смесь перемешивается.
5. Смесь удерживается при нужной температуре — требующееся время для полу-
чения точек нужного размера.
6. Далее смесь охлаждается и фильтруется через фильтровальную бумагу.
Очень любопытным моментом в описании выше является использование лимонной
кислоты — она применяется в качестве стабилизатора (лиганда), и её цель за-
ключается в создании на поверхности квантовых точек защитного покрытия из
специальных молекул (лигандов), которые выполняют две функции:
■ помогают устранить дефекты поверхности квантовых точек, которые потенци-
ально могли бы производить захват электронов и уменьшить выход света;
■ не дают квантовым точкам слипаться друг с другом, так как создают на их
поверхности защитное покрытие; кроме того, это покрытие помогает защитить
квантовые точки и от взаимодействия с кислородом или растворителем (напри-
мер, водой, в которой они и находятся).
Что было бы, если бы не использовалось это покрытие: точки начали бы сли-
паться друг с другом, что могло бы привести к потере способности светиться.
К такому же результату привело бы и то, если бы дефекты поверхности оста-
лись нетронутыми — они захватывали бы электроны, что приводило не к излучению
света, а к нагреву окружающей среды.
К тому же, отсутствие такого покрытия привело бы со временем к разрушению
квантовых точек под воздействием негативных факторов окружающей среды.
В качестве лигандов может выступать довольно большой круг агентов, а выбор
конкретного типа лиганда зависит от того, какой растворитель используется для
раствора:
■ для составов квантовых точек на водной основе может быть использована ли-
монная кислота, поливиниловый спирт, желатин;
■ для составов на основе органических растворителей — могут быть использова-
ны олеиновая кислота и разные масла (даже подсолнечное).
Выше мы упоминали о том, что добиться свечения квантовых точек на основе
оксида цинка в других областях спектра (например, в красном, оранжевом) можно
только с помощью легирования или создания композитов.
Самым простым способом легирования, позволяющим добиться жёлтого или оран-
жевого свечения, является использование медного купороса. В приведённой выше
процедуре он должен добавляться в качестве дополнительного пункта 1.1 — после
растворения ацетата цинка, в количестве 1-5% от его массы.
Дальнейшие шаги остаются теми же, что и описаны выше.
Альтернативным способом является создание композитов, подразумевающее до-
бавление ещё одного материала с меньшей запрещённой зоной, который может све-
титься в более длинноволновом диапазоне (жёлтом).
Одним из таких способов является добавление дополнительно к ZnO углеродных
квантовых точек, которые могут быть синтезированы ещё проще: сахар смешивает-
ся с водой, далее смесь нагревается до потемнения, после чего охлаждается,
отфильтровывается и добавляется к такому же отфильтрованному составу кванто-
вых точек ZnO. Результатом будет являться свечение в более длинноволновом
диапазоне всего состава.
При этом, как легко можно было понять, получение углеродных квантовых точек
на основе сахара и воды является возможно даже более простым процессом, чем
работа с получением точек на основе оксида цинка.
Поэтому рассмотрим подробнее и его (думаю, это будет для многих интересно
ввиду доступности процесса).
Сам процесс будет выглядеть примерно так:
1. 2-3 столовые ложки сахара растворяют в 100 мл воды;
2. Раствор нагревают до температуры в 150-200 градусов;
3. Через некоторое время раствор начнёт темнеть из-за карбонизации — нужно
дождаться, пока вся смесь не станет тёмно-коричневой, но ещё не чёрной
(это потребует примерно 20-30 минут);
4. Далее раствор охлаждают до комнатной температуры и отфильтровывают через
фильтровальную бумагу или иной фильтр, чтобы удалить крупные частицы;
5. Теперь квантовые точки нужно покрыть слоем лигандов (о чём мы говорили вы-
ше) — для этого в раствор добавляют 0,5 г лимонной кислоты;
6. Раствор снова нагревают до 60-80 С и выдерживают 10-15 минут;
7. После чего раствор охлаждают и снова отфильтровывают.
Точно так же, как и в случае с оксидом цинка, от размера точек будет зави-
сеть цвет свечения, и мелкие точки будут светиться голубым, а крупные — жёл-
тым (мы здесь видим, что, в отличие от оксида цинка, появился более длинно-
волновой диапазон свечения).
Кстати говоря, о размерах точек, они также будут зависеть от температуры и
времени проведения реакции (первичного нагревания, когда идёт карбонизация -
потемнение раствора):
■ 10-20 минут, 120-150 С — мелкие точки (голубое свечение);
■ 30-40 минут, 150-180 С — средние точки (зелёное свечение);
■ 50-60 минут, 180-200 С — крупные точки (жёлтое свечение).
Также на размер точек будет влиять концентрация: 1-2 столовые ложки на 100
мл воды дадут мелкие точки, в то время как 3-4 столовые ложки на 100 мл — да-
дут возможность получить крупные точки (соответственно, средние точки получа-
ем средним значением между этими двумя).
А вот как светятся3 такие углеродные квантовые точки (только тут их получа-
ли несколько иным способом) , кстати, тут дают ещё одну любопытную информацию
в копилку — цвет свечения будет зависеть от длины волны фонарика, которым ос-
вещаются квантовые точки (будет изменяться от зелёного до жёлтого) — ещё один
вариант, как можно играться с цветом:
И наконец, мы подошли к самому интересному моменту: каким же образом вы-
звать свечение квантовых точек?
По рассказу выше мы уже поняли, что нам необходимо каким-то образом нака-
чать энергией электроны, чтобы они перешли на более высокий уровень.
Ит.
Одним из самых простых и безопасных способов является накачка светом, то
есть вызов фотолюминесценции.
Рассмотренные выше квантовые точки из оксида цинка хорошо подходят для на-
качки с помощью ультрафиолета с длиной волны в 365 нм, где даже небольшого
3 https://www.youtube.com/watch?v=IpfbSDoK-CM
фонарика малой интенсивности (8-20 Вт) достаточно, чтобы заставить их ярко
светиться (достаточно просто освещать раствор этой лампой).
В качестве метода увеличения яркости свечения может быть использовано
уменьшение размера точек — как мы помним, точки меньшего размера излучают фо-
тоны с большей энергией, а значит, с большей яркостью.
Кроме того, положительно повлияет на яркость и покрытие поверхности точек
лигандами (это уже предусмотрено изначально выше).
Свечение квантовых точек может быть вызвано и рядом других способов, напри-
мер, с помощью пропускания электрического тока, воздействия электромагнитным
полем.
Однако в рамках нашего изучения наиболее доступных способов эти варианты
являются малоподходящими.
Пропускание электрического тока сквозь водный раствор сразу сопряжено с ог-
раничениями, так как нельзя превышать определённый уровень напряжения (при-
мерно 1,2 В для воды), а превысить его надо, так как пропускание электриче-
ского тока через воду связано с потерями.
Обойти это можно, если использовать состав квантовых точек в органическом
растворителе с добавлением туда проводника ионов. Тем не менее, всё равно это
проблемно...
Именно поэтому активацию квантовых точек с помощью электрического тока про-
изводят иначе: например, в качестве одного из способов слой квантовых точек
размещают между двумя проводниками, в качестве одного из которых может высту-
пать обычная фольга, а в качестве второго — прозрачный токопроводящий слой
оксида индия и олова (ITO), нанесённый в виде прозрачной плёнки на стекло.
Ещё одним альтернативным способом является воздействие электромагнитным по-
лем, например, помещением состава квантовых точек в центре электромагнитной
катушки.
Но, это тоже проблемно: потребуется катушка, которая будет излучать высоко-
частотные колебания с частотой более 100 кГц и иметь достаточную мощность, а
также потребуется применить точный подбор частоты и мощности, чтобы точки на-
чали светиться, но в то же время не вызвать разложение растворителя.
Таким образом, подытоживая, представляется что фотолюминесценция остаётся
самым простым способом для повторения самостоятельно, а способ конкретного
применения можно придумать при желании. Тем не менее, изучение ещё одного
способа создать светящееся вещество видится интересным, так как даёт новые
возможности!
Ну и напоследок — есть такая штука, как «квантовый выход», то есть, какой
процент света, из того, которым «накачали» квантовые точки, преобразуется ими
в свет целевого спектра. Здесь углеродные квантовые точки (C-dots) и точки из
оксида цинка (ZnO) — далеко не лидеры (в таблице ниже они выделены жёлтым для
удобства). Однако проблема в том, что вещества многих более эффективных кван-
товых точек вредны для человека, а продукты реакции, образующиеся в процессе
их создания, также могут представлять опасность.
Можно увидеть ещё впечатляющие примеры свечения квантовых точек4,5. Есть
хорошая демонстрация, как при внесении в ультрафиолет раствор с квантовыми
точками буквально «загорается»6.
Еще очень наглядно видно, как практически прозрачный раствор сияет в ульт-
рафиолете7 .
4 https : //youtube. com/shorts/cwteqZGJ4vY?si=oDN84f eiW2oFAvDX
5 https://www.youtube.com/shorts/t5AlXP-CjCw
6 https://youtube.com/shorts/JYyGorLMoog?si=Ja3aaAmWyqgsDSkI
7 https://www.youtube.com/watch?v=birrnDuBQzc
Тип квантовых точек
Перовскитные
CdSe/ZnS (ядро/оболочка)
InP/ZnS (ядро/оболочка)
CdTe/ZnS (ядро/оболочка)
ZnSe/ZnS (ядро/оболочка)
CulnS,/ZnS (ядро/оболочка)
AglnS,/ZnS (ядро/оболочка)
ZnS (легированные)
C-dots (углеродные точки)
ZnO (легированные)
PbS (сульфид свинца)
PbSe (селенид свинца)
CdS (сульфид кадмия)
Cu2S (сульфид меди)
Ag2S (сульфид серебра)
Mn:ZnS (легированные Мп)
GaAs (арсенид галлия)
GaP (фосфид галлия)
Si (кремниевые)
Ge (германиевые)
Квантовый выход (%)
90-100
80-95
70-90
70-85
60-80
60-75
50-70
50-70
10-70
20-50
30-50
30-50
20-50
20-40
20-40
20-40
10-30
10-30
10-30
10-20
Цвет свечения
Зелёный, красный
Зелёный, красный
Зелёный, красный
Красный, оранжевый
Синий, зелёный
Красный, оранжевый
Красный, оранжевый
Синий, зелёный
Голубой, зелёный, жёлтый
Примечание: затемнённый раствор,
что ухудшает прохождение света
Фиолетовый, синий, голубой,
зелёный, жёлтый
Примечание: почти прозрачный
раствор
Инфракрасный
Инфракрасный
Зелёный, жёлтый
Красный, оранжевый
Красный, оранжевый
Оранжевый, красный
Инфракрасный
Зелёный, жёлтый
Красный, оранжевый
Инфракрасный
Мышление
РАЗРУШИТЕЛИ
Эмили Моноссон
ВВЕДЕНИЕ
В большой пещере на склоне горы в Вермонте, на полу, покрытом смесью глины
и ила, покоится грибковая спора. Она находится здесь с ранней весны, когда
летучие мыши, в основном малые бурые ночницы, начинают перебираться в другие
места для ночлега, более подходящие для теплого времени года. Пещера служила
им укрытием зимой - здесь они пережидали холода и берегли силы, что особенно
важно в условиях нехватки пищи. Спора - микроскопическая капсула, слегка изо-
гнутая, как семечко тмина или банана. Она будет лежать на полу пещеры, и ос-
таваться неповрежденной месяцами, пока летучие мыши не вернутся осенью. Вот и
они: снова устраиваются на зимовку, а одна из них, молодая самка, родившаяся
ранней весной, пьет воду из лужицы на полу. Она пролетела десятки миль от
места, где родилась, и, наконец, оказалась в этой пещере. Ее крыло касается
пола, где покоится спора, и это все, что той нужно, чтобы начать свой путь.
Вскоре спора, которая перекочевала с грязного пола на перепончатое крыло ле-
тучей мыши, прорастает и начинает развиваться. Она распускает нитевидные ги-
фы, которые тянутся в поисках пищи.
В коже летучей мыши есть кератин - все, что нужно этому грибку для питания.
В пещере холодно, чуть выше нуля, но он предпочитает именно такую температу-
ру. Грибок проникает в крылья малой бурой ночницы, и будет питаться ею, пока
не придет время размножаться - тогда он сбросит сотни спор и частичек гиф,
которые окажутся на других летучих мышах, стенах пещеры и грязном полу. Моло-
дая самка не переживет заражения, а со временем споры и частички грибка при-
ведут к гибели и ее собратьев, с которыми она делила пещеру. Сотни, а затем и
миллионы летучих мышей заразятся, и большинство - однако не все - погибнут.
Споры принадлежат грибку под названием Pseudogymnoascus destructans, кото-
рый вызывает заболевание, известное как синдром белого носа. С момента своего
появления в 2000-х годах оно успело убить миллионы летучих мышей. Возможно,
эпидемия началась именно так, как я описала, - со споры, попавшей на пол пе-
щеры .
Тем временем в гористой местности на западе страны прохладный весенний
день. Влажный воздух наполняется спорами совсем другого грибка, называемого
«ржавчинным». Некоторые из этих спор оказываются на вечнозеленых иголках бе-
лоствольной сосны. Дерево старое, десятилетия суровой погоды и ветров сделали
его скрюченным, но не смогли сломить. Споры прорастают во влажном, туманном
воздухе. Они развиваются, постепенно захватывая иголку за иголкой, ветку за
веткой, пока зараженным не оказывается все дерево. Оно никогда не сталкива-
лось с этим видом грибка, и все его естественные защитные механизмы не могут
с ним справиться. Грибок разрастается, иголки постепенно становятся коричне-
выми и отмирают, пока через несколько лет эта участь не постигнет все дере-
во , - подобный сценарий происходил миллионы раз с миллионами деревьев. Гри-
бок, вызывающий инфекцию под названием «пузырчатая ржавчина сосны», появился
на континенте более века назад и по-прежнему остается проблемой. Грибку, ко-
торый убивает летучих мышей, всего два десятилетия, но он также распространя-
ется по континенту. Ученые склоняются к мнению, что этот процесс не остано-
вить : если грибок появился и закрепился, он уже не «уйдет». И тот, что вызы-
вает ржавчину на деревьях, и убийца летучих мышей. Опасность тотального выми-
рания грозит всем видам, подверженным воздействию грибков.
В совокупности инфекционные грибы и грибоподобные патогены являются самыми
разрушительными из всех известных на планете возбудителей болезней. За по-
следние сто лет возросло число новых грибковых заболеваний у разных видов,
включая человека. Откуда берутся эти грибки? И можем ли мы сделать
что-нибудь, чтобы предотвратить их появление?
«Ржавчина», плесень, гниль, грибки - мы живем в облаке микроскопических
спор, которые в любой момент могут начать развиваться. Грибки повсюду. Мы вы-
уживаем из глубины холодильника давно забытый стаканчик йогурта, открываем
его, но находим внутри только толстый зеленый ворс плесени. Розовые и желтые
грибки пушатся на стене пострадавшего от наводнения дома. Воздух, которым мы
дышим, кишит грибковыми спорами, а под землей гифы проникают еще глубже в
почву. По этим клеточным трубочкам текут вода, питательные вещества и другие
химикаты. Грибки есть в океанских глубинах, радиоактивных руинах Чернобыля и
за влажными полотенцами, развешанными для просушки на Международной космиче-
ской станции, которая вращается вокруг нашей планеты. Если вы готовите хлеб
на закваске, то знаете, что дрожжи, тоже являющиеся грибками, наводняют воз-
дух, которым мы дышим, но почти не приносят вреда. Внутри каждой из крошечных
черных точек грибка Rhizopus, который цветет на куске старого хлеба, находят-
ся десятки тысяч спор - именно потому, что их так много, мы в конце концов
можем их заметить. Грибок, называемый кукурузной головней, образует округлые
галлы, похожие на переполненные сосуды, которые могут разнести по полю 25
миллиардов спор. По оценкам химиков, ежегодно в атмосферу попадает около 50
миллионов тонн спор, которые разносятся ветром от обитающих на земле грибков.
И хотя этот вид размножения характерен для большинства из них, есть виды, ко-
торые используют другие способы. Например, дрожжи и их «родственники» размно-
жаются почкованием, отделяя от себя дочерние клетки, хотя в неблагоприятных
для этого условиях даже они могут перейти на споры.
Большинство грибков путешествуют с помощью спор. Некоторые из них перемеща-
ются всего на доли дюйма, падая с одного листа на другой. Другие пересекают
океаны, выживают при низких атмосферных температурах, в отсутствие влажности,
под беспощадным солнечным светом, от которого не скрыться при высотных пере-
летах. Люди тоже переносят споры - на одежде, в волосах; мы вдыхаем и выдыха-
ем их тысячами. Споры, попавшие в грязь, могут скрываться в углублениях наших
рабочих ботинок и кроссовок, а также в протекторах шин наших легковых и гру-
зовых автомобилей. Мы разбрасываем споры, когда идем по туристической тропе,
садимся в самолет, тем самым доставляя их из одного штата в другой или через
океан. Они находятся на борту Международной космической станции, и некоторые
могут отправиться с нашей помощью на Луну или даже на Марс. Одни выносливее
других, а есть такие споры, которые должны быстро прорасти, иначе погибнут,
поэтому длительные и трудные путешествия им не подходят. Другие выживают в
таком путешествии, но погибают, попав к неподходящему хозяину, или ждут в
спящем состоянии до тех пор, пока условия не станут приемлемыми для роста:
а вдруг возможный хозяин пустит корни именно здесь, на этом пятнышке почвы?
Как раз там, где уже десятилетие покоится спора. Отчасти именно поэтому наше
соседство оказывается таким проблематичным - некоторые грибки, вызывающие за-
болевания, могут выживать в окружающей среде, даже не имея хозяина, в течение
нескольких дней, месяцев или лет. В отличие от многих других патогенных мик-
робов , споры грибков демонстрируют удивительную стойкость, причем каждая от-
дельная спора несет в себе инструкции для следующего поколения плесени, гриб-
ка , гнили и множества других собратьев. По некоторым оценкам1, существует не
менее шести миллионов различных видов грибков, большинство из которых нам по-
ка неизвестны (для сравнения: мы знаем около двух миллионов видов животных,
большинство из которых - насекомые, и почти 400 тысяч видов наземных расте-
ний, и это не считая мхи, печеночники и тому подобное). Грибы являются одной
из самых плодовитых и разнообразных форм жизни на планете.
Большинство видов грибов необходимы для выживания растений, животных и че-
ловека. Микробном нашего кишечника и кожи населен не только бактериями, но и
вирусами, простейшими, грибками - все они являются членами динамичного и раз-
нообразного сообщества микробов, которые мы носим в себе и на себе. Под зем-
лей микоризные грибы - то есть те, которые поселяются на корнях растений, -
соединяют и питают деревья и другие растения, а также помогают контролировать
другие микробы, которые могут вызывать болезни. Спасительный пенициллин, от-
крытый благодаря счастливой случайности и проницательному взгляду Александра
Флеминга, производится тем же самым видом грибка, который мы можем увидеть на
заплесневелом куске хлеба или кожуре испорченной дыни.
Многие грибки предстают перед нами в виде грибов - мясистых размножающихся
тел с причудливыми названиями «Розовое диско», «Ангел-разрушитель», «Пальцы
мертвеца». Сморчки, лисички, опята и другие грибы - желанные гости почти на
любой кухне. Некоторые из них производят химические вещества, которые могут
отправить нас в психоделическое путешествие или убить. Грибы принимают форму
нитевидных гиф, которые прощупывают окружающее пространство, тянутся в разные
стороны, связываются друг с другом и поднимаются вверх, пробиваясь сквозь ко-
ру , почву, а иногда даже асфальт. Эти и другие грибные плодовые структуры
(поскольку не все грибы образуют мицелий) выделяют споры. Когда они разраста-
ются, их гифы проникают в землю и растут внутри и на корневищах деревьев и
других растений, а также могут пробиваться через гниющие бревна. Грибы - одни
из самых важных чистильщиков в мире: они превращают то, что когда-то жило,
обратно в питательные вещества и почву. На самом деле они скорее близки к жи-
Трудно найти точную оценку количества видов животных, растений или микробов. Неко-
торые подсчеты основаны на «идентифицированных» и охарактеризованных видах, а дру-
гие, как в случае с грибами и бактериями, могут быть основаны как на охарактеризо-
ванных видах, так и на анализе ДНК. Одно из недавних исследований видов грибов пока-
зало, что их может быть до 12 миллионов.
вотным, хотя могут напоминать нам растения, но выделяются в отдельное таксо-
номическое царство, так и называемое - грибы.
Животные, даже микроскопические, потребляют и переваривают пищу. Мы тоже
это делаем - с помощью желудка. Грибы же сперва переваривают пищу и отправля-
ют свои пищеварительные соки в окружающую среду. Ферменты разлагают растения,
животных и другие микробы - именно таким образом превращаются в питательные
вещества поваленная сильным ветром береза, стена в ванной, кусок сыра, чело-
веческое тело. Грибки, питающиеся тем, что умерло, так называемые сапротрофы,
превращают кожу и перья, кору и листья в молекулярные строительные блоки -
аминокислоты, жирные кислоты и простые сахара, которые, в свою очередь, слу-
жат питательными веществами для грибов, растений и других живых существ. За-
тем грибы поглощают все необходимое из этой расщепленной материи. Если бы не
они, мир был бы завален трупами, и мы вряд ли смогли бы в нем жить. Многие
грибы существуют если не в сотрудничестве, то в мире с другими живыми сущест-
вами, но есть и исключения: некоторые питаются живой материей. Большинство
грибов дают жизнь, а грибковые патогены ее забирают.
Возможно, вы читали о массовой гибели лягушек. А если живете на севе-
ро-востоке США, то наверняка заметили исчезновение летучих мышей или знакомы
со смертельно опасными дрожжами, путешествующими по больницам и домам преста-
релых. Если вы любите кофе, какао или бананы, то, возможно, читали статью или
две с тревожными заголовками, предупреждающими об их потенциальной гибели.
Однако грибковые угрозы не являются проблемой конкретного вида, как можно
предположить, листая новостную ленту. Они имеют гораздо больший масштаб, ус-
тойчивы, разнообразны и могут стать настоящей катастрофой. Потеря каждого ви-
да или популяции влечет большие последствия. Лягушки и летучие мыши питаются
мотыльками и другими насекомыми, поэтому их исчезновение дает возможность
процветать гусеницам, поедающим урожай, и насекомым, которые служат перенос-
чиками болезней. Орех и сосна поддерживают целые экосистемы, в которых обита-
ют медведи, птицы, рыбы, растения и сообщества микробов, включая грибы, кото-
рые мы могли бы употребить в пищу. Что случится, если медведь или ка-
кая-нибудь птица внезапно лишится своего источника питания?
Я рассказываю эту историю, полную потерь, с точки зрения экологов, лесово-
дов, медиков, биологов, политиков и граждан, которые работают наперекор вре-
мени и пытаются спасти жизнь растений, животных и людей, какой мы ее знаем.
Многие согласны с тем, что, если грибок, вызывающий заболевание, поселился в
природе, он уже не «уйдет». Будет дремать без вреда для себя в отсутствие
подходящего хозяина, но останется с нами надолго. И все согласны с тем, что
лучшая возможность для любого вида пережить грибковую пандемию - быть генети-
чески разнообразным. Некоторые пытаются предотвратить будущие грибковые пан-
демии, ужесточая политику в области торговли и путешествий или применяя новые
технологии. Другие потратили десятилетия на выведение деревьев, устойчивых к
болезням, хотя вряд ли доживут до тех времен, когда их работа станет видна.
Ученые-растениеводы, генетики и хранители семян стремятся сохранить разнооб-
разие сельскохозяйственных культур, чтобы наши потомки тоже знали, каковы на
вкус бананы или пшеница. Их коллективные усилия дарят надежду на то, что так
и будет, но общество должно подключиться к этой работе.
Профилактика - дело трудное, но осуществимое. Работать на предупреждение -
значит с большим вниманием относиться к экспорту-импорту растений и животных,
проводить экспресс-диагностику заболеваний и вовремя реагировать, если тест
окажется положительным, и, что еще важнее, перемещаясь по миру, самим соблю-
дать меры профилактики. Также необходимо защищать биоразнообразие и стараться
сокращать потери среды обитания. Там, где профилактика не помогла, следующим
этапом выживания в условиях грибковой пандемии должна стать защита генетиче-
ского разнообразия и потенциальных генов устойчивости в популяции деревьев,
саламандр или продовольственных культур. Но гарантий генетического спасения
не существует. Устраняя естественные барьеры между видами, мы получаем новые
болезни, большинство из которых будут доброкачественными, некоторые вызовут
небольшие проблемы, а другие способны вызывать катастрофические последствия.
Эпидемии и пандемии, о которых я пишу на этих страницах, начинались с того,
что грибок перемещался из своей родной среды в совершенно новую, где ему по-
падался подходящий хозяин. В мире существует множество грибков, и хотя боль-
шинство из них безвредны, некоторые при определенных условиях могут причинить
много бед. Наша задача на будущее - не допустить встречи потенциально опасных
грибков с восприимчивыми хозяевами, в том числе и с нами.
ЧАСТЬ I.
ПОСЛЕДСТВИЯ
Глава 1.
Прибытие
Четвертого ноября 2016 года в еженедельном отчете о заболеваемости и смерт-
ности Центра по контролю и профилактике заболеваний США. (US Centers for
Disease Control and Prevention, или CDC) появилось упоминание о, вероятно,
новом виде инфекции. Хотя ранее о ней не было известно, она проявилась прак-
тически одновременно в разных точках мира. Новая инфекция плохо поддавалась
диагностике и отличалась высокой смертностью: от 30 до 60 % инфицированных
пациентов погибали. Однако даже при правильном диагнозе было трудно предска-
зать положительный исход для пациента - инфекция почти не поддавалась медика-
ментозному лечению. Помимо этого, она передавалась от одного пациента к дру-
гому, была устойчивой и быстро заражала больничное оборудование и помещения.
Эта странная инфекция была вызвана Candida auris, грибком, который является
видом дрожжей. Появление нового грибкового патогена - явление необычное, но
нередкое, особенно для постоянно растущей популяции пациентов с ослабленным
иммунитетом, среди которых и те, кто принимает мощные стероидные препараты, и
те, кто выжил после рака, перенес трансплантацию. Необычность С. auris заклю-
чалась в том, что у него появилась устойчивость к некоторым или ко всем про-
тивогрибковым препаратам в зависимости от штамма. Он распространялся от паци-
ента к пациенту и между больницами, что больше свойственно бактериям и виру-
сам, чем грибкам. А еще казалось, будто он появлялся из ниоткуда и отовсюду
одновременно.
Центр по контролю и профилактике заболеваний отвечает, в частности, за на-
блюдение и выявление заболеваний. Его первой миссией, начатой еще в 1940-х
годах, была борьба с малярией, но с тех пор он превратился в ведущее агентст-
во по отслеживанию и оповещению медицинского мира о новых загадочных инфекци-
ях - от Эболы до менингита, гриппа, ВИЧ и COVID-19. Центр привлекает к со-
трудничеству лучших врачей, ветеринаров, микробиологов и эпидемиологов, а
также других ученых. В 2015 году, еще до того, как о С. auris заговорили как
о серьезной проблеме, медицинская микологическая лаборатория, находящаяся в
Пакистане, отправила несколько образцов в принадлежащую Центру по контролю и
профилактике заболеваний референс-лабораторию по изучению грибков. В Пакиста-
не произошла вспышка заболевания, и ученые искали подтверждение тому, что не
ошиблись и обнаруженный ими грибок является Saccharomyces cerevisiae - дрож-
жами , которые известны как пивные. Они используются для приготовления пива,
вина и хлеба, но при некоторых обстоятельствах могут заражать людей и вызы-
вать у них болезни. Лаборатория обнаружила, что дрожжи были идентифицированы
неправильно. Вместо S. cerevisiae из Пакистана прибыл С. auris, который впер-
вые был обнаружен десятилетием раньше в Японии - при взятии мазка из уха па-
циента. Отсюда и название Candida auris - грибок уха.
Год спустя С. auris начал появляться в других местах по всему миру, включая
несколько случаев, диагностированных постфактум в Соединенных Штатах. Именно
в этот момент Центр по контролю и профилактике заболеваний выпустил свое пер-
вое предупреждение о появлении этого заболевания. Сразу после этого случаи
стали диагностироваться по нарастающей, счет пошел на сотни только в США, а
по всему миру - на тысячи. В апреле 2019 года газета New York Times опубли-
ковала историю пациента, который был госпитализирован с С. auris в больницу
Маунт-Синай в Бруклине (Нью-Йорк) и умер через три месяца. Палата, в которой
он наблюдался, к этому времени уже была заселена грибком. Доктор Скотт Лорин,
глава больницы, рассказал Times, что «заражено было все - стены, кровать,
двери, шторы, телефоны, раковина, доска для письма, помпа. Матрас, перила
кровати, отверстия в канистрах, оконные шторы, потолок - в палате абсолютно
все имело следы грибка». Поскольку грибок не поддавался дезинфицирующим сред-
ствам2 , используемым в то время, в больнице пришлось снять плитку с пола и
потолка. Том Чиллер - руководитель отделения микотических болезней Центра по
контролю и профилактике заболеваний, имеющий за плечами десятилетний опыт ра-
боты, сказал, что С. auris вызывает большую озабоченность, потому что никто
не знает, как он появился и откуда взялся, тем более что он остается очень
устойчивым к лечению. Он назвал этот грибок «тварью из Черной лагуны».
Еще более тревожащими выглядят опасения ученых, которые предполагают, что
дрожжи являются предвестниками других грибковых патогенов человека. За по-
следнее столетие грибковые инфекции почти уничтожили некоторые другие виды,
но нам до сих пор везло. Возможно, наше везение на исходе.
Candida auris.
Мир кишит дрожжами, которые живут на клопах, яблоках, сине-полосатых ворчу-
нах, каучуковых деревьях, цветах, в почве, мангровых зарослях, на множестве
других живых организмов. Видов дрожжей тысячи, но большинство, включая
Candida, не причиняет нам вреда, а некоторые даже являются частью микробиома
нашего кишечника - сообщества бактерий, вирусов, дрожжей и других микроорга-
2 Теперь благодаря усиленной уборке и правильным дезинфицирующим средствам медицин-
ские учреждения могут справиться с грибком, не разрушая помещение.
низмов, которое в нем живет. Большинство сообществ устроено так, что каждый
их обитатель выполняет свою задачу, и микробиомы не являются исключением: од-
ни микробы приносят пользу, делясь ресурсами или пространством со своими со-
седями; другие конкурируют, выбрасывая вредные химические вещества, чтобы по-
мешать соседним микробам потреблять их пищу или селиться на их участке нашего
кишечника или кожи. Некоторые микроорганизмы делают свое дело и не приносят
ни пользы, ни вреда. Ученые только начинают разбираться в этих сложных взаи-
моотношениях и в том, как они влияют на нас. Большинство микробов, вызывающих
заболевания, для микробиома человека являются чужаками: вирус гриппа, бакте-
рия Borrelia burgdorferi, ответственная за болезнь Лайма, или Salmonella,
провоцирующая пищевое отравление. Но иногда такой безобидный микроб, как
Candida albicans, полноправный обитатель нашей кишечной флоры, который, как
правило, мирно живет с нами большую часть нашей жизни, в определенных услови-
ях может вызвать у нас заболевание или даже убить.
И С. albicans, и С. auris относятся к отделу подцарства высших грибов
Ascomycota - разнообразной группе, в которую входят те самые «Пальцы мертве-
ца», сморчки, формой напоминающие мозг, и нежные алые эльфовы чаши. Внутри
Ascomycota есть меньшая группа, называемая Saccharomycotina, или дрожжи, куда
входит и Candida. Некоторые из них имеют близкое родство, а другие - отдален-
ное . Дрожжи Candida представляют собой необычное собрание живых организмов,
которое принято описывать как «мусорную корзину, в которой находятся сотни
видов, мало связанных друг с другом». Чтобы подчеркнуть разницу между этими
«родственниками», один ученый сказал мне, что С. auris и С. albicans отлича-
ются друг от друга так же, как люди от рыб. Если и есть что-то общее у разных
видов дрожжей, так это их склонность существовать в виде одиночных клеток,
подобно бактериям, но с небольшим количеством или отсутствием характерных
признаков, из-за чего трудно отличить один вид от другого, пока не удастся
собрать их в колонии на чашке Петри. Колонии появляются, когда дрожжи размно-
жаются миллионами. Чаще всего это происходит бесполым путем: клетки отпочко-
вываются от клонов, удваивая популяцию каждые сто минут или около того, - та-
кой жизненный цикл больше свойствен бактериям, чем грибам. В редких случаях
дрожжи ведут себя более типично для грибов: выращивают гифы или размножаются
половым путем - для этого необходимы определенные условия. Способность к по-
ловому или бесполому размножению характерна для многих, если не для всех гри-
бов, однако некоторые предпочитают только один вид, а другие могут их чередо-
вать . Грибы фантастически разнообразны в вопросах размножения: у каждого есть
тысячи различных «типов спаривания». Когда дрожжи спариваются, их обычно
круглые тела вытягиваются и становятся похожими на «шму» - это мультяшный
персонаж середины XX века, который впервые появился в комиксе «Лил Эбнер».
Сексуально восприимчивые «шму» притягиваются друг к другу с помощью химиче-
ских запахов, называемых феромонами. Когда дрожжи культивируются в чашке Пет-
ри, невидимые клетки со временем собираются в скопления размером с булавочные
уколы, которые после превращаются в округлые холмики или плоские диски, похо-
жие на брызги краски. Колонии С. auris обычно имеют кремовый или белый цвет,
но в некоторых средах приобретают оттенки розового или фиолетового.
Грибковая инфекция кожи, гениталий или горла может заставить нас спрятать
пальцы на ногах и отправиться к врачу, но она редко бывает смертельной. Опас-
ность возникает, когда грибок проникает в нашу кровь. Ежегодно около миллиар-
да пациентов борется с грибковыми инфекциями, и для 150 миллионов они пред-
ставляют угрозу для жизни; 1,6 миллиона человек в мире умирают. Эта цифра со-
поставима с количеством смертей от туберкулеза и почти в три раза превышает
смертность от малярии. Инвазивные виды в зависимости от вида, штамма и других
условий убивают от 30 до 100 % зараженных. В больницах частой причиной инфек-
ций, передающихся через кровь, становится вид дрожжей Candida, причем в боль-
шинстве случаев виноват грибок С. albicans. Еще до появления С. auris систем-
ные дрожжевые инфекции были известны своей высокой смертоносностью, несмотря
на лечение противогрибковыми препаратами, - от них умирает около 40 % боль-
ных.
Первые сообщения о росте числа инфекций Candida появились в 1950-х родах.
Сюда можно отнести большой спектр заболеваний: от молочницы (вызванной дрож-
жами, растущими во рту и горле) до вагинальных инфекций или, что еще хуже,
редких грибковых инфекций, поражающих основные внутренние органы, например
сердце. Причиной такого роста стало широкое распространение антибиотиков. Не-
которые специалисты даже называют дрожжевые инфекции «болезнью антибиотиков».
При всех их преимуществах, которых действительно немало, мощные препараты мо-
гут уничтожать не только бактериальную инфекцию, но и полезные бактерии. На-
пример, антибиотики широкого спектра действия способствуют чрезмерному росту
грибков, «убивая» такие кишечные бактерии, как Lactobacillis и Bifidobacte-
rium, которые помогают держать Candida под контролем. Когда количество этих
бактерий снижается, мы, по сути, собственноручно жмем на красную кнопку, и
грибок, подобный С. albicans, взрывает все вокруг. Так что антибиотики могут
сделать нас более уязвимыми для некогда безобидных грибков.
К счастью, врачи умеют очень эффективно лечить пациентов, которые длительно
принимают антибиотики, противогрибковыми препаратами, чередуя лекарства, ко-
гда это возможно, чтобы избежать возникновения резистентности. При менее
опасных для жизни инфекциях можно обойтись без антибиотиков, однако, если
приема этих препаратов не избежать, помогут живые культуры Lactobacillus aci-
dophilus - еще один повод добавить в свой рацион йогурт. Или мы можем прини-
мать капсулы с Saccharomyces boulardii - дрожжами, которые помогают поддер-
живать микробный баланс. Если мы сможем поддерживать наш микробном в здоровом
состоянии, то вероятность того, что он будет атакован враждебными микроорга-
низмами , снизится.
На протяжении большей части существования человечества наш микробном помо-
гал держать в узде потенциально инвазивные микробы - особенно те, которые уже
поселились в организме. Большинство из этих микробов - бактерии, которые по
численности и разнообразию превосходят грибы. На это есть веская причина:
температура нашего тела. Многие бактерии процветают при 37 С - нормальной
температуре человека, - но для многих грибов, предпочитающих температуру от
12 до 30 С, наше тело подобно Долине Смерти. Нам, млекопитающим, становится
просто слишком жарко, но это тепло, подобно здоровому микробному, защищает
нас от болезнетворного вторжения. Впрочем, в последнее время некоторые ученые
стали опасаться, что наш так называемый температурный барьер начинает нас
подводить.
Более десяти лет назад Артуро Касадевалл, микробиолог и иммунолог из Школы
общественного здравоохранения Блумберга им. Джона Хопкинса, опубликовал рабо-
ту, в которой высказал мнение, что относительная непереносимость повышенной
температуры тела для грибков, возможно, способствовала появлению млекопитаю-
щих . Это явление он назвал «грибковым фильтром». «Существование млекопитающих
абсурдно, - говорит он. - Нам приходится так много есть. Большинство людей
едят четыре или пять раз в день, и количество пищи превышает то, которое по-
требляют большинство других животных на планете. Большая часть съеденной пищи
уходит на поддержание температуры нашего тела». Мы - высокоэнергетические жи-
вотные, и Касадевалл утверждает, что, казалось бы, для нас должен был быть
выбран не самый благоприятный обмен веществ. Примерно 66 миллионов лет назад
млекопитающие не были доминирующим видом, а почти 200 миллионов лет до этого
Землей правили гигантские зауроподы, стегозавры и тероподы вроде
Tyrannosaurus rex. Затем в планету врезался астероид, и удар привел к вымира-
нию почти 80 % всех видов животных: от динозавров до морских беспозвоночных.
Постастероидный период, по словам Касадевалла, «был связан с массовым про-
цветанием грибов, о чем мы знаем благодаря ископаемым. Вероятно, выжившие жи-
вотные могли подвергаться воздействию грибковых спор и потенциальных патоге-
нов» . Известняк, сланец и песчаник, образовавшиеся из многовековых отложений,
хранят свидетельства не только о том, что когда-то было костями. Окаменело-
сти, отпечатанные в этих слоях, - это воспоминания о червях, растениях, насе-
комых и микроскопических частичках жизни: от пыльцы растений до грибковых
спор. Миллиардов и миллиардов спор. После катаклизма Земля, скорее всего, бы-
ла завалена мертвыми и умирающими растениями и животными - пир для грибов.
Гипотетически никакой второй эры рептилий и не могло быть, потому что более
восприимчивые виды оказались заражены грибками, а выжить смогли только тепло-
кровные . Возможно, именно поэтому бактерии и вирусы, которые, как правило,
переносят человеческий «парник», обычно являются более серьезными патогенами
по сравнению с грибками.
Касадевалл считает, что изменение климата ставит под сомнение одну из важ-
ных систем, защищающую нас от грибков. Более теплая окружающая среда может
позволить некоторым из них выработать более высокую температурную устойчи-
вость . Если грибок сможет преодолеть температурный барьер, то люди и другие
млекопитающие могут стать носителями новых грибковых инфекций. Дрожжи, кото-
рые обычно растут в болотах или на яблонях, могут эволюционировать, чтобы
жить в козах, летучих мышах или людях.
В 2010 году Касадевалл и Моника Гарсия-Солаче написали в соавторстве статью
для научного журнала. Они предположили, что более высокие температуры изменят
и, вероятно, увеличат географический ареал грибков, вызывающих заболевания, а
также приведут к отбору новых грибковых патогенов с более высокой устойчиво-
стью к теплу тела. В 2019 году, менее чем через десять лет, Касадевалл и его
коллеги предположили, что появление С. auris может быть первым примером ново-
го грибкового патогена человека, вызванного изменениями климатических усло-
вий. По его словам, проблема заключается в том, что по мере того, как мы бу-
дем вступать в век более высоких температур, некоторые грибки будут адаптиро-
ваться, прорываясь через грибковый фильтр. «Сейчас большинство грибков в ок-
ружающей среде просто не в состоянии пережить температуру наших тел, но, если
некоторые из них адаптируются, мы можем стать открытыми для новых патогенов.
Именно это я и утверждал в отношении С. auris».
Касадевалл предполагает, что гриб, который может расти при температуре до
36 С в жаркие дни, со временем эволюционирует и сможет выживать при 37 С, то
есть в нашем диапазоне. Возможно, для естественного отбора хватит всего одно-
го градуса. Известно, что грибы быстро адаптируются к температуре, а это зна-
чит, что каждый по-настоящему жаркий день, по словам Касадевалла, становится
ходом в рисковой игре, в которой тебе либо везет, либо ты теряешь все. «Мы
утверждаем, что тревожная сигнализация уже сработала, и это не ошибка, - го-
ворит Касадевалл. - Другими словами, грибок, который вчера был готов к рабо-
те, заражал другие виды, возможно, насекомых или рептилий, но не был способен
выдержать тепло человеческого тела, сегодня как-то приспособился. Теперь у
нас огромная проблема. Стоит, однако, отметить, что этому могут быть и другие
объяснения, - признает Касадевалл, - но в данный момент у нас их нет».
Когда в 2006 году С. auris впервые был обнаружен в ухе японского пациента,
образец был отправлен в архив. Исследователи, занимавшиеся определением дрож-
жей, которые способны заразить человека, сделали это, чтобы в дальнейшем изу-
чить новую инфекцию и определить, как на нее можно воздействовать. Однако в
том же году грибок был обнаружен у группы пациентов уже в Южной Корее - все
страдали хроническими ушными инфекциями. Затем в 2009 году стало известно,
что С. auris проник в кровоток одного пожилого пациента и двух младенцев
также в Южной Корее. Выжил только один. Стало очевидно, что «ушной» грибок
смертельно опасен. К 2016 году Центр по контролю и профилактике заболеваний
рассматривал С. auris уже как серьезную угрозу, поэтому рекомендовал больни-
цам и другим учреждениям долгосрочного ухода в США быть начеку. К тому време-
ни штаммы, похоже, уже путешествовали от одного пациента к другому, из одного
медицинского учреждения в другое. Согласно одной из гипотез, грибок смог за-
разить слуховой проход, поскольку в нем естественным образом прохладнее, чем
в остальных частях тела. Он сделал первый шаг в более терпимую среду и ока-
зался в «парнике», то есть в нашем теле.
В 2019 году Брендан Джексон, медицинский эпидемиолог из Центра по контролю
и профилактике заболеваний, вместе с другими учеными агентства опубликовал
работу под названием «О происхождении вида: что влияет на рост Candida auris
?». Группа исследователей выявила четыре генетически различных вида С. auris,
которые возникли «почти одновременно» в Восточной Азии, Южной Азии, Африке и
Южной Америке. Большинство случаев заболевания в Соединенных Штатах, вероят-
но, происходило из южно-азиатской популяции. Следующая работа, которую опуб-
ликовала другая группа, добавила к уже имеющейся еще одну популяцию - иран-
скую, поскольку заражение пошло от пациента из этой страны. Ученые предполо-
жили, что существуют четыре местонахождения опасных «залежей», или четыре от-
дельные группы, которые произошли от общего предка. Это значит, что, возмож-
но, имеется большее число видов С. auris. Такое открытие можно сравнить с
другим, не менее поразительным: в конце 2019 года появилось сразу несколько
различных вариантов вируса SARS-CoV-2, вызывающего COVID-19, и они произошли
не от одного штамма, который эволюционировал с течением долгого времени.
Когда только появились сообщения о С. auris как о новом грибке, способном
вызвать заболевания у людей, Джексон отнесся к этой информации скептически.
Он подумал, что, возможно, это псевдовспышка, неправильно диагностированный
дрожжевой грибок, который существовал в течение многих лет, а потом был обна-
ружен благодаря усовершенствованию технологии выявления заболеваний. Но дан-
ные из более ранней публикации, в которой были рассмотрены более 10 тысяч об-
разцов Candida, собранных в период с 1996 по 2009 год, ни в одном из которых
С. auris не был обнаружен, быстро заставили Джексона отнестись к ситуации с
большим вниманием.
Последующий анализ образцов, собранных в период с 2004 по 2015 год, выявил
всего четыре случая и только один до 2013 года. Этот грибок еще более приме-
чателен тем, что отдельные его «залежи» настолько разбросаны по карте мира,
что мы можем гадать, откуда они взялись и почему именно сейчас активно вышли
на поверхность. Чтобы понять, насколько странной является модель появления С.
auris, подумайте о том, что в течение нескольких месяцев после появления
SARS-CoV-2 его смогли отследить до одного региона в Китае и обнаружили, что в
какой-то момент времени вирус мог перейти от летучих мышей, панголинов или
других диких животных к людям. Вирус Эбола тоже возник в одном районе Цен-
тральной Африки, а затем распространился по другим регионам. Недавно появив-
шееся грибковое заболевание Sporothrix brasiliensis, которое передается от
кошек к людям (и от кошек к кошкам) , было обнаружено в Бразилии, Аргентине,
Парагвае и Панаме. Впервые болезнь была выявлена в Рио-де-Жанейро в 1998 году
и стала диковинкой, однако затем благодаря кошкам распространилась по всей
Америке. Нет ничего необычного в том, что болезнь возникает в одном месте и
путешествует по миру (мутируя по мере распространения), но чтобы болезнетвор-
ный микроб одновременно появился в разных географических районах и имел раз-
ные генетические характеристики - это странно3.
3 Что ученым известно о грибке С. auris, так это то, что он путешествовал не один.
Как и Sporothrix, он, скорее всего, путешествовал по миру, цепляясь за хозяи-
на-человека .
Новый захватчик, которым стал С. auris, в 2019 году получил неожиданного
союзника в распространении, и им оказался вирус SARS-CoV-2. В то время как
миллионы людей попали в больницы с диагнозом COVID-19, С. auris уже терпели-
во «дремал» в палатах. Все, что ему требовалось для пробуждения, - чтобы чис-
ло ослабленных пациентов стало больше, а система здравоохранения смотрела в
сторону, занятая борьбой с другим опасным противником. В одной из больниц
Флориды вспышка грибковой инфекции произошла во время вирусного всплеска 2020
года. Из пятнадцати выявленных случаев С. auris в двенадцати речь шла о па-
циентах с COVID-19. Было установлено, что вспышка произошла от одного источ-
ника, которым, возможно, стал недавно поступивший тяжелобольной пациент. Ко-
гда всплеск вирусных заболеваний спал, утихли и грибковые. По мере того как
ситуация будет меняться и SARS-CoV-2 станет очередным эндемичным вирусом че-
ловека, С. auris ждет другая судьба: он не только останется угрозой, но и
будет способен оказывать еще более разрушительное влияние, чем то, которое мы
уже наблюдали.
С. auris представляет собой тройную угрозу: он плохо реагирует на лекарст-
ва, живуч и никуда не денется с этой планеты. Но будут и другие. К счастью,
большинство из нас не настолько беззащитны, чтобы дать себя заразить. Если у
нас и есть какая-то суперсила против патогенов, так это иммунная система. Ка-
ждый день мы подвергаемся воздействию тысяч различных микроскопических орга-
низмов, включая десятки грибков, в том числе и дрожжевых. Кожа - наша первая
линия обороны: она является физическим барьером, укрепленным вторичной сетью
бактерий, грибков и других микробов, соседствующих в нашем теле. Наши легкие
похожи на сложное ветвистое дерево жизни, и всего одна клетка отделяет то,
что находится внутри нашего тела, от того, что снаружи. Пожалуй, легкие явля-
ются самым уязвимым органом нашего организма. Они защищены постоянно работаю-
щим биологическим конвейером из слизи, которая перемещается по нижнему слою
клеток, обильно покрытых ресничками - тонкими волосковидными структурами.
Слизь действует как ворсистый валик, задерживая микроскопический мусор - в
том числе споры, пыль и пыльцу, - а реснитчатые клетки перемещают всю эту
грязь в сторону от легких. Когда мы чихаем или кашляем, то избавляемся от
слизи, содержащей мусор. Некоторые заболевания, например муковисцидоз, не по-
зволяют этой системе работать должным образом, в результате чего больные ста-
новятся более восприимчивыми к инфекциям из-за отсутствия этого физического
барьера. Наш пищеварительный тракт также выстлан клетками, вырабатывающими
слизь, которые помогают защитить нас от проникновения инфекции.
Иногда даже передовые системы дают сбой, и тогда в дело вступает клеточный
иммунный ответ - макрофаги, Т-клетки и другие. Они притягиваются к захватчи-
кам, поглощают или убивают их. Некоторые имеют целый арсенал химических за-
щитных средств, который также идет в дело. В результате нас лихорадит, и мы
испытываем весь букет сопутствующих реакций, которые заставляют нас чувство-
вать себя плохо, но это всего лишь побочный эффект борьбы, которую ведут наши
защитники. Лихорадка спасает нас от захватчиков, которые не способны выдержи-
вать высокую температуру. Эта неспецифическая реакция позволяет выиграть вре-
мя для более мощной и целенаправленной защиты - адаптивного ответа, в котором
ключевую роль играют Т-клетки. Они убивают инфицированные клетки, привлекают
другие и помогают регулировать иммунный ответ. Еще один тип иммунных клеток -
В-лимфоциты, которые вырабатывают специфические антитела, направленные против
патогена. Именно эти клетки отвечают за иммунную память - способность проти-
востоять тем же бактериям, вирусам или грибкам во второй или третий раз. Ко-
гда мы делаем прививку, то провоцируем эту реакцию, чтобы она была готова к
любым будущим воздействиям. Эта система в той или иной форме защищала позво-
ночных - от лягушек до людей - на протяжении сотен миллионов лет. Она не иде-
альна, но настолько многогранна, что в условиях, когда одна стратегия может
не сработать, другая вполне способна помочь.
«Если Т-клетки не уничтожат захватчика, это сделают нейтрофилы, - считает
Стюарт Левитц. - Или макрофаги. Некоторые организмы заболевают только тогда,
когда у них отказывают сразу несколько защитных систем». Левитц -
врач-инфекционист и миколог из Медицинской школы Массачусетского университе-
та, занят изучением реакции иммунных клеток на грибки. Он любит показывать
студентам-медикам мультфильм Гэри Ларсона, в котором пожарные растягивают
сетку для женщины, выпрыгивающей из горящего здания. Она отскакивает и попа-
дает через окно в другое горящее здание. «Подобным образом устроена и иммун-
ная система у многих организмов: они выживают в одной ситуации, чтобы затем
броситься в другую. Так что в этом отношении С. auris ничем не отличается от
многих других грибковых патогенов, которым трудно проникнуть в организм со
здоровой иммунной системой».
Раньше инвазивная грибковая инфекция была редким явлением. «Если таковой
случай происходил, - вспоминает Левитц о своих первых днях в медицине, кото-
рые пришлись на 1980-е годы, - его выносили для обсуждения на конференции -
вот насколько редкими были грибковые инфекции. Теперь же мы наблюдаем их по-
стоянно». Причина в том, что мы живем в эпоху людей с ослабленным иммуните-
том. Иммунная система увеличивающегося населения планеты в той или иной сте-
пени нарушена. Достижения в области трансплантации органов позволили бесчис-
ленному количеству молодых и пожилых людей жить полноценной жизнью с переса-
женными почками, легкими, сердцем и другими органами. Только в Соединенных
Штатах ежегодно проводится около 40 тысяч операций по пересадке органов. И
все эти пациенты принимают иммуноподавляющие препараты, чтобы снизить вероят-
ность отторжения, а некоторые нуждаются в них до конца жизни. Люди, пережив-
шие рак, в зависимости от его типа также могут жить с ослабленной иммунной
системой, как и многие из нас, кто просто стареет или использует мощные сте-
роидные препараты для борьбы с такими заболеваниями, как астма, хроническая
обструктивная болезнь легких (chronic obstructive pulmonary disease, или
COPD) и муковисцидоз. За фантастические достижения медицины приходится пла-
тить , и в некоторых случаях такой платой становится ослабление иммунной сис-
темы. Мы живем дольше и лучше, но становимся все более восприимчивыми к инва-
зивным грибкам.
Левитц начал свою практику, когда вирус иммунодефицита человека, или ВИЧ,
который вызывает СПИД, был на подъеме, но еще не достиг своего пика в США.
Под ударом вируса находятся клетки CD4, или Т-клетки. Левитц так вспоминает о
начале своей работы: «Мы наблюдали в больнице все эти случаи грибковой инфек-
ции под названием Cryptococcus». Обычно этот грибок редко поражает иммуноком-
петентные организмы, но было похоже, что ВИЧ вступил в сговор с бактериями и
грибками, которые обычно не могут жить на человеке. Подавляя нашу иммунную
систему, он открыл ворота и впустил оппортунистов. Левитц продолжил изучать и
лечить пациентов с Cryptococcus и другими инвазивными оппортунистическими
грибковыми инфекциями.
Спустя четыре десятилетия для людей, которые получают лечение, ВИЧ уже не
является смертным приговором, тем не менее, число инфицированных по-прежнему
поразительно огромно - во всем мире противовирусную терапию получают более 28
миллионов ВИЧ-инфицированных. Это составляет около 75 % всех людей с вирусом,
то есть 9,7 миллиона человек не лечатся, к тому же каждый год диагностируется
еще несколько миллионов заболевших. Также от криптококкового менингита еже-
годно умирают сотни тысяч людей. Вирус СПИДа, а также рост числа людей с ос-
лабленным иммунитетом и активное использование антибиотиков создали благодат-
ную почву для оппортунистических инфекций. Единственным выходом в обстоятель-
ствах, когда наши естественные защитные силы не справляются или не могут от-
ветить , становятся противогрибковые препараты.
Работу противогрибковых препаратов можно сравнить с химической войной, ко-
торая ведется на микроскопическом поле. Хитрость заключается в том, чтобы
уничтожить врага, оставив невредимыми мирных жителей, что может быть непро-
сто, учитывая, что их бывает трудно отличить друг от друга. Несмотря на сход-
ство между дрожжами и бактериями, грибы в большей степени близки к животным.
Например, и наши клетки, и грибковые являются эукариотическими, при этом у
нас генетический материал находится в ядре, и это то, что отличает клетки че-
ловека от других, допустим бактериальных. И наши, и грибковые клетки также
имеют общую структуру и схожий состав, что, в свою очередь, затрудняет унич-
тожение грибковых клеток без вреда для наших собственных. Несмотря на это,
антибиотики, такие как пенициллин, относительно безопасны, поскольку их дей-
ствие направлено на компонент клеточной стенки бактерий, которого у нас нет.
Мощный противогрибковый препарат амфотерицин В, появившийся на рынке в 1959
году, стал настоящим спасением. Он действует, создавая дыры в мембранах гриб-
ковых клеток и нарушая их нормальное функционирование. Одной из мишеней для
противогрибковых препаратов, таких как амфотерицин, является химическое веще-
ство эргостерол, которое необходимо грибкам для создания мембран, окружающих
их клетки. В мембранах наших клеток эргостерола нет, зато есть холестерин.
Эти две молекулы имеют во многом схожую химическую структуру, поэтому химиче-
ское вещество, воздействующее на одну из них, может случайно воздействовать и
на другую, вызывая потенциально смертельные побочные эффекты, такие как по-
чечная недостаточность. Левитц говорит, что врачи назвали этот процесс «амфо-
ужасным», то есть катастрофическим для обеих сторон. Сейчас доступны менее
токсичные составы, а также другие, не настолько токсичные классы противогриб-
ковых препаратов. Однако их не так много.
Препараты принято классифицировать по способу уничтожения или по тому, на
какую часть клетки или клеточного механизма направлено их действие. Существу-
ют три основных класса противогрибковых препаратов, используемых для лечения
системных инфекций: полиены (к которым относятся амфотерицин и нистатин),
азолы и эхинокандины. Для сравнения: существует более десятка классов анти-
биотиков, направленных против бактерий. Амфотерицин действует на сам эргосте-
рол. Азолы - на фермент, с помощью которого грибки его производят (к слову, в
нашем организме есть похожий фермент, на который некоторые азольные препараты
также могут воздействовать). Эхинокандины не позволяют грибкам производить
еще одно важное химическое вещество, задействуемое для построения клеточной
стенки грибов, - 1,3-р-с1-глюкан. Наши клетки не используют эту молекулу, что
позволяет снизить риск побочных эффектов.
Антибиотики и противогрибковые препараты - это мощные лекарственные средст-
ва . Однако и те и другие теряют свою эффективность, когда их мишени - бакте-
рии и грибки - развивают устойчивость к воздействию. Болезнетворные бактерии,
захватывая наш организм, начинают размножаться, и чаще всего в результате
этого мы заболеваем. Каждый раз, когда клетка воспроизводится (это относится
и к нашим собственным клеткам), ДНК реплицируется, а затем делится на новые
дочерние клетки. Это происходит независимо от того, создают ли клетки клонов
или размножаются половым путем. При воспроизведении ДНК неизбежны ошибки, или
мутации, одни из которых не оказывают большого влияния на жизнь клетки, неко-
торые способны к самопочинке, а других хватает, чтобы клетку убить. Есть и
полезные мутации, например изменение существующего фермента, которое позволя-
ет клетке детоксицировать и выживать под воздействием смертельных химических
веществ, включая антибиотики и противогрибковые препараты (для микро-
бов-мишеней это смертельные химикаты). К полезным также можно отнести мута-
цию, которая позволяет клетке выкачивать вредные химические вещества, и изме-
нение белка, который приобретает способность скрывать ключевую молекулу, на
которую направлено действие лекарства.
Новые мутации - это лишь один из способов, с помощью которого микробы раз-
вивают устойчивость к лекарствам, которыми мы пользуемся. Микроб также может
получить устойчивость от других микробов, например, бактерии известны тем,
что способны делиться генами устойчивости. Ученые обнаружили, что в некоторых
случаях гены, придающие устойчивость к некоторым из современных лекарств
(особенно к тем, что получены из природной среды, включая многие из наших ан-
тибиотиков) , существовали тысячелетиями - они развились в бактериях задолго
до того, как мы начали задавливать их антибиотиками. Но для выживания не все-
гда нужны гены устойчивости. Некоторые микробы и грибки, включая С. auris,
могут сохранять свою работоспособность под воздействием лекарств и других не-
благоприятных факторов окружающей среды, потому что образуют биопленки - мик-
робные коллективы, в которых бактериальные или грибковые клетки, находящиеся
снаружи, жертвуют собой, чтобы защитить клетки внутри. К таким биопленкам
можно отнести зубной налет во рту или тину, которая покрывает поверхность
пруда. Биопленки являются отличительной чертой резистентности, поскольку че-
рез них трудно проникнуть лекарствам и другим химическим веществам, например
дезинфицирующим средствам.
Грибки, устойчивые более чем к одному классу лекарств, называются мультире-
зистентными, ко всем препаратам - панрезистентными. По сути, такие виды вызы-
вают неизлечимую инфекцию. Летом 2021 года Центр контроля и профилактики за-
болеваний сообщил о двух отдельных вспышках панрезистентного С. auris, кото-
рый противостоял трем основным классам противогрибковых препаратов. Самое
странное в способности дрожжей оказывать такое сопротивление - никто не может
объяснить, как он смог приобрести удивительную лекарственную устойчивость. С.
auris - новый человеческий патоген, и он не подвергался десятилетиями воз-
действию антимикробных препаратов, как другие грибки и бактерии. Даже патоге-
ны, устойчивые к одному препарату, могут стать проблемой.
Около 90 % изолятов С. auris (выращенных и протестированных дрожжей) в Со-
единенных Штатах устойчивы к флуконазолу, популярному противогрибковому пре-
парату. Это проблема, потому что иногда пациентов лечат флуконазолом, чтобы
препятствовать появлению инфекций Candida во рту, мочевыводящих путях, ки-
шечнике, влагалище или в других местах, «а это может привести к размножению
С. auris », - говорит Левитц. Таким образом, в некоторых случаях использова-
ние препарата непреднамеренно прокладывает путь к колонизации грибка, а зна-
чит, и развитию инфекции. «В мире микробов все конкурируют со всеми, - напо-
минает он. - В некоторых случаях главным конкурентом может быть потенциально
смертоносная инфекция».
Любой новый патоген, такой как С. auris, имеет в запасе несколько способов,
которые помогают ему покинуть привычное место обитания и перейти в нового хо-
зяина4 . Один из них - приобретение новых свойств. Представьте себе грибок,
который ежечасно борется за выживание на протяжении длительного времени и
многих поколений. Ничего удивительного в том, что в результате он может выра-
ботать защитное покрытие - небольшое, но которого хватит, чтобы оберегать его
или даже маскировать от других микробов или клеток. Затем он приобретает не-
которые ферменты, которые позволяют ему противостоять химическим веществам -
они могут исходить от других микробов или входить в состав сельскохозяйствен-
ных пестицидов с противогрибковым действием. Если грибок сможет преодолеть
эти химикаты, то окажется способен преодолеть те же или подобные химикаты,
используемые в качестве противогрибковых препаратов для лечения инфекции.
Возможно, он также эволюционирует, чтобы переносить более высокие температу-
4 В исследовании 2022 года С. auris был обнаружен в яблоках, выставленных на прода-
жу в Индии. В свежесобранных яблоках не было обнаружено С. auris, и пока нет никаких
доказательств связи между яблоками для продажи и вспышкой заболевания С. auris.
ры. Итак, у нас есть дрожжевой грибок, который когда-то нашел свой дом на яб-
лоне или в болоте, но теперь может вполне счастливо жить в нашем теле, обхо-
дить нашу иммунную систему и обезвреживать наши лекарства. Затем некоторые из
нас переносят его из одной страны в другую, затем в третью, и, в конце кон-
цов, он находит хозяина в больничной палате - туда перевели пациента, которо-
му недавно пересадили органы, или пожилого человека с ослабленной иммунной
системой.
Смертельно опасные дрожжи - не единственная грибковая инфекция, число кото-
рых растет. Летом 2018 года студенты, возвращавшиеся из служебной поездки в
Тихуану (Мексика), прибыли в Нью-Йорк со странной пневмонией. Врачи лечили их
антибиотиками, но безрезультатно, тогда им пришлось обратиться в Центр по
контролю и профилактике заболеваний. Эпидемиологи обнаружили, что другие доб-
ровольцы, участвовавшие в подобных поездках по Центральной и Северной Амери-
ке, также заболели. В итоге у всех была диагностирована и вылечена инфекция
Coccidioides, или долинная лихорадка.
До заражения студенты были здоровы и имели хорошую иммунную систему. В от-
личие от грибков, которые предпочитают хозяев с ослабленной иммунной систе-
мой, Coccidioides не имеет таких ограничений. Этот грибок обитает на большей
части юго-запада США. и в некоторых районах Мексики и Центральной Америки, где
климат теплый и сухой. Для правильной диагностики очень важно знать, где
именно пациент заразился, особенно в случае, когда мы имеем дело с микробами,
которые могут быть распространены в одних регионах и отсутствовать в других.
Если грибок эндемичен для конкретного региона страны, в другом врачи не все-
гда смогут быстро разобраться в том, что стало источником заболевания, тем
более что конкретные грибковые инфекции вообще встречаются редко, - это и
произошло в Нью-Йорке. В 2019 году было зарегистрировано 20 003 случая забо-
левания долинной лихорадкой, в основном у жителей Калифорнии и Аризоны. В
среднем от нее умирают 200 американцев в год. Ученые полагают, что с измене-
нием климата грибок будет двигаться все дальше по территории США. Согласно
одной из моделей распространения, к концу XXI века грибок поразит большую
часть Запада вплоть до Монтаны.
В 1999 году было обнаружено, что грибок под названием Cryptococcus gattii
заражает людей и животных, живущих на острове Ванкувер в Британской Колумбии
или посещающих его. Морские свиньи, дельфины и другие морские млекопитающие
погибли от грибка, который обычно живет в почве и на некоторых местных де-
ревьях. Когда его споры попадают в воздух или оседают в прибрежных водах, то
могут при вдохе заражать легкие, мозг и мышцы. Уровень летальности высок. До
1999 года Cryptococcus был проблемой только тропических и субтропических ре-
гионов, поэтому его появление на Тихоокеанском Северо-Западе вызвало большой
интерес. Артуро Касадевалл и его коллеги предположили, что грибок, вероятно,
был завезен на каком-нибудь корабле в начале XX века, возможно, в балластных
водах, которые перевозятся на судах для повышения устойчивости и сбрасывают-
ся, когда лишний вес больше не нужен. Затем в 1964 году цунами, затопившее
прибрежные леса, вероятно, вынесло грибок на берег. После того как грибок за-
селил регион, усилия людей по расчистке земель и вырубке лесов могли способ-
ствовать его распространению в воздухе, где споры, попавшие в поверхностные
воды, заразили морских млекопитающих.
В 2021 году в Индии, во время волны пандемии COVID-19, тысячи людей погибли
от грибковой инфекции под названием мукормикоз, вызываемой группой родствен-
ных грибковых плесеней. В больницах, где раньше регистрировалось всего не-
сколько случаев заболевания в год, внезапно стали их выявлять один за другим,
пока счет не пошел на сотни. Специалисты знали, что грибки, вызывающие мукор-
микоз, заражают людей, особенно тех, кто страдает диабетом или имеет ослаб-
ленный иммунитет, но цифры никогда не были настолько высоки, как во время ви-
русной пандемии, - до нее грибок убивал 50 % инфицированных, а во время нее
смертность возросла до 85 %. Глаза, нос, кожа, кости, легкие и другие области
могут быть заражены, и инфекция способна быстро привести к смерти. При лече-
нии используются противогрибковые препараты в сочетании с решительным хирур-
гическим вмешательством по удалению грибка и поврежденных тканей, в результа-
те чего многие выжившие остаются обезображенными. Как и в случае с С. auris,
пандемия дала возможность грибку попасть к уязвимым пациентам. Грибки, вызы-
вающие заболевание, обычно содержатся в почве, компосте, навозе животных и
других источниках окружающей среды и распространены повсеместно. Хотя боль-
шинство случаев заболевания приходится на Индию, случаи заражения мукормико-
зом были зарегистрированы по всему миру, в том числе и в США. Хотя трагедией
является каждая смертельная и обезображивающая грибковая инфекция, человече-
ство еще не пережило полноценной грибковой пандемии. Чего нельзя сказать о
других видах животных.
Мукормикоз.
Глава 2.
Вымирание
Карен Липе изучает земноводных в Коста-Рике и Панаме, а также по всей Аме-
рике . Она наиболее известна благодаря своим работам, посвященным лягушкам, в
том числе потому, что случайно обнаружила и задокументировала их постепенное
исчезновение.
Поступая в аспирантуру в конце 1980-х годов, Липе представляла себе приклю-
чения и далекие края. Она фантазировала, как будет изучать ящериц в Австралии
или лягушек в Центральной Америке. В это же время ее научный руководитель
Джей Сэвидж, который был широко известен в мире герпетологии, писал книгу,
посвященную экологии и эволюции фауны Коста-Рики. Впоследствии она была изда-
на под названием «Амфибии и рептилии Коста-Рики». В первое же лето, которое
Липе провела в этой стране, она обнаружила клочок земли, на котором обитала
необычная лягушка размером с большой палец. Это была «флуоресцентно-зеленая
лягушка, колючая и совершенно невероятная, - вспоминает исследовательница. -
Почти неотличимая от мха на деревьях». Однако ниже по склону горы этот же вид
выглядел по-другому: был коричневым и гладким. Иначе звучали и их песни. На-
учное название лягушки было Ну la lancasteri, но Липе довольно быстро поняла,
что отличия вида, обитавшего в низинах, от того, который населял горы, могут
стать основой для экспериментов, достойных докторской степени. Она взялась за
эту работу и впоследствии переименовала открытый ею вид в Isthmohyla calypsa.
В Коста-Рике Липе жила в суровых горах Таламанки, в хижине, принадлежащей
одной местной семье. В нижней части долины, у реки, семья расчистила землю
под пастбища, но на возвышенностях и вокруг фермы рос старый, нетронутый и
полный невероятных видов облачный лес. От хижины до фермы было 45 минут ходь-
бы, оттуда до города - час езды по горной дороге, причем на машине с полным
приводом и цепями на колесах. Здесь не было ни водопровода, ни телефона, ни
электричества, но полный мхов пышный, влажный облачный лес представлял собой
рай для герпетолога. Липе начала работу над докторской диссертацией весной
1991 года и оставалась на месте в течение следующих двух лет. Дни она прово-
дила, гуляя по мшистым камням, в изобилии разбросанным по ручьям. Измеряла
головастиков, отыскивала яичные массы на листьях растений. В темное время су-
ток искала те виды лягушек и других существ, которые ведут ночной образ жиз-
ни.
В декабре 1992 года Липе отправилась домой на рождественские каникулы, а
когда она вернулась в новом году, то обнаружила, что лягушек стало меньше. К
следующему году они совсем исчезли, что не коснулось других видов животных и
растений - все осталось по-прежнему. Место поисков находилось в биосферном
заповеднике Ла-Амистад - на охраняемой территории, где не вырубали деревья и
не прокладывали дороги, и отсутствие лягушек стало единственным изменением.
Те немногие лягушки, которых Липе обнаружила, были уже мертвыми или медленно
умирали. По ее словам, это редкое явление, потому что обычно птицы и змеи бы-
стро расправляются со слабыми или только что умершими особями. Для сравнения
она отправила семь из найденных лягушек вместе с несколькими здоровыми пато-
логоанатому, который заметил что-то странное в их коже, но не понял, что
именно, и не смог определить причину смерти. В отсутствие какой-либо очевид-
ной причины Липе задавалась вопросом, не связано ли сокращение численности
лягушек на участке с ее исследовательскими действиями. А может, во всем вино-
ваты токсичные химикаты, изменение режима осадков или какая-нибудь болезнь -
бактериальная или вирусная эпидемия? Вопросов было много, в отличие от отве-
тов. Защитив диссертацию, но лишившись самого объекта исследований, Липе пе-
реехала из Коста-Рики в западную Панаму, где продолжила свою работу.
В конце 1980-х годов ученые заметили и обеспокоились исчезновением популя-
ций лягушек в США., Австралии, Коста-Рике и Мексике. Леса и тропические дерев-
ни, когда-то наполненные лягушачьим пением, затихли. Выдвигались самые разные
теории: изменение климата, потеря среды обитания, засуха, ультрафиолетовое
излучение, пестициды и вирусы. Некоторые потери были настолько масштабными и
внезапными, что это вызывало споры: а действительно ли это «потери» или же
люди стали свидетелями экологии в действии, в которой взлеты и падения при-
родных популяций являются естественными процессами? Еще до того, как Липе на-
чала работать в облачном лесу, полностью исчезла популяция оранжевых жаб, ко-
торые когда-то в изобилии населяли север заповедника Монтеверде в Коста-Рике.
По словам одного из исследователей, десятилетием раньше в зависимости от года
там можно было встретить сотни или тысячи жаб. Очевидного объяснения исчезно-
вений не было, но все, что происходило, совершенно точно обычным не являлось.
Лягушки начинают свою жизнь под водой в виде головастиков. Они похожи на
рыб и дышат с помощью жабр, которые извлекают кислород из воды, когда она
проходит по рядам дыхательных клеток с высокой васкуляризацией. Как и у дру-
гих земноводных, у лягушек со временем развиваются легкие, позволяющие им
жить на суше, однако, несмотря на это, большинство из них не отходит далеко
от воды и абсолютно все возвращаются к ней, когда приходит время размножать-
ся. Одни виды лягушек проводят в воде всю жизнь, а у других, в том числе у
многих разноцветных лягушек-древолазов, которые являются ядовитыми, все про-
исходит наоборот. Например, земляничная дротиковая лягушка Пумилио размножа-
ется на подстилке из листьев, а затем переносит каждого только что вылупивше-
гося головастика на спине и выпускает в крошечный бассейн с водой, который
образуется между слоями листьев бромелиевых, - по одному головастику на бас-
сейн . Она также сбрасывает в воду неоплодотворенные икринки, чтобы головасти-
ки могли ими кормиться. Раньше существовали так называемые заботливые лягуш-
ки, которые могли размножаться на суше. Чтобы обеспечить подходящую безопас-
ную водную среду для личинок, лягушка-мать проглатывала оплодотворенные ик-
ринки, и лягушата созревали в ее желудке. Этот вид вымер в 1983 году, и никто
точно не знает почему. Причины рассматриваются разные: от разрушения среды
обитания до загрязнения и болезней.
Лягушки и другие амфибии и рептилии - эктотермы, то есть, способны незначи-
тельно контролировать собственную температуру. Если погода теплая, им тепло.
Если прохладно, то их тела прохладные.
Древесная лягушка, обитающая на Аляске, практически замерзает на
семь-восемь месяцев в году: ее тело медленно застывает, а печень начинает вы-
рабатывать сахар, который действует как антифриз, обеспечивая выживание. Со
временем кристаллы льда вырастают в кишечнике и пространствах вокруг сердца,
мозга и других органов, и лягушка замерзает, а затем, когда возвращается бо-
лее теплая температура, оживает. Но миф о том, что лягушки в кипящей воде не
замечают жара, пока не становится слишком поздно, не соответствует действи-
тельности . Если у них есть возможность выпрыгнуть, они это сделают.
Лягушки различаются не только по цвету, но и по размеру. Одни из них разме-
ром с ноготь большого пальца, а другие достаточно велики, чтобы питаться пти-
цами и мышами. Почти все они имеют зубы, пьют через кожу и обладают липкими
языками, которыми ловят добычу. Большинство лягушек - хищники с разнообразным
рационом, в который входят личинки, летающие насекомые, улитки и все осталь-
ное , что они могут поймать языком и запихнуть в рот. Существуют и безъязычные
лягушки - для хватания пищи они используют передние лапки. Врагов у лягушек
много, включая птиц, мелких млекопитающих и змей, а некоторые виды защищают-
ся, выделяя через кожу ядовитые химические вещества. Ядовитые древолазы
Dendrobates вооружены горькими и высокотоксичными алкалоидами, а их разно-
цветная кожа отпугивает потенциальных хищников. Большинство ученых сходятся
во мнении, что лягушки не производят свой яд, а получают его из пищи. Алка-
лоиды - сложные, часто биологически активные химические вещества, что делает
их потенциально полезными для исследователей, ищущих новые лекарства от боли
при раке и различных недугах. Некоторые алкалоиды являются галлюциногенами.
Кожа лягушки выделяет ее среди других животных не просто цветом и текстурой
- это удивительный орган. Она проницаема для кислорода, что помогает лягушкам
дышать, усеяна слизистыми железами, которые выделяют слизь для поддержания
влажности кожи, и, как и наша кожа, наполнена сложным и потенциально полезным
микробиомом. Кожа - это первая линия защиты от болезней, и лягушки, как и
другие позвоночные, обладают относительно развитой иммунной системой с диффе-
ренцированными иммунными клетками, такими как Т-клетки и макрофаги, а также
клетками, вырабатывающими антитела. Кожа лягушки также регулирует уровень
электролитов, таких как соли, сахара, калий и другие важные молекулы. Лягушки
зависят от того, насколько их кожа способна выполнять необходимые функции,
именно поэтому для них особенно опасны кожные заболевания.
У животных, включая и человека, и грибы, был один общий предок - это клетка
с бьющимся хвостом, называемым жгутиком, который двигал ее вперед через вод-
ную среду, подобно сперматозоиду. Примерно миллиард лет назад «потомки» этой
клетки разошлись, чтобы однажды стать животными и грибами. Поколение за поко-
лением они развивались и отдалялись, формируя ветви сложного взаимосвязанного
древа жизни, пока оно не стало таким, каким мы его знаем сегодня. Со временем
растения, животные и грибы, которые когда-то были полноправными обитателями
водного пространства, перебрались на сушу. Растения пустили корни, животные
стали ползать, плавать и летать, а грибы смешались со всем растительным, жи-
вотным и бактериями и в большинстве своем утратили способность самостоятельно
передвигаться - они стали полагаться на воздушные потоки и животных, которые
могут переносить споры.
Один из видов, называемый Chytridiomycota, или хитридомицеты, также извест-
ные как хитриды, раньше других отделился от генеалогического древа грибов и
сохранил хвостовой придаток, поэтому его споры подвижны. Как и многие другие
грибы, хитриды являются сапротрофами, то есть питаются в основном отмершими
останками живых существ, поглощая их извне, переваривая и после преобразуя
остатки. Некоторые из них также паразитируют на живых организмах. Когда гри-
бок поселяется на источнике пищи, длинные, похожие на корни структуры, назы-
ваемые ризоидами, проникают в ее ткани. Питаясь, хитриды, как и другие грибы,
выделяют ферменты, растворяющие растения, микробы или животных в пище. Полно-
ценный хитридный грибок, или слоевище, похож на зловещую кнопку-смайлик, от-
растившую обширные корни. Со временем формируется округлая структура - зоо-
спорангий (грибной пузырек, или спорангий), который заполняется жгутиковыми
зооспорами. Поскольку они подвижны, то обладают определенной активностью и,
как только высвобождаются, сразу ищут нового хозяина. Некоторые хитриды выби-
рают водоросли, другие заражают грибы - выбор хозяина отличается разнообрази-
ем. Важно то, что грибок ищет в пище, как хитин, так и кератин5, а источником
последнего может выступать кожа земноводных.
Хитридомицеты и их споры.
Когда Липе перенесла свои полевые изыскания в Панаму, она была полна на-
дежд . Это был новый проект в новом месте за сотни миль от предыдущего. Она
проложила в лесу трансекты, или линейные тропы, чтобы изучить популяции лягу-
5 Один из способов привлечь споры хитрид - предложить кусочки богатых хитином панци-
рей креветок и насекомых, оставшиеся после линьки.
шек, змей, саламандр и ящериц: «Чтобы выяснить, что там есть, и решать инте-
ресные задачи». Это было место, куда она могла бы возвращаться и изучать его
десятилетиями. Но в декабре 1996 года стало ясно, что там происходит нечто
странное. Лягушек было легко заметить днем: они сидели на земле, а не на ли-
стьях, которые нависали над ручьями. Липе вспоминала: «Мы брали лягушку в ру-
ки, и она тут же умирала». В какой-то момент она задалась вопросом, не явля-
ется ли выбранное для исследования место одним из тех, где таинственным обра-
зом исчезают лягушки: «Я как будто оказалась в центре тайны, но не знала об
этом».
В период с 1996 по 1998 год в Национальном зоопарке в Вашингтоне погибли от
неизвестного кожного заболевания несколько видов лягушек, включая голубых,
красящих древолазов и древесных лягушек Уайта. Ученые заподозрили наличие
хитридных грибков, но не смогли определить конкретный вид, поэтому отправили
образцы Джойс Лонгкор, микологу из Университета Мэна, которая была известна
тем, что занималась поисками и идентификацией необычных грибов. Лонгкор опи-
сала образец как ранее не идентифицированный вид хитрид, а год спустя, в
1999-м, при поддержке ученых зоопарка дала ему имя - Batrachochytrium
dendrobatidis, или Bd. Оно было указано в статье, описывающей патогенный для
лягушек хитридный грибок, который стал первым известным грибком, паразитирую-
щим на живых позвоночных. Таким образом, исследуя особенности необычной ля-
гушки, Карен Липе задокументировала появление Bd - хитридного грибка, убиваю-
щего целые виды.
Когда грибок Bd поселяется на коже лягушки, он прорастает, выпуская корне-
подобные ризоиды. Есть основания полагать, что, захватив организм, он может
даже подавить иммунный ответ лягушки. Попав внутрь, хитриды питаются керати-
ном и другими питательными веществами, клонируя себя до тех пор, пока зооспо-
рангии не заполнятся, а их при заражении лягушки могут образовываться сотни
или тысячи. Когда каждый из них заполняется зооспорами, зооспорангии поднима-
ются сквозь кожу лягушки на стеблях, похожих на растения. Таким образом мил-
лионы подвижных зооспор оказываются выпущены в окружающую среду в поисках но-
вых хозяев. Болезнь оставляет кожу лягушек висеть клочьями. Зараженные живот-
ные борются за кислород, а электролиты выходят из равновесия. Смерть наступа-
ет в результате сердечного приступа.
Прошло более 30 лет с тех пор, как Карен Липе впервые отправилась в облач-
ные леса Коста-Рики, чтобы изучать лягушек. А в 2019 году уже десятки ученых,
включая исследовательницу, писали о разрушениях, вызванных Bd: «Это самая
большая задокументированная потеря биоразнообразия, наступившая в результате
действия патогена». До появления Bd никто не знал, что какая-либо болезнь мо-
жет иметь настолько страшные последствия. Теперь мы знаем.
Гладкую шпорцевую лягушку (Xenopus laevis) нельзя назвать красивой. Она
скорее невзрачная: у нее широкая плоская голова, бородавчатое гряз-
но-коричневое тело и длинные тонкие пальцы. В отличие от многих других лягу-
шек, у нее нет языка, и она может всю жизнь прожить в аквариуме с водой. И
все же лягушка, живущая к югу от Сахары, - одна из самых продаваемых амфибий
в мире.
Путешествие этого вида началось вскоре после 1928 года, когда английский
эндокринолог Ланселот Хогбен высадился в Кейптауне, который находится в Южной
Африке. Хогбен изучал влияние гормонов гипофиза на состояние кожи амфибий, а
гладкая шпорцевая лягушка меняла цвет в зависимости от условий окружающей
среды. Она могла быть настолько темной, что казалась почти черной, или на-
столько бледной, что ее можно было посчитать белой. Когда Хогбен удалил у не-
скольких особей гипофиз - маленькую железу, расположенную прямо под мозгом, -
они остались практически белыми. Решив подкрепить полученный результат допол-
нительными данными, Хогбен ввел самке лягушки гормоны гипофиза, полученные от
быка, в качестве своеобразной гормональной замены. Она, в свою очередь, вы-
пустила яйца. При этом не имело значения, находился ли рядом самец, чтобы
стимулировать процесс метания икры, - гормон быка побудил лягушку к овуляции.
Xenopus laevis.
В 1931 году Хогбен и его коллеги опубликовали результаты исследования функ-
ции гипофиза и яичников у гладких шпорцевых лягушек, а спустя некоторое время
ученые определили, что хорионический гонадотропин человека, известный как
ХГЧ, способен вызывать овуляцию у лягушек. Этот гормон циркулирует в крови
беременных женщин, а еще легко обнаруживается в моче. Сделанное учеными от-
крытие привело к тому, что лягушек стали широко использовать для определения
беременности, а этот способ в итоге получил название «тест Хогбена».
Лягушки произвели революцию. В то время для определения беременности ис-
пользовались кролики, которым вводили женскую мочу с помощью шприца. Старая
поговорка «кролик умер» означала не только беременность, но и в буквальном
смысле смерть животного, которое через несколько дней умерщвлялось, потому
что иначе изменения в организме было невозможно определить. Если яичники ока-
зывались увеличены - значит, женщину считали беременной. «Кроличий тест» был
грязным и смертельно опасным делом, так что использование для этих целей ля-
гушек открывало большие перспективы. Врачи просто вводили им образец женской
мочи, и лягушки либо выпускали свои икринки в аквариумы, в которых они содер-
жались, либо нет. Овулирующие лягушки давали ответ в течение дня и в резуль-
тате положили конец убийству и вскрытию кроликов. А поскольку лягушки жили в
аквариуме с водой, их было легко содержать в лаборатории или перевозить по
всему миру. С 1930-х и до конца 1960-х годов многие тысячи гладких шпорцевых
лягушек успешно определяли беременность и содержались в качестве домашних пи-
томцев в самых разных уголках планеты, что к 1970 году сделало их одними из
самых распространенных амфибий в мире.
Многие лягушки, использованные для испытаний, были доставлены из Южной Аф-
рики. Там возле города Стелленбош находится заповедник Йонкершук, в котором
работает инкубаторий. Правда, его мощностей не хватило, чтобы закрыть спрос,
поэтому пришлось призвать на помощь сборщиков - за каждую лягушку, найденную
в естественной среде обитания, им платили по 65 центов. К 1969 году инкубатор
отгрузил более 400 тысяч особей, и половина этих поставок распространялась на
разные страны. К тому времени стали появляться сообщения о том, что гладкие
шпорцевые лягушки найдены в озерах и прудах на острове Уайт, а также в Аризо-
не, Флориде, Калифорнии и других регионах США, Европы и Японии. Популяции бы-
ли обнаружены также в Чили и Португалии. Вместе с лягушками, поставляемыми
частными импортерами, шпорцевые лягушки теперь плавали в аквариумах на всех
континентах. Некоторые из них неизбежно сбегали, а других «гуманно» выпускали
в местные пруды после того, как они переставали быть любимыми питомцами или
объектами для опытов.
Вирус Bd распространялся настолько быстро, что, когда он захватил большую
часть территории, люди все еще не догадывались об этом. К сожалению, трудно
восстановить весь его путь, потому что путешествия в прошлое до сих пор не-
возможны, а без них не определить, как распространялся хитрид и какие популя-
ции он затронул. Известно, что грибок перемещался вместе с лягушками, которых
перевозили для торговли, но какие именно виды были носителями, остается за-
гадкой .
Вэнс Вреденбург, эколог по болезням из Государственного университета
Сан-Франциско, отслеживает развитие болезней во времени и пространстве по со-
хранившимся музейным образцам. На протяжении веков коллекционеры, очарованные
разнообразием природы, прочесывали леса, ручьи и горы в поисках лягушек,
змей, летучих мышей и других существ. Образцы животного мира не обязательно
были нужны живыми, поэтому их потрошили и сушили или помещали в банку, напол-
ненную формалином. Благодаря этанолу они могли храниться если не вечно, то
сотни и сотни лет. Однако формалин влияет на ДНК, о чем коллекционеры долгое
время не догадывались, поскольку мир узнал о ее существовании только в сере-
дине XX века, - до этого времени состав генетического материала оставался за-
гадкой. Никто из коллекционеров прошлого не мог себе даже представить, что
спустя десятилетия ученые будут изучать собранные ими образцы, чтобы раскрыть
тайны грибов, способных вызывать пандемии.
С 2004 по 2008 год Вреденбург изучал в Калифорнии горных желтоногих лягу-
шек. Полем для его исследований стали десятки прудов национальных парков «Се-
квойя» и «Кингс-Каньон», где все четыре года он наблюдал пейзажи, усеянные
тысячами и тысячами мертвых лягушек. Эта картина изменила взгляд Вреденбурга
на науку и природу. «Мы были так неправы. Мы сто лет занимались экологией бо-
лезней и столько же ошибались, не представляя, насколько разрушительным может
быть всего лишь один патоген». Теперь он держит в своем кабинете банки, на-
полненные сотнями мертвых лягушек, чтобы они напоминали ему о том, как быстро
все может измениться.
Вреденбург задался вопросом, нет ли связи между пандемией, вызванной хит-
ридным грибком, и гладкими шпорцевыми лягушками, путешествующими по миру. Они
переносят Bd, но не болеют, что делает их бессимптомными носителями или даже
потенциальными суперраспространителями. Чтобы проверить свою гипотезу, Вре-
денбург обратился к ДНК. Он брал пробы лягушек (живых или мертвых) , амплифи-
цировал ДНК, а затем искал в ней определенную последовательность, характерную
для грибков. Если последовательность находилась, то в большинстве случаев это
был хитрид. Метод, который использовал Вреденбург, был разработан в лаборато-
рии в Австралии и требовал всего лишь фрагмент ДНК, что позволило ему изучить
лягушек с беспорядочной ДНК, хранящихся в архиве. Генетический маркер, кото-
рый он искал, был относительно небольшим и многочисленным. По его словам,
этот тест в какой-то степени похож на мазок, который берется, чтобы диагно-
стировать COVID-19, недостаток лишь в том, что он дает довольно общий резуль-
тат . Он может определить, что грибок присутствует, но для различения разных
его линий требуется более глубокое генетическое секвенирование.
В 2012 году Вреденбург смог достать несколько образцов лягушек из старых
музейных запасов. Они были собраны в Кении и Уганде в 1930-х годах или рань-
ше, и три из них, как оказалось, содержали хитридный грибок. Время, распро-
странение и отсутствие у гладкой шпорцевой лягушки чувствительности к данному
грибку - все это было подозрительно. Принято считать, что со временем болезнь
становится менее патогенной. Это происходит потому, что, с одной стороны, па-
тоген, который убивает быстро и часто, вымирает вместе со своим хозяином, а с
другой - популяция, которая долго живет с болезнью, становится более устойчи-
вой или толерантной. Полученные данные позволили Вреденбургу предположить,
что одним из способов перемещения грибка было передвижение на спинах гладких
шпорцевых лягушек. По его словам, история распространения Bd по всему миру
невероятно сложна, и, скорее всего, существует несколько маршрутов и видов, с
которыми грибок путешествовал. «Но, похоже, родиной патогена является Азия».
Исследование, которое позволило установить происхождение хитридного грибка,
возглавили Саймон О'Хэнлон и его научный руководитель Мэтью Фишер, а также
Липе и десятки других ученых. Фишер, будучи профессором Имперского колледжа
Лондона, изучает появление патогенных грибков разных видов. До этого исследо-
вания в качестве предполагаемой родины хитридного грибка рассматривались Се-
верная Америка, Южная Америка, Япония и Восточная Азия. В рамках проводимой
работы удалось определить еще одну переменную в этом уравнении - возраст вы-
соковирулентной линии, охватившей весь мир и получившей соответствующее обо-
значение: Bd-GPL, то есть глобальная панзоотическая линия. В одном исследова-
нии предполагалось, что она возникла около века назад, в другом - 20 тысяч
лет назад. Когда популяция грибов (или любого другого организма) отделяется
от других во времени, пространстве или на обоих уровнях, а отдельные особи
размножаются, могут происходить небольшие, случайные генетические изменения.
Если времени хватает, как и количества изменений, популяции могут быть иден-
тифицированы как различные линии. Иногда эти изменения позволяют специалистам
по отслеживанию заболеваний определить возраст популяции или маршрут, по ко-
торому она перемещалась. О'Хэнлон и его коллеги секвенировали геномы сотен
образцов хитрид, собранных на всех континентах, подвергшихся их воздействию,
и результаты указывают на общего предка, который обитал где-то на Корейском
полуострове в промежутке между 120 и 50 годами назад.
Тот факт, что в регионе есть несколько видов лягушек, которые переносят
грибок, но не страдают от него, - еще один ключ к разгадке его происхождения.
Обнаружение бессимптомных лягушек с Bd-хитридом также предполагает, что жи-
вотные, собранные и проданные в местах вокруг Корейского полуострова, являют-
ся возможными носителями патогена. От места своего происхождения грибок путе-
шествовал по миру и эволюционировал в несколько различных генетических линий.
Вывод О'Хэнлона и его коллег отрезвляет: «В конечном счете наша работа под-
тверждает, что панзоотия возникающих грибковых заболеваний амфибий вызвана
древними закономерностями... которые дополняются по мере того, как практически
неограниченная глобальная торговля животными переносит патогены в новые ре-
гионы , заражая новых хозяев и вызывая вспышки заболеваний».
Каждую секунду миллионы животных в клетках, ящиках и цистернах перемещаются
по миру. Только в порты Соединенных Штатов ежегодно прибывают 200 миллионов
животных, что составляет примерно 600 тысяч особей в день. Плюс еще три тон-
ны, поскольку некоторых животных просто пересчитывают по весу. На наших бере-
гах без особого шума оказываются более двух тысяч различных видов животных,
включая сотни видов птиц, рептилий, амфибий, обезьян и пауков из Сингапура,
Гонконга, Перу и других стран. Одни из них покупаются и продаются на продо-
вольственных рынках и в ресторанах. Другие отправляются в исследовательские
лаборатории. Около половины живого импорта предназначено для зоомагазинов и,
в конечном счете, оказывается в наших домашних аквариумах или террариумах. За
десять лет Европейский союз импортировал более 20 миллионов одних только реп-
тилий. Эта легальная торговля животными представляет собой, как говорят уче-
ные, «самую крупную и сложную биржу в мире». Другие же видят в ней бесконеч-
ный конвейер болезней.
Многие из миллионов животных, перемещающихся по миру, путешествуют на борту
огромных грузовых судов, называемых контейнеровозами. Самый большой из них
перевозит более 20 тысяч морских контейнеров. Добавьте сюда авиаперевозки - и
количество животных, легально и нелегально перемещающихся по миру в любой мо-
мент времени, поразит ваше воображение. В течение шести лет герпетолог Джона-
тан Колби работал инспектором Службы охраны рыбных ресурсов и диких животных
США. в Ньюарке, штат Нью-Джерси. Этот порт является третьим по загруженности в
стране, и через него проходят, делая остановку, дикие животные, еще недавно
жившие в дикой природе, а теперь заключенные в клетки и ящики. Отсюда лягуш-
ки, другие амфибии и их собратья по несчастью расходятся по зоомагазинам и
прочим новым местам своего обитания. Колби, ныне биолог по охране природы и
консультант по торговле дикими животными, написал статью о своем опыте работы
инспектором, которая была опубликована в журнале National Geographic в 2020
году. В ней он описал наблюдаемую каждый день картину как постоянно сменяю-
щийся «калейдоскоп» жизни, через который вместе с миллионами животных, прибы-
вающих в Соединенные Штаты, может легко проскочить, оставшись незамеченным,
любой новый или потенциальный патоген.
Если бы все эти лягушки, птицы, рыбы и змеи никогда не выходили за пределы
дома или магазина, торговля ими не имела бы особого значения для экологии. Но
при таких количествах кто-нибудь неизбежно проскальзывает сквозь пальцы и
оказывается на улице, а затем и дальше - среди местной фауны, что приводит к
удручающим последствиям. Таким образом питоны, прибывшие из Бирмы, оказались
в национальном парке «Эверглейдс», где с ужасающей скоростью стали пожирать
местную фауну, а вина за это лежит на нерадивых владельцах экзотических до-
машних животных, не уследивших или выпустивших опасного питомца в дикую при-
роду.
Аналогичным образом из аквариумов попало в теплые воды Флориды несколько
крылаток - колючих, ядовитых, агрессивных и плодовитых рыб. В отсутствие
опасных для них хищников в новой среде обитания популяция крылаток разнеслась
по округе, подобно взрыву, и десятки местных видов рыб оказались под угрозой
исчезновения. Один биолог сказал, что никогда не видел, чтобы рыба «так быст-
ро колонизировала столь обширный географический ареал». Змееголовы, обитающие
в Африке и Азии, проникли в водоемы и пруды США, и предполагается, что это
случилось с легкой руки любителей, собиравшихся выращивать их для употребле-
ния в пищу. Возможно, некоторым удалось избежать заточения благодаря движению
за освобождение животных, в основе которого лежит религиозное побуждение спа-
сти живых существ из неволи. Однако сострадание в данном случае может привес-
ти к результату, совершенно противоположному желаемому, и, выпуская животных
в дикую природу, люди порой ей вредят.
Мэтт Арме - один из многих поклонников экзотических рептилий. Он вырос в
Норфолке, на востоке Великобритании, и, несмотря на то, что знал о природе
разве что от телеведущих Стива Ирвина и Дэвида Аттенборо, держал в своей
спальне ящериц. В подростковом возрасте Мэтт устроился работать в магазин эк-
зотических животных, где продавал амфибий, рептилий, рыб и беспозвоночных. По
его словам, это было потрясающе, тем более что в рамках своей работы он начал
разводить и содержать в магазине сотни различных животных. Десятки видов за-
тем продавались другим, таким же, как он сам, почитателям гекконов, ящериц и
змей. Работая в сфере торговли животными, Мэтт ощутил, что привычный ему мир
больше никогда не станет прежним, ведь в нем настолько велико животное разно-
образие . Например, его воображение поразил карликовый геккон Вильямса
(Lygodactylus williamsi), самки которого обладают зелено-бирюзовым цветом, а
самцы в период размножения становятся ослепительно-голубыми. Этот геккон оби-
тает в небольшом регионе Танзании, находится под угрозой исчезновения, охота
на него и дальнейшая продажа запрещены.
Сейчас Арме является экологом и проводит свои дни за отловом и мониторингом
рептилий и амфибий в Великобритании. Он больше не работает в магазине и соби-
рается когда-нибудь вернуться в аспирантуру. Возможно, даже поможет спасти от
исчезновения карликовых гекконов Вильямса. Исходя из своего прошлого опыта
торговли животными, Арме обеспокоен угрозой занесения новых болезней, от ко-
торых могут пострадать местные виды. Большинство владельцев экзотических жи-
вотных, говорит он, страстно любят своих питомцев и не желают им зла. Но тор-
говцы, любители и другие люди, которые контактируют с животными, не всегда
хорошо осведомлены о том, как их содержать и разводить, а также как торговать
ими. Это не только их вина, считает Арме. Хозяева просто не знают, что явля-
ется правильным в той или иной ситуации. Да и в мире в целом не существует
требований к тестированию или мониторингу заболеваний у продаваемых животных.
Все это привело к тому, что торговля живым товаром превратилась в поле, сво-
бодное для перемещения грибковых патогенов.
Эпидемиолог Мэтью Фишер говорит об этом следующим образом: «Все, что вы пе-
ремещаете из одной среды в другую, уже колонизировано чем-то. И это нечто мо-
жет быть неизученным и представлять собой потенциальную угрозу». Каждое им-
портированное животное приносит с собой собственное сообщество вирусов, бак-
терий и грибков. Даже незначительный для одного вида патоген при необходимых
условиях может стать началом пандемии для другого вида. Одно или два поколе-
ния назад, когда гладкие шпорцевые лягушки и их собратья начали распростра-
няться по миру, болезни тоже путешествовали между континентами, однако ско-
рость , с которой это происходит сегодня, шокирует.
Существуют национальные и международные законы, регламентирующие присмотр
как за видами, находящимися под угрозой исчезновения, так и за видами, кото-
рые, как известно, могут стать инвазивными, то есть угрожать другим. И это
лишь малая часть представителей фауны, ежесекундно перемещающихся по миру.
Большинство лягушек, рыб и других животных, которые проходят через порты
Нью-Йорка или Лос-Анджелеса и предназначаются для продажи в зоомагазинах, не
проверяются на наличие заболеваний, и нет закона, который требовал бы, чтобы
кто-то этим занимался. Стоит отметить, что речь идет о животных, которые про-
даются легально. Потому что черный рынок, на котором процветает нелегальная
торговля животными, гораздо более огромный. Арме упоминает зеленого древесно-
го питона - змею яркой окраски из Индонезии, которую запрещено ловить в дикой
природе и продавать, но которую можно разводить на специальных фермах для
этой цели. Выведенные таким образом змеи могут быть легально экспортированы
из страны происхождения, однако, если верить цифрам, они продаются в таком
количестве, что сложно уследить, какие именно особи соответствуют всем прави-
лам продажи. Это значит, что среди продаваемых змей есть большое количество
выловленных в дикой природе в обход закона. Сама природа нелегальной торговли
животными затрудняет количественную оценку ее масштабов, но недавние исследо-
вания показывают, что количество перемещаемых животных и растений, а также
последствия этого процесса для мира сильно недооцениваются.
Глобальная торговля животными, по словам некоторых ученых, создала «дейст-
вующую Пангею нового образца для инфекционных заболеваний в дикой природе».
Именно это беспокоит таких ученых, как Арме, Вреденбург, Липе и других, заин-
тересованных в том, чтобы обезопасить диких животных от болезней, распростра-
няющихся по всему миру.
Гладкие шпорцевые лягушки считаются суперраспространителями хитридного
грибка, но другие виды, вероятно, тоже внесли свою лепту в его экспансию.
Вреденбург считает, что роль в распространении болезни могли сыграть амери-
канские лягушки-быки (Rana catesbeiana), обитающие в болотах и прудах к вос-
току от Скалистых гор. Поскольку их лапки пользуются среди гурманов спросом,
лягушек-быков стали экспортировать и разводить по всему миру. Но выращивание
десятков тысяч лягушек - это верный путь к созданию будущего захватчика, по-
этому неудивительно, что в 2005 году с подачи Международного союза охраны
природы и природных ресурсов этот вид присоединился к радужной форели в спи-
ске ста самых страшных инвазивных видов в мире. В 2018 году лаборатория Вре-
денбурга обнаружила сильную корреляцию между вторжением лягушек-быков к запа-
ду от Скалистых гор и ростом численности Bd на американском Западе - именно
там, где горная желтоногая лягушка и другие виды значительно пострадали от
грибка.
Как и лягушки, многие виды саламандр очень восприимчивы к хитридному гриб-
ку. Саламандры также являются земноводными: большинство из них вылупляются из
яиц в прудах и ручьях и проводят большую часть своей взрослой жизни на суше.
Они питаются червями, личинками, в том числе комариными. Эти яркие, красочные
животные пугливы, медлительны и напоминают доисторических рептилий из фильмов
категории В, только на самом деле они не являются рептилиями. Грибок, убиваю-
щий саламандр, называется Batrachochytrium salamandrivorans, или Bsal, и он
тоже, скорее всего, был завезен из Азии (при этом некоторые саламандры также
восприимчивы к Bd). Через пару лет после обнаружения в Европе болезнь распро-
странилась по Нидерландам, Германии, Испании и Бельгии, уничтожив популяции
огненной саламандры - обладательницы яркой окраски. До Северной Америки, где
обитает чуть меньше половины из более чем 700 известных видов саламандр, бо-
лезнь пока не добралась. Приблизительно 77 из них живут в прудах и ручьях юж-
ных Аппалачей, что делает этот регион особенно уязвимым для грибка. Если Bsal
распространится по региону, исследователи опасаются неисчислимых потерь. А
учитывая спрос на этих экзотических животных и слабый контроль над болезнями,
многие - в том числе Липе и Вреденбург - считают, что это вопрос времени. Не
«если» грибок поразит американских саламандр, а «когда».
Мир теряет лягушек, и большинство из нас этого не замечают. Весенним вече-
ром, когда водоемы и болота достаточно прогреваются, мы можем слышать песню
пискуна или гортанное кваканье древесной лягушки, но редко наблюдаем их вжи-
вую. Когда весна проходит и брачный период заканчивается, легко забыть о том,
что лягушки вообще существуют.
Но лягушки являются неотъемлемой частью давно сформировавшихся в дикой при-
роде динамичных сообществ. Лягушки едят, и их тоже едят, поэтому, если их не
станет, произойдет разрыв в пищевой цепи, который распространится и повлияет
на другие виды животных. В феврале 2020 года змея, поедающая лягушку, попала
на обложку журнала Science. Соответствующая этому фото статья стала кульмина-
цией более чем десятилетней работы Липе и ее коллег. Команда организовала
долгосрочный мониторинг в Национальном парке около Эль-Копе в Панаме, чтобы
задокументировать воздействие Bd-хитрида. «Мы ожидали, что пострадают змеи, -
говорит Липе, - ведь многие тропические виды питаются земноводными». Поэтому
в течение нескольких лет они дважды в день перебирали все растения, ветки и
камни в поисках лягушек, саламандр, ящериц и змей. Результаты подтвердили
предположения Липе: исчезновение лягушек сказалось на змеях. Некоторые виды
не смогли переключиться с лягушек или лягушачьих яиц на другие источники пи-
тания, поэтому их численность сократилась, а некоторые, казалось, исчезли со-
всем (хотя Липе говорит, что некоторых змей, как известно, трудно обнаружить
даже при самых благоприятных условиях). Это было «восходящее» воздействие на
хищника, стоящего в цепи питания на ступеньку выше.
Лягушки - и добыча, и хищники, поэтому вполне разумно задаться вопросом,
что происходит при их исчезновении с насекомыми, улитками и другими видами,
которыми они питаются. В 2020 году Липе участвовала в другом исследовании,
которое связало сокращение численности лягушек в Коста-Рике и Панаме с ростом
заболеваемости малярией, которую распространяют комары. «Это ранее не выяв-
ленное влияние потери биоразнообразия, - заключили ученые. - Оно иллюстрирует
часто скрываемые издержки благосостояния людей, связанные с неудачей в сохра-
нении природы». В краях, где мало воды, озера являются оазисами, в которых
кипит бурная жизнь: лягушки потребляют то, что водится в их водах, а затем их
поедают наземные хищники. Таким образом, через лягушек проходит пищевая энер-
гия, потому неудивительно, что, когда они вымирают, пищи для обитателей суши
становится меньше.
Смерть любого животного, если она приобретает массовый характер, отражается
на экосистеме, поскольку отсутствие одного звена будет сказываться на связях,
сложившихся много веков назад. Воздействие грибка на дикие виды животных -
это катастрофа, масштаб которой большинство из нас не могут представить, а
многие просто игнорируют. Но когда грибок поразит ряд величественных деревь-
ев, веками стоявших вдоль центральной улицы вашего города, или превратит пыш-
ный зеленый лес в постапокалиптический пейзаж, полный призрачных высохших ко-
ряг , не замечать этого будет гораздо сложнее.
Глава 3.
Катастрофа
Кедрово-яблочный гниющий гриб настолько яркий и красочный, что если бы вы
увидели его без ветки кедра, на которой он обычно растет, то решили бы, что
это оранжевое морское существо.
В мире существует много странных грибов, но ржавчинные - особенно. Они ме-
няют форму, некоторые имеют около пяти видов плодовых тел, выделяющих пять
различных видов спор. Часть из них могут преодолевать километры, если их под-
хватывает ветер, или оседать неподалеку, если его нет. Некоторые споры путе-
шествуют на лапках насекомых и птиц, а когда попадают на лист подходящего хо-
зяина, то прорастают, питаются и, в конце концов, образуют плодовые тела, ко-
торые выпускают новые споры и заражают еще больше растений. Что особенно не-
обычно, многие ржавчинные грибы перемещаются между совершенно разными хозяе-
вами, как в пинг-понге, пока не завершат полный жизненный цикл. По словам од-
ного фитопатолога, ржавчинные грибы - необычные животные: они прекрасно раз-
виваются на одном хозяине, но, если позволить им размножаться на другом, спо-
собны даже взлететь.
Кедрово-яблочный гниющий гриб - родом из Северной Америки. Чаще всего он
селится на кедре (среди предпочтений - восточный красный кедр, который на са-
мом деле является можжевельником виргинским (Juniperus virginiana)) и яблоне.
Может поражать и другие плодоносящие деревья, но яблоню все же чаще. Если у
вас поблизости есть оба дерева, то в зависимости от времени года вы могли за-
мечать коричневые, покрытые пятнами наросты, свисающие с кончиков листьев,
как уродливые украшения. Или студенистые оранжевые «щупальца» - одну из форм
плодовых тел этого гриба. Они появляются весной из наростов, извиваются и на-
поминают каких-то странных существ - такое трудно не заметить. Споры, которые
выделяются из этих репродуктивных структур, разлетаются от дуновения ветерка,
но, чтобы завершить свой жизненный цикл, они должны попасть на яблоко или яб-
лоневый лист (или деревья родственных видов). Если спора не попадает в цель,
цикл заражения кедра и яблони на этом заканчивается. Плоды, пораженные ржав-
чиной, могут вырасти обезображенными и маленькими, а зараженные листья - по-
желтеть и опасть. При сильном заражении или продолжении цикла дерево может
перестать плодоносить, но и яблоня, и красный кедр обычно выживают. Другие
ржавчинные грибы не так милосердны.
Пузырчатая ржавчина, Cronartium ribicola, растет на некоторых белых, или
«мягких», соснах. Как и другим ржавчинным, грибу для завершения жизненного
цикла требуется другое растение, в данном случае смородина и крыжовник - кус-
тарники из рода Ribes. Хотя существуют виды Ribes, произрастающие в Северной
Америке, наибольшие проблемы доставляет черная смородина Ribes nigrum, кото-
рая когда-то пересекла Атлантику вместе с колонистами, после обосновавшимися
в районе Массачусетского залива. Грибок не причиняет особого вреда кустам
смородины, чего не скажешь о соснах, которые могут погибнуть от его воздейст-
вия. Эти хвойные деревья имеют большую ценность, и на протяжении более ста
лет лесники с переменным успехом пытаются бороться с вредом, наносимым гриб-
ком. Однако в наше время исследователи и руководители лесного хозяйства опа-
саются, что пузырчатая ржавчина рано или поздно уничтожит один из самых зна-
ковых видов диких сосен Северной Америки - белокорую сосну.
Cronartium ribicola на белой сосне.
Белокорая сосна (Pinus albicaulis) - это основной вид, помогающий поддер-
живать экосистему в стабильном состоянии и сохранять ее биоразнообразие. Бе-
локорая сосна живет на крутых скалистых склонах и подчас на такой высоте, где
не могут расти другие виды деревьев. Она пускает корни в почву и трещины на
крутых откосах, ей не страшны ни высота, ни суровые погодные условия. Образуя
границу древесной растительности, белокорая сосна как выживает в одиночку,
цепляясь за голые скалы, так и образовывает островки - изолированные скопле-
ния низкорослых хвойных деревьев, обеспечивающих пищу и убежище для сообщест-
ва растений и животных. В зависимости от места произрастания, под ней образу-
ется разнообразный подлесок, среди которого можно найти полынь, чернику и
другие ягоды, медвежью траву, осоку и вереск. Белокорые сосны обитают в за-
падных субальпийских лесах умеренного пояса, в некоторых регионах переплета-
ясь ветвями с родственными им мягкой сосной, елью, пихтой, болиголовом, аль-
пийской лиственницей и пихтой Дугласа. Шишки данного вида дают удивительно
крупные семена, которые богаты жиром. Рыжие белки запасают их на зиму, но
часть из этих запасов крадут гризли и черные медведи, которые также любят бо-
гатую калориями пищу. Однако самым полезным потребителем семян белокорой со-
сны является североамериканская ореховка - птица, которая, как и белка, пря-
чет семена в тайниках. При этом прячет больше, чем может съесть, а значит,
при правильных условиях некоторые из этих семян прорастают. Так происходит
размножение белокорой сосны. Не только птицы зависят от деревьев, но и дере-
вья зависят от птиц.
Если вы посмотрите на карту американского Запада, то увидите две полосы,
идущие от прибрежных хребтов Британской Колумбии на юг через Каскадные горы и
вниз по Сьерра-Неваде - там растут белокорые сосны. К востоку находится еще
одна полоса, идущая от канадских Альберты и Британской Колумбии вниз по хреб-
там Скалистых гор в Монтане и Вайоминге. Эти деревья населяют наши националь-
ные парки, включая Йосемити, озеро Крейтер, Глейшер и Йеллоустон, и являются
важными членами трех крупнейших систем дикой природы на Западе. Если вы ходи-
ли в походы по этим регионам, то наверняка встречали белокорую сосну и даже
восхищались ею.
Белокорые сосны олицетворяют нетронутый человеком лес, дух природы. Они -
стражи, отделяющие цивилизованный мир от дикой природы, крепкие старые дере-
вья, пережившие столетия непогоды, нашествий насекомых и болезней. Ученые
опасаются, что пузырчатая ржавчина, уничтожающая их, может оказаться слишком
серьезным вызовом.
История упадка белокорой сосны начинается с ее двоюродной сестры, величест-
венной белой восточной сосны, Pinus strobus. Обе относятся к пятихвойным -
группе деревьев, чьи иголки растут пучками по пять штук. Все сосны - хвойные,
представители древней группы, называемой голосеменными, что делает их дальни-
ми родственниками таких доисторических представителей, как деревья гинкго и
папоротниковидные саговники. Секвойя, она же красное дерево, тоже относится к
хвойным породам, как остистая сосна и болиголов. Большинство хвойных деревьев
получают энергию через вечнозеленые игольчатые листья, а у некоторых, напри-
мер можжевельников, листья покрыты крошечными чешуйками, делая их похожими на
кожу рептилий. В отличие от кленов, дубов и других подобных им деревьев,
хвойные не цветут, вместо этого полагаясь на шишки, в которых образуются се-
мена. Мужские шишки производят пыльцу, а женские после оплодотворения - семе-
на . Из более чем ста видов деревьев, относящихся к роду Pinus, восемь видов
пятихвойных сосен произрастают в Северной Америке и всего один - на Востоке,
это белая восточная сосна. Белая западная, сосна Бальфура, сахарная, мягкая,
две остистые, белая юго-западная и белокорая, - все это деревья, произрастаю-
щие на западе, и многие из них выживают в условиях, которые другие деревья
никогда бы не перенесли. Белая восточная сосна предпочитает холод, но не
большую высоту. Она обычно растет в окружении болиголова и северных листвен-
ных пород, занимая территорию от северо-восточного побережья, через район Ве-
ликих озер и вниз по Аппалачам к северу Джорджии. Именно этот вид иногда пер-
вым проникает на заброшенные территории, где почти нет растительности, и дает
начало новому лесу.
Если вы встретите в восточном лесу белую сосну - редкое явление в наши
дни, - то заметите, что она очень высокая, прямая, с толстой и твердой, как
кирпич, корой. Самые крупные из сохранившихся деревьев достигают шести метров
в обхвате и вздымаются на высоту более 50 метров, что соответствует высоте
десятиэтажного дома. Возраст некоторых из них исчисляется сотнями лет. Боль-
шинство (но не все) растут быстро, образуя один неразветвленный ствол, уст-
ремленный в небо. Ирокезы называют белую сосну Деревом Мира: гроздья из пяти
иголок символизируют сплоченность враждующих народов, а зеленый цвет, который
не сменяется вместе с сезоном, - прочный мир. Попробуйте представить себе це-
лый лес этих великанов, и вы поймете, как выглядел материк до прихода евро-
пейцев и вырубки лесов, которая приобрела колоссальные масштабы.
В прошлом белая восточная сосна шла на изготовление корабельных мачт и пи-
ломатериалов . Лесорубы быстро оценили ее свойства и начали вырубать: сначала
по одной, потом сотнями и миллионами. Колониальный британский флот поднимал
паруса на мачтах из белых сосен, вырубленных в лесах Нового Света, а фигуры
орлов и женщин, украшавших носы кораблей, вырезались из так называемой тык-
венной сосны, которую сегодня уже не встретишь. Полы домов и особняков также
устилались широкими сосновыми половицами. В 1691 году, чтобы колонисты не за-
бирали лучшие деревья себе, английская корона издала указ: самые крупные эк-
земпляры, те, что «достигают 24 дюймов в диаметре» и не являются по ранней
договоренности собственностью какого-либо частного лица, принадлежат королю.
Это ограничение вызвало рост недовольства между людьми, которые хотели снаб-
жать родную страну, и теми, кто желал построить новую. Поскольку в Старом
Свете запасы деревьев истощались, англичане стали отправлять семена в Англию,
чтобы вырастить собственные белые сосны, однако те так и не смогли достичь
размеров североамериканских.
Спустя столетия, за которые леса превратились в поля, а поля - в леса, бе-
лых сосен в Новом Свете почти не осталось. К XIX веку лесорубы настолько рья-
но вырубали деревья, что пришлось их спасать. Запасов местных питомников для
этого не хватало - чтобы высадить по всей территории Нового Света недостающие
белые сосны, нужны были сотни тысяч саженцев. По иронии судьбы они нашлись за
океаном, в питомниках Германии, Франции и Голландии, причем относительно не-
дорого . У европейцев был богатый опыт по выращиванию молодых деревьев из се-
мян, поэтому они взялись за экспорт саженцев белой сосны и принялись ввозить
их в Новый Свет миллионами. Только в 1909 году один немецкий питомник отпра-
вил через океан несколько миллионов сосен для их посадки по всем Соединенным
Штатам. Но континенты захватила не только волна торговли ценным товаром, но и
пузырчатая ржавчина, которой были заражены молодые деревья.
В 1905 году на стол Флоры Паттерсон6, миколога из Министерства сельского
хозяйства США, попал образец грибка, собранный в одном из питомников, нахо-
дившихся в окрестностях Филадельфии. Образец был взят с молодой белой сосны и
идентифицирован Паттерсон как «перидермий, вызывающий так называемую пузырча-
тую ржавчину белой сосны». Через год тот же грибок появился на кустах сморо-
дины в Женеве, штат Нью-Йорк, а три года спустя, в 1909 году, молодой лесни-
чий из Женевы заметил странные вздутия на побегах белых сосен, привезенных из
Германии.
Грибок был уже хорошо известен в Европе, где он заражал местные сосны, но
не убивал их. Понимая, какой ущерб он может нанести деревьям в Северной Аме-
рике, немецкий лесничий Карл Шенк предупредил, что импорт европейской сосны
может привести к катастрофе. Поскольку грибок незаметно развивается в течение
двух-трех лет, а только потом становится заметным благодаря спорам, обнару-
жить его на раннем этапе особенно сложно. Когда в офис Флоры Паттерсон стали
поступать новые образцы грибка, собранные со смородины, крыжовника и сосны,
она забеспокоилась.
Полный жизненный цикл, типичный для ржавчинных, тем не менее, выглядит при-
чудливо . Как и большинство грибов, плодовые тела пузырчатой ржавчины выделяют
множество спор. В какой-то момент жизненного цикла споры двух разных полов
соединяются в процессе спороношения. Чтобы вторжение началось, спора пузырча-
той ржавчины должна попасть на хвою пятихвойной сосны. Если погода благопри-
ятствует - вокруг прохладно и туманно, - захватчик с помощью базидиоспор на-
чинает свою работу, проникая в тонкую смолистую хвою через устьица. Листья
растений усеяны этими «порами», которые открываются и закрываются, вбирая в
себя газы, например углекислый, превращая их в пищу и выделяя в качестве от-
работанного продукта кислород. Устьица - открытая дверь для ржавчины, и как
только грибок проникает через них, тонкие нитеобразные гифы начинают прощупы-
вать лист в поисках того, чем бы поживиться. Каждая базидиоспора вырастает в
колонию определенного типа спаривания. Некоторые называют их «плюсы» и «мину-
сы» , подчеркивая противоположность. По мере роста гриба мицелий распространя-
ется вниз по иголке и проникает в стебель, постепенно заставляя хвою изменить
6 Назначенная микологом в начале 1900-х годов Флора Паттерсон стала первой женщиной
в этой должности, которую сейчас занимает Меган Ромберг. На этом посту почти всегда
трудятся женщины.
цвет на ржаво-красный. Ветка сосны с кучей красных иголок - признак заражения
всего дерева, потому что, в конце концов, грибок добирается и до ствола.
Ржавчина поражает саженцы, молодые, зрелые и старые деревья, и через несколь-
ко лет после того, как этот процесс начался, весеннее потепление заставляет
стволы покрываться волдырями. Через повреждения в коре появляются пузыри, в
которых образуются спермин (или пикноспоры) . Одни из них выделяются в виде
липкой жидкости и могут отправиться в путь на лапках насекомых, а также бла-
годаря другим видам животных или даже дождю. Другие прорастают в дереве с по-
мощью гифов, и когда нитевидные образования противоположных типов спаривания
(+ или -) встречаются, они сливаются, позволяя их генетическому материалу
встретиться и рекомбинировать. Через год или около того гриб снова выходит из
ствола и начинает выпускать порошкообразные желто-оранжевые зциоспоры - они
эволюционировали, чтобы путешествовать с ветром. Они приземляются на почву,
попадают на плечо туриста или лобовое стекло автомобиля, на камни, в воду ру-
чья, на болиголов и ели. Некоторые приземляются на листья смородины или кры-
жовника. Ржавчина проникает в них так же, как и в сосну, - через устьица, и
после заражения лист может пожелтеть и упасть на землю, но растение будет
жить дальше.
Через пару недель зараженные листья будут выглядеть с обратной стороны так,
словно их присыпали ржавым порошком. Эти так называемые урединиоспоры распро-
страняют инфекцию на другие листья Ribes, и растения становятся биореакторами
ржавчины, позволяя грибку заражать все больше листьев и растений и снова раз-
множаться. Если погода понизит градус, а световой день станет короче, из ниж-
ней стороны листа вырастут волосовидные телии - диффузные спороносные струк-
туры, которые выделяют базидиоспоры, способные прорастать только на хвое со-
сны. Эти споры более нежные, чем зциоспоры, и переносятся ветром на более ко-
роткие расстояния - десятки метров. Насекомые, птицы и мелкие млекопитающие
также могут этому поспособствовать: споры ржавчины застревают между когтями,
прилипают к меху или оперению. После заражения деревья, как и любые другие
живые существа, пытаются бороться с захватчиком, и иногда этого достаточно,
чтобы отбить атаку. Но белые сосны, как выросшие в дикой природе, так и поя-
вившиеся с помощью человека, к сожалению, не в их числе. Ни они сами, ни те,
кто за них отвечает, оказались не в состоянии защититься от экзотического
грибка.
Подобно людям, деревья состоят из клеток, причем разные типы клеток выпол-
няют разные функции. По мере роста дерева одни типы клеток расходятся по го-
ризонтали, а другие располагаются друг над другом. Некоторые становятся кана-
лами , по которым питательные вещества и вода движутся вверх и вниз. В самых
высоких деревьях они проходят от корней к побегам и листьям десятки метров, а
молекулы сахара - от хвои и вниз. Другие вырастают в корни, которые держатся
за землю и общаются с родственниками и соседями через подземную сеть, в кото-
рую связаны грибные мицелии и другие микробы. Есть клетки, которые вырастают
в листья, производящие пищу, или плоды, орехи и шишки. Некоторые клетки дере-
ва живут десятилетиями, а когда отмирают, могут оставаться частью дерева,
поддерживая его структуру, укрепляя его и защищая.
Деревья имеют многоуровневую защиту от болезней и тех, кто их вызывает. Ко-
ра, которая представляет собой слои мертвых клеток, является первой преградой
на пути захватчиков. Она такая прочная, что некоторые грибы могут попасть
внутрь, только если на дереве имеются порезы и царапины. Птицы и насекомые,
способные повредить кору, так же играют свою роль в заражении. Но если грибку
удалось прорвать первый барьер, в дело вступает химическая защита, которая
развилась с течением времени у растений, чтобы отпугивать микробы, насекомых
и других хищников. Если же и это не помогло и дерево теряет ветку, его ранят
животные или повреждают болезни, оно не способно восстанавливать ущерб, как
это могут делать некоторые животные. Деревья похожи на русских матрешек -
каждый их слой является деревом, которое помещено внутрь дерева, которое, в
свою очередь, также находится внутри дерева, и так далее. Даже если ему при-
дется пожертвовать веткой или частью ствола, оно будет расти и создавать но-
вые клетки.
Когда грибки поражают какой-либо из внутренних слоев коры, дерево реагирует
на это созданием язвы - выпуклого нароста, который окружает рану, углубившую-
ся в ствол. Эти язвы помогают локализовать инфекцию. Иногда, если патоген
продолжает расти, язва образует концентрические кольца: язва над язвой, язва
над язвой. И когда вы видите выпуклые края ран на стволе дерева или ветке, то
наблюдаете борьбу за выживание. Часто дерево продолжает жить, хоть и изрядно
пострадав.
Старые деревья, у которых больше возможностей отгородиться от болезни,
сбросить зараженные ветви, имеют больше шансов пережить грибковые патогены и
другие повреждения, чем молодые деревья. Чем сильнее разрастаются язвы, тем
меньше воды и питательных веществ циркулирует по дереву, и в какой-то момент
этот поток может вообще остановиться, что приведет к гибели всего растения.
Именно так и убивает пузырчатая ржавчина: сначала захватывает хвою, затем
ветки и, наконец, добирается до ствола. Молодые сосны, не обладающие таким
количеством ветвей и других частей, которыми они могли бы пожертвовать без
вреда для себя, имеют больше шансов умереть и быстрее погибают. Деревья умеют
защищаться, однако с точки зрения эволюции пузырчатая ржавчина появилась
слишком поздно и быстро, чтобы сосны смогли приспособиться к выживанию в об-
разовавшихся условиях.
От середины Атлантики до Канады и штата Мэн оранжевые нарывы усеивали все
большее число белых восточных сосен, а красная хвоя полыхала на зараженных
ветвях. На Запад ржавчина пришла из Европы и была впервые замечена в Британ-
ской Колумбии в 1910 году. Затем она распространилась на леса в Вашингтоне и
Орегоне, а к началу 1930-х годов достигла Северной Калифорнии, а вскоре и
Скалистых гор. Смертоносный грибок пронесся по лесам Запада, рощам высоких
сахарных, белых западных, а также белокорых сосен.
Когда ржавчина начала свое шествие по лесам страны, поражая белые сосны,
специалисты пытались спасти ситуацию удалением зараженных ветвей, но это не
остановило грибок. Тогда, встревоженные высоким уровнем гибели деревьев и
опасаясь, что заболевание негативно повлияет на их дальнейшее коммерческое
использование, лесоводы и ученые обратились к другой стратегии: они стали
уничтожать альтернативных хозяев ржавчины - черную смородину и другие виды
Ribes.
Кустарники росли повсюду. В изобилии встречались местные сорта, включая не-
обычный крыжовник, похожий на виноград, но большей популярностью пользовались
все же импортные, имеющие насыщенный вкус. К 1916 году, через несколько лет
после начала эпидемии, в Массачусетсе рабочие в качестве эксперимента активно
уничтожали растения рода Ribes. Исследования показали, что удаление растений
на расстоянии двух-трех сотен ярдов от ближайшей сосны помогает снизить забо-
леваемость . Ориентировочная стоимость данного процесса составляла 42 цента за
акр, что равнялось цене дюжины яиц. В штате Мэн рабочим платили по 30 центов
в час, в других регионах - продуктами или одеждой. В некоторых плата взима-
лась за расчищенные площади. В 1930-х годах, в разгар Великой депрессии, Гра-
жданский корпус охраны окружающей среды нанимал для этой работы трудоспособ-
ных мужчин. В конце 1930-х - начале 1940-х годов, когда мужчины ушли на вой-
ну, их место заняли школьники. Местные жители, прикипевшие душой к соснам,
Рассказывая о том, как растут деревья, Алекс Шиго пишет: «По сути, они каждый год
выращивают новое дерево поверх старого».
стояли за уничтожение ягодных кустов, но некоторые, особенно те, кто собирал
плоды для дальнейшего использования, вступали с рабочими в конфликты и требо-
вали возместить им убытки или жаловались на чрезмерное вмешательство прави-
тельства. К 1965 году на северо-востоке было очищено более 12 миллионов акров
земли от кустарников рода Ribes (на пяти миллионах из них росли белые со-
сны) . Пузырчатая ржавчина осталась, но уже не представляет такой большой уг-
розы для деревьев, как раньше.
На Западе все было иначе. Кустарники Ribes росли на склонах гор, в глубо-
ких долинах и других необжитых местах, находящихся вдали от городов и дере-
вень. Рабочие отправлялись в горы и разбивали там лагеря, проводя месяцы на-
пролет за очисткой территорий от кустарников. «Впервые я познакомился с про-
граммой по защите сосен от пузырчатой ржавчины в 1953 году», - пишет Джеральд
Барнс, лесничий на пенсии, который большую часть своей карьеры посвятил рабо-
те по сдерживанию этого заболевания. В те годы он только-только окончил сред-
нюю школу в Грантс-Пасс, штат Орегон, и присоединился к бригаде, занимавшейся
искоренением ржавчины в районе гор Сискию. Работать приходилось в суровых ус-
ловиях: рабочие разбивали лагерь, а затем шли пешком многие мили по жаре,
преодолевая крутые скалы, и в любой момент могли подвергнуться нападению гре-
мучих змей или медведей. Барнс и его товарищи расчищали землю от кустарников
с помощью ручных мотыг: переворачивая растения вверх корнями, они обрезали их
или отравляли. Также приходилось опрыскивать химическими веществами расти-
тельность , простирающуюся вдоль некоторых крупных ручьев, для чего рабочие
носили на спине военные ранцы, наполненные гербицидом (2,4-Д), и смешивали
его по мере необходимости. «Это была тяжелая и грязная работа», - пишет
Барнс, который работал в программе до лета 1958 года. К моменту ее окончания
в конце 1950-х годов миллионы акров были расчищены, и это было сделано руками
десяти тысяч рабочих. Так что, несмотря на успех, к которому привела работа
по контролю пузырчатой ржавчины на востоке страны, на западе заболеваемость
оставалась проблемой из-за особенностей местности и ее масштабов.
Нью-Гэмпшир стал первым штатом, в котором запретили посадку кустов Ribes, -
это произошло в 1917 году, за этим последовал федеральный запрет на импорт и
выращивание всех растений этого рода. По мере того как на востоке страны уда-
лось установить определенный контроль над грибком, а селекционеры начали вы-
водить устойчивые к ржавчине сорта, садоводы стали настаивать на отмене за-
претов. Федеральный запрет на импорт Ribes закончился в 1960-х годах, но,
поскольку штаты могут устанавливать собственные правила, некоторые из них со-
хранили ограничения. В результате возникла путаница, связанная с тем, какие
растения и где могут выращиваться. В Массачусетсе, как и в Мэне, черная смо-
родина по-прежнему остается под запретом, при этом штат расположен между Вер-
монтом и Коннектикутом, в которых таких ограничений нет. Некоторое время
Нью-Гэмпшир предлагал садоводам попробовать устойчивый к ржавчине сорт сморо-
дины под названием Титания, но, когда растущие рядом с некоторыми из этих
кустов белые сосны оказались заражены, а исследование показало, что ржавчина
преодолела устойчивость сорта, штат вернул строжайший запрет. В Орегоне, Вай-
оминге, Вашингтоне и других западных штатах нет никаких ограничений на покуп-
ку и посадку Ribes, но пузырчатая ржавчина остается серьезной проблемой, и в
этих регионах - в том числе.
В некоторых районах северо-запада США. и юго-запада Канады, где поселилась
ржавчина, заражены почти все белокорые сосны. Там, где когда-то стояли пре-
красные, устремленные ввысь леса, осталась только тень от былого величия. Се-
рые, разбитые болезнью призраки. На западе США. погибло более половины белоко-
рых сосен, способных образовывать шишки, а на севере, в Скалистых горах, по-
тери еще выше. Когда гибнут настолько большие массивы деревьев, меньше стано-
вится и шишек, поэтому ученые опасаются, что дикие животные, которые эволю-
ционировали вместе с деревьями, включая североамериканскую ореховку, покинут
их в поисках других источников пищи. Если это произойдет, для переживших эпи-
демию деревьев наступит еще одна катастрофа.
Более 40 лет Диана Томбек, эколог из Университета Колорадо в Денвере, изу-
чает отношения, связывающие белокорую сосну и североамериканскую ореховку -
красивую серую птицу с поразительно эффектными черно-белыми крыльями и хво-
стом . «Два этих вида очень зависят друг от друга», - говорит Томбек. Тем-
но-фиолетовые шишки белокорой сосны растут на кончиках самых высоких веток в
кроне дерева. Их семена не способны рассеяться по ветру без посторонней помо-
щи и найти место, где бы они могли дать всходы. У них нет «крыльев», как у
семян других хвойных. Вместо этого крупные семена белокорой сосны остаются
запертыми на высоте - в шишках, которые, даже когда созревают, не открывают
своих чешуек.
Осенью, когда птицы больше всего нуждаются в накоплении запасов, которые
помогут пережить зиму, эти закрытые, полные семян шишки оказываются очень
кстати. Ореховка хватает семечко длинным, сильным и тонким клювом, и оно по-
падает в отверстие под языком, укладываясь в подъязычный мешочек, который
раздувается, как у лягушки-быка. После птица прячет семечки в почву или под
лесную подстилку по несколько десятков за раз. В год, когда уродилось много
шишек, каждая ореховка способна спрятать десятки тысяч семян сосны. Часть из
них украдут грызуны или другие любители полакомиться чужими запасами, а часть
пойдет на корм птенцов, которые вылупятся по весне. Птицы могут лишиться се-
мян по разным причинам, поэтому сотни, а то и тысячи тайников становятся для
них необходимостью, страховкой на любой случай. А для белокорой сосны это
возможность проклюнуться из несведённого семечка и прорасти, став новым дере-
вом. Именно так они и перемещаются по ландшафту, возрождая жизнь на пожарищах
и заселяя целые леса.
Погребенные на несколько лет или больше тайники с семенами8 прорастают, ко-
гда для этого есть условия, и дают начало скоплению саженцев, так что, если
ореховка покинет белокорую сосну, надежды на появление новых деревьев почти
не останется. Птицы помогают размножаться деревьям, а деревья обеспечивают
птиц пищей. От такой тесной взаимосвязи выигрывают оба вида. Но пузырчатая
ржавчина нарушила этот цикл, белокорые сосны погибают, а ореховки скоро могут
найти семена в других местах. Томбек опасается, что если ничего не предпри-
нять , то некоторые региональные популяции белокорых сосен могут исчезнуть в
течение столетия.
Грибок - не единственная угроза растительному миру. Меняющийся климат выну-
ждает деревья искать более подходящие места обитания, и они постепенно пере-
бираются на возвышенности, туда, где прохладнее. В некоторых регионах в бли-
жайшем будущем, вероятно, наступит потепление. Добавьте к этому естественные
циклы бурного роста и спада численности жуков, например горных сосновых лу-
боедов . Они родом с Запада, и пусть их любимые виды для обитания - сосна
скрученная и подобные ей, поражаются все сосны, включая белокорые. Самка про-
грызает себе путь через защитную внешнюю кору и проникает в более мягкое, жи-
вое нутро. При этом она выделяет феромоны, то есть химические вещества, кото-
рые привлекают других жуков - как самцов, так и самок - на то же дерево. Там
она откладывает десятки яиц. Неполовозрелые жуки проводят большую часть своей
жизни под корой, питаясь от дерева, а когда готовы к спариванию, выходят на-
ружу и в течение нескольких дней прогрызают себе путь в другое дерево. Силь-
Томбек однажды подсчитала, что кедровки собирают десятки тысяч семян за сезон. По
ее данным, количество семян, вынимаемых и прячущихся одной птицей, составляет пора-
зительные 32 тысячи. По другой оценке, птицы закладывают в тайники в три раза боль-
ше.
ная атака убивает дерево, а массовая вспышка заболевания в каком-либо регионе
приводит к гибели целые леса. Похоже, что потепление, вызванное изменением
климата, благоприятствует нашествию жуков. Поскольку к пузырчатой ржавчине
добавляются изменения климата и вредительство жуков, белокорые сосны сталки-
ваются с тройной угрозой, что вызывает особенную тревогу, поскольку история
уже знает случаи, когда для вымирания целого вида оказалось достаточно воз-
действия всего одного грибка. Этот вид - американский каштан.
Американский каштан (Castanea dentata) когда-то в изобилии населял Аппала-
чи , от Голубого хребта до Беркшира и дальше. Но большинство из нас никогда не
видели его в полном расцвете, а ведь было время, когда американский каштан
считался властелином этих краев. Летом эти высокие деревья, украшенные белыми
мягкими сережками, возвышались над пологом леса, а осенью сбрасывали столько
сладких орехов, что их можно было собирать ведрами. О тех временах напоминают
названия, встречающиеся в этой местности: Каштановая равнина, Каштановый
холм, Каштановая улица. Вокруг этого быстрорастущего дерева с твердой древе-
синой крутилась жизнь очень многих людей: лесорубы были при деле, а устойчи-
вые к гниению пиломатериалы шли на постройку корабельных мачт и железнодорож-
ных шпал, а также жилых домов.
В начале 1900-х годов стоимость каштановой индустрии превышала 20 миллионов
долларов (сегодня эта сумма составляет более 600 миллионов долларов). Некото-
рые деревья достигали трех метров в диаметре и даже больше, и одного большого
каштана могло хватить на постройку целой хижины. В ход шло все, и особенно
плоды, которые употребляли в жареном виде, - орехам слагали целые оды. До нас
дошли фотографии, на которых запечатлены целые семьи, собиравшиеся вокруг ог-
ромных каштановых стволов. Орехи служили пищей и диким животным - подобно бе-
локорым соснам, американский каштан был важной составляющей для существования
животного мира. Орехов было так много, что фермеры отправляли в каштановые
леса домашних свиней на откорм, а позже лакомились свининой со вкусом кашта-
на. Деревья были центром, вокруг которого строилась жизнь. Одни ученые счита-
ют, что в некоторых регионах каждое четвертое дерево было каштаном, другие
утверждают, что каштановые заросли когда-то занимали почти 30 % территории
Национального парка Грейт-Смоки-Маунтинс.
Среди тысяч деревьев и кустарников, растущих в Нью-Йоркском зоологическом
саду, ныне известном как зоопарк Бронкса, были и каштаны. Природный заповед-
ник, являющийся проектом Нью-Йоркского зоологического общества, был спланиро-
ван таким образом, чтобы оставить посреди растущего города кусочек нетронуто-
го леса. Зоопарк открыл свои ворота в 1899 году, и животные выставлялись в
нем не в клетках, а в естественной среде обитания - насколько это было воз-
можно . Если вольеры и существовали, то были замаскированы, и ничто не мешало
посетителям увидеть, как пасутся на лугах стада антилоп, как ведут себя луго-
вые собачки и бобры. Одна из особенностей зоопарка - животных здесь можно бы-
ло наблюдать не по одиночке, а целыми сообществами. Прямо посреди Нью-Йорка
располагались холм, на котором паслись овцы, водоемы с плавающими в их водах
выдрами, крокодилами и аллигаторами, - и все это в окружении дикой раститель-
ности. Секретом, благодаря которому зоопарку удалось добиться такой популяр-
ности у горожан, была именно она - зелень, а за нее отвечал молодой немецкий
иммигрант по имени Герман Меркель, ставший первым лесничим этого заповедника.
Если деревья в парке росли и поражали воображение буйными кронами - это по-
старался Меркель. По мере того как город разрастался, островок зелени в его
сердце становился все более ценным. Большая часть городских деревьев росла
именно здесь, и, по мнению Зоологического общества, они «не уступали» по зна-
чимости населявшим его животным. Антилоп и крокодилов можно было заменить, но
если упадет вековой дуб или каштан, то исчезнет навсегда. «Гибель обширного
леса, который расположился в пределах Нью-Йорка, - отмечало общество в 1898
году, - стала бы не чем иным, как катастрофой». Поэтому они и наняли Меркеля,
чтобы сохранить дубы, вязы, тюльпановые деревья и каштаны, которые укрывали
парк своей тенью.
Герман Меркель знал парк как свои пять пальцев. Помимо ухода за тысячами
деревьев, он и его команда высаживали травы, кустарники и цветы. Когда Мер-
кель не занимался растениями, то помогал отлавливать сбежавших животных (ма-
ленькую пуму, «не более и не менее» опасную, чем фокстерьер, и луговых соба-
чек, роющих в земле норы). Он построил и укрепил каменные стены у вольера
львов, обеспечил надлежащий дренаж для антилоп, построил бетонные барьеры во-
круг деревни луговых собачек. И вот летом 1904 года он заметил на некоторых
каштанах пожелтевшие листья, которые скрутились по краям, словно уже пришла
осень. Присмотревшись внимательнее, Меркель обратил внимание на красные и
оранжевые пятна, усеивающие ветви, на которых стали отмирать листья, - пусту-
лы, явно свидетельствующие о заражении каким-то грибком. В этом не было ниче-
го хорошего, кроме того, что заболевание поразило всего несколько деревьев.
Меркель подумал, что, возможно, в тот год они подверглись особому стрессу,
поскольку за холодной зимой последовала засуха. Каким бы ни был паразит, мо-
жет, он погибнет за зиму и больше не вернется? Но он вернулся. К следующему
лету, в 1905 году, каждый из 1400 каштанов умирал или уже погиб - это были
практически все каштановые деревья в парке. Не имело значения, где они нахо-
дились, сколько им было лет, какого они были размера. От недавно посаженных
ростков до старых, «первобытных», исполинов со стволами диаметром по 3-3,5
метра - все они были заражены, сделав кошмар руководителей парка явью. В на-
дежде найти лекарство и хоть какую-то помощь Меркель отправил образец в Мини-
стерство сельского хозяйства США, где тот попал на стол Флоры Паттерсон. К
сожалению, она ошиблась, посчитав его обычным грибком, поражавшим некоторые
деревья, хотя и отметила, что не знала, чтобы он поражал еще и каштаны. Мер-
келю было рекомендовано обрезать больные ветви и обработать их новым фунгици-
дом.
В начале 1880-х годов французский профессор ботаники Пьер-Мари-Алексис
Милльярде заметил нечто странное на винограднике в Медоке (регион Бордо),
часть которого была заражена мучнистой росой. В то время некоторые винограда-
ри обрабатывали лозы смесью медного купороса и гашеной извести, чтобы неесте-
ственный сине-зеленый оттенок отпугивал вредителей. Но Милльярде заметил, что
обработанный виноград не поражается плесенью, и задался вопросом, не работает
ли отпугивающее средство еще и как фунгицид. Так и оказалось - никакого ущер-
ба для винограда и других растений. По крайней мере, так гласит история. Ско-
рее всего, Милльярде уже знал, что химическая смесь может предотвратить гриб-
ковую инфекцию.
Год спустя весть о смеси «Бордо» пересекла Атлантику и с легкой подачи фи-
топатолога Беверли Гэллоуэя из Министерства сельского хозяйства США, который
был начальником Паттерсон, средство приобрело большую популярность. Оно стало
основным фунгицидом, использующимся для обработки сельскохозяйственных куль-
тур по всей стране, и эта тенденция сохраняется по сей день. Правда, есть од-
на загвоздка. Бордоская смесь не может проникнуть в растения. Грибки погиба-
ют, когда остатки меди на листьях смачиваются росой или дождем. Влага позво-
ляет высвободить ионы меди, способные разрушать белки, включая важнейшие фер-
менты грибков и других патогенов. Это не системный, а местный препарат, кото-
рый лучше всего действует, когда грибки находятся на листьях, стеблях или ко-
ре растения. После применения он легко смывается дождем и больше не оказывает
действия на растение (но медь накапливается в почве, что приводит к опреде-
ленным проблемам на тех участках земли, где растения обрабатывались в течение
десятилетий).
Бордоская смесь могла бы быть полезной и для каштанов в борьбе с чумой, ее-
ли бы грибок был обнаружен до того, как прорастут споры. Однако, как только
он проник в дерево, никакая местная обработка не могла помочь. А если бы шанс
на успех все же существовал, сколько бы средства понадобилось, чтобы опры-
скать все сучья и стволы всех исполинских деревьев? Так что Меркель начал об-
резку и травление, но, поскольку в парке насчитывалось более тысячи деревьев
- а за его пределами, по слухам, заражение пошло гораздо дальше, - эффект от
его работы оказался незначительным. Растения захватил не обычный древесный
грибок, и Меркель решил обратиться к другому специалисту.
Уильям Меррилл был новым помощником куратора Нью-Йоркского ботанического
сада, расположенного неподалеку от зоопарка. Меркель попросил его осмотреть
больные деревья, и молодой амбициозный специалист не согласился с диагнозом
Паттерсон. Даже если Министерство сельского хозяйства США. правильно определи-
ло заболевание, почему оно вдруг превратилось в настолько смертоносное? Эта
микологическая загадка стала для Меррилла карьерным трамплином, и он написал
в своей автобиографии (говоря о себе в третьем лице): это был «еще один свое-
временный виток в лестнице удачи, по которой он поднимался к славе и влия-
нию» . Сперва Меррилл привез в лабораторию грибок и заразил им веточки кашта-
на, чтобы убедиться: симптомы вызывает именно он.
Десятилетиями ранее микробиолог Роберт Кох, стремясь определить стандарты
для идентификации невидимых, но смертельно опасных заболеваний, разработал
ряд шагов, позволяющих связать микробы с болезнями. Его открытие во многом
опиралось на фундаментальную работу химика и микробиолога Луи Пастера, кото-
рый в 1860-х годах провел ряд экспериментов, признанных в научных кругах
культовыми. В них он рассматривал микробы как причину, а не следствие заболе-
вания. Пастер продемонстрировал, что они не только способны вызывать болезни,
но и в некоторых случаях необходимы для нормальной жизнедеятельности. Кох
продолжил работу Пастера и попытался изучить те организмы, которые вызывают
заболевания. Но как убедиться, что это делают именно они?
Изыскания Коха стали частью важной теории, которая известна как микробная
теория болезней. Он вывел и описал стратегию, которая позволяет устанавливать
причинно-следственную связь между микроорганизмом и заболеванием. Стратегия
состоит из нескольких этапов, на первом из которых необходимо определить при-
чину, то есть микроб, который, предположительно, вызывает болезнь (его нельзя
обнаружить у здорового хозяина). Далее нужно выделить его, то есть изолиро-
вать, а после заразить этим микробом здорового хозяина, понаблюдать за тем,
как развивается болезнь, и снова выделить этот микроб.
Взяв за основу данную стратегию, Меррилл принялся за работу: он выделял
микроб, заражал им и снова выделял - и молодые веточки каштана расцвели гриб-
ковыми пустулами, которые были идентичны тем, что поразили деревья в зоопар-
ке . Через несколько недель из зараженных саженцев начали выделяться споры -
так Мерриллу удалось связать новый смертоносный грибок с болезнью. Он назвал
его Diaporthe parasitica и отправил зараженную веточку в Министерство сель-
ского хозяйства США, чтобы заявить о своем открытии. Позже грибок был пере-
именован в Cryphonectria parasitica, или каштановую чуму.
Когда грибковая спора попадает на кору каштана и начинает развиваться, ми-
целий проникает через рану или зазубрину, а затем прорастает внутри. В отли-
чие от пузырчатой ржавчины сосны, каштановая чума может быстро распростра-
няться, так как грибок выпускает споры в течение нескольких недель после за-
ражения дерева. Обычно споры бесполого размножения липкие и сочатся из плодо-
вых тел грибов, в то время как споры полового размножения либо выбрасываются
в воздух, либо разносятся ветром. Первые, они же конидии, когда в зоопарке
наступила весна, миллионами вырвались наружу через блестящие серно-желтые
усики, называемые пикнидиями. Липкие споры прилипали к лапкам насекомых и
птиц, таких как поползни, американские пищухи и дятлы. Также споры могли с
помощью дождя попадать на нижние ветки или соседние деревья. При половом раз-
множении мужская и женская споры соединяются, образуя новый вид половой спо-
ры, называемый аскоспорой. Упакованные в похожую на луковицу структуру, ас-
коспоры могут выстреливать в воздух. Именно так подхваченные ветром аскоспоры
из зоопарка смогли расширить радиус заражения: они приземлялись на каштаны,
расположенные дальше, за пределами местности, которую уже захватили. Учитывая
«целеустремленность» грибка и его способность быстро завладевать организмом
хозяина, неудивительно, что ни фунгициды, ни обрезка ветвей не смогли спра-
виться с этим чудовищем.
Каштановая чума.
«Можно с уверенностью предсказать, - писал Меркель в ежегодном отчете Зоо-
логического общества за 1905 год, - что через два года в окрестностях зоопар-
ка не будет найдено ни одного живого экземпляра американского каштана». Он
был прав. К 1910 году ботанический сад тоже потерял более тысячи каштанов.
Грибок распространился по склонам холмов и накрыл каштановые леса Аппалачей.
Грибковый фронт продвигался со скоростью примерно 40-55 миль в год, уничтожая
эти уникальные деревья от Пенсильвании до Джорджии. А те из них, которые не
погибли от болезни, были вырублены лесниками, которых призывали это делать,
пока это могло хоть как-то повлиять на распространение заболевания.
Повсеместное уничтожение американских каштанов, которые являлись одним из
самых значимых видов деревьев для страны, пугало. Засуха, пожар, насекомые
тоже могли уничтожить лес, но это были стихийные бедствия, которые могли слу-
читься в любой момент. Например, популяция горного соснового лубоеда в рамках
своего цикла периодически переживала подъем, то же касалось и других видов
насекомых. Многим деревьям и диким растениям, устойчивым к воздействию огня,
для бурного роста необходимо, чтобы сперва в пожаре погибли расте-
ния-конкуренты. И даже грибки, способные уничтожить целый урожай, не такая уж
и большая редкость - они существуют еще с библейских времен. Но грибок, унич-
тожающий только один вид деревьев, - это необычное явление. Из-за него холмы
и склоны гор, когда-то украшенные великолепными каштанами, оказались покрыты-
ми призрачным сухостоем. Серой безжизненной древесиной. Газета New York Times
назвала это заболевание «злом в мире деревьев». Сотни писем из разных уголков
Вирджинии свидетельствовали о том, как быстро каштановая чума распространя-
лась по восточному побережью - там, где американские каштаны росли особенно
густо, грибок молниеносно распространялся от дерева к дереву. В некоторых
письмах высказывалось мнение, что болезнь - это «бич за греховность и расто-
чительную жизнь», а значит, надо молиться и полностью пересмотреть ценности,
то есть возродиться и стать лучше.
Не теряя надежды на то, что люди смогут победить грибок, в 1912 году Джеймс
Уилсон, министр сельского хозяйства, написал: «Нам неизвестна ни одна зараз-
ная болезнь, которая не поддавалась бы мерам санитарии и карантину». Но ни
Уилсон, ни кто-либо другой, работавший в одно с ним время, не видел, как по
лесу ступает грибок-убийца. Вспышка смертоносного заболевания даже в теории
не поддавалась контролю и имела беспрецедентные масштабы. По некоторым оцен-
кам, за несколько десятилетий погибло от трех до четырех миллиардов каштанов,
навсегда изменив леса, культуру и образ жизни тех, кто от них зависел. Когда
Герман Меркель умер в 1938 году, все американские каштаны, кроме нескольких
(они были посажены далеко за пределами страны или росли на изолированных уча-
стках лесов и поэтому, по сути, находились в карантине), погибли или вот-вот
должно было это произойти.
Через несколько лет после открытия грибка в зоопарке Бронкса ученые сообщи-
ли, что он был найден на каштановом дереве в Китае, откуда, скорее всего, и
начал свое путешествие. Как и пузырчатая ржавчина белой сосны, данная чума
также прибыла на корабле в составе импортного груза.
В конце XIX века любой домовладелец или садовод мог заказать по почте всего
за доллар и даже меньше испанский, американский или японский каштан. Питомни-
ки, предоставляющие такую услугу, находились в Нью-Хейвене (штат Коннекти-
кут) , Рочестере (штат Нью-Йорк) и Билтморе (штат Северная Каролина). Амери-
канцы также могли купить на местных рынках фрукты и орехи, собранные с расте-
ний, импортированных в страну, а у фермеров была возможность выращивать пше-
ницу из России или капусту из Хорватии. Как и в случае с животными, ввозимыми
в страну сегодня, интерес к новинкам пересиливал опасения завезти вместе с
растением какую-нибудь неизвестную болезнь.
И тогда, и сейчас работа по сбору семян фруктов и зерновых, овощей, новых
деревьев и других декоративных растений осуществлялась под эгидой Министерст-
ва сельского хозяйства США. Растения, прибывшие из разных уголков мира, могли
превратить почву страны в деньги, а это благо для потребителей, фермеров и
экономики. То, что это могло привести к проблемам из-за завезенных вредителей
и патогенов, министерству было хорошо известно - в его распоряжении находи-
лись микологи, такие как Флора Паттерсон, энтомологи и другие ученые, способ-
ные выявлять грибки и затем давать советы фермерам и землевладельцам, как с
ними бороться. Но министерство было мало заинтересовано в предотвращении этих
проблем. Специалисты считали, что природу почти всегда можно победить новыми
технологиями, лучшей селекцией и химией. В течение десятков лет под контролем
Министерства сельского хозяйства США тысячи и тысячи растений, семян и сажен-
цев, собранных в далеких странах, упаковывались в ящики и отправлялись через
море, чтобы пустить корни на американской земле.
Одним из самых ярых коллекционеров был Дэвид Фэйрчайлд, который в 1898 году
стал первым директором Управления по внедрению семян и растений, вошедшего в
состав Министерства сельского хозяйства США. Фэйрчайлд объездил всю Европу,
пересек Суэцкий канал и отправился пароходом на Яву и Суматру, а по пути со-
бирал съедобные растения и семена. Работая в Министерстве сельского хозяйства
США, Фэйрчайлд курировал импорт фисташковых деревьев, кешью, цветущей вишни,
лимонов, нектаринов с территории нынешнего Пакистана и более ста тысяч других
пищевых растений с целью их выращивания. Под его руководством исследователи
посещали отдаленные деревни в России, Китае, Японии, Алжире и десятках других
стран мира и доставляли в США. семена, саженцы и черенки сельскохозяйственных
культур и декоративных растений. Благодаря этим усилиям Фэйрчайлд и его кол-
леги смогли изменить как пищевые пристрастия американцев, так и внешний вид
садов, которые они высаживали вокруг своих домов.
К концу века сотни тысяч растений прижились вдали от родных мест. Американ-
цы наслаждались разнообразием, а фермеры получали от этого выгоду. Конечно,
это затмевало опасность, которую несли насекомые, ржавчина, парша и другие
болезни, добравшиеся до континента. Но не для всех - у действий Фзрчайлда и
его миссии, одобренной Министерством сельского хозяйства США, нашлись и кри-
тики , самым ярым из которых был Чарльз Марлатт.
Марлатт знал своего оппонента еще ребенком: оба выросли в Канзасе, и Мар-
латт, который был на шесть лет старше, считал Фзрчайлда кем-то вроде младшего
брата. Фэйрчайлд тяготел к растениям, а Марлатт изучал насекомых и вредителей
сельскохозяйственных культур. Они были родственными душами, представляя собой
инь и ян современного сельского хозяйства. Фэйрчайлд отправился в экзотиче-
ские страны, начав карьеру странствующего исследователя, а Марлатт погрузился
в изучение периодических цикад и вредителей сельскохозяйственных культур в
Калифорнии, Вирджинии и Техасе. В 1889 году Марлатт был принят в Бюро энтомо-
логии Министерства сельского хозяйства США на должность ассистента. Воссоеди-
нившись в Вашингтоне, ученые все еще оставались достаточно хорошими друзьями,
чтобы Марлатт в 1905 году стал шафером на свадьбе Фэрчайлда и Марион Белл,
дочери Александра Грейама Белла. Но дружба была недолгой.
Марлатт считал чудесные растения, импортируемые Фэрчайлдом и другими, не
более чем троянским конем, который прятал внутри болезни, каждая из которых
могла стать потенциальной катастрофой для американских лесов, а значит, и для
американцев. За время своей работы в Министерстве сельского хозяйства США
Марлатт выступал против необдуманного ввоза в страну переносчиков вредителей
и патогенов, но это была непопулярная позиция, поэтому все усилия шли насмар-
ку . Министерство стремилось расширить сельскохозяйственные возможности стра-
ны, а ее граждане наслаждались новинками - экзотическими фруктами и овощами,
растениями и деревьями, которые украшали теперь их сады. Более десяти лет
Марлатт беспокоился о том, что не мог увидеть или потрогать, но что обладало
силой уничтожить урожай или превратить здоровые леса в безжизненных призра-
ков . А в это время Фэйрчайлд находил только положительные стороны в очередном
новом сорте персика, яблока или зерна. Это привело к тому, что два старых
друга оказались по разные стороны баррикад, и каждый считал, что именно он
знает, что есть черное, а что белое.
В 1909 году Марлатт решил добиваться федеральной защиты от импортируемых
вредителей и патогенов. В идеале он хотел бы полностью прекратить импорт эк-
зотических растений и их культивирование, но начать пришлось с разработки за-
конопроекта, который наделял бы Министерство сельского хозяйства США полномо-
чиями контролировать получение и распространение импортных растений. Однако
против выступил комитет восточных питомников - небольшая группа, очень зави-
сящая от импорта. Питомники, как позже писал Марлатт, «больше заботились, как
бы их не ограничили в деятельности, а о последствиях, к которым она могла
привести страну, не слишком переживали». К ним присоединились дамские клубы,
куда входили тысячи образованных женщин, для которых не нашлось места в садо-
водческих и ботанических обществах. Они собирали средства на украшение терри-
торий и активно участвовали в политике, направленной на сохранение американ-
ского ландшафта. Они протестовали против принятия нового законопроекта, и то,
что их мнение имело для конгресса даже больший вес, чем позиция питомников,
«было зловещим знаком» для его инициативы, как писал Марлаттт. Попытка прова-
лилась . А затем появились вишневые деревья.
Шестого января 1910 года две тысячи японских вишневых деревьев были отправ-
лены из Японии в округ Колумбия для посадки на недавно созданной аллее, веду-
щей к монументу Вашингтона. Эта идея принадлежала Фэйрчайлду. Несколькими го-
дами ранее он и его жена Мэрион посадили японские вишневые деревья в своем
поместье и заметили, какую радость окружающим доставляют пышные розовые цве-
ты. Желая поделиться этой красотой, Фэйрчайлд представлял себе простирающееся
в разные стороны пространство, полное цветов, - прекрасную картину, которой
смогли бы любоваться все желающие. Время для реализации этого проекта было
выбрано удачно: в 1907 году Соединенные Штаты и Япония заключили так называе-
мое «джентльменское соглашение». По нему японцы согласились ограничить имми-
грацию в Соединенные Штаты, а США. пообещали вынудить Сан-Франциско, где про-
цветала расовая нетерпимость, отменить недавно принятый приказ о сегрегации
«всех азиатских» детей, вынудивший их ходить в отдельные школы. Для президен-
та Уильяма Говарда Тафта вишневые деревья стали рукопожатием, которое по тра-
диции скрепляет сделку, и Фэйрчайлд ее организовал. Он инициировал ввоз трех-
сот деревьев, а мэр Токио выбрал и отправил две тысячи. Казалось, все были
счастливы. Кроме Марлатта.
Поскольку Министерство сельского хозяйства США. контролировало ввоз деревь-
ев, Марлатт увидел для себя возможность проинспектировать их - у него были на
это полномочия. Вишневые деревья прибыли в Сиэтл в декабре 1909 года и были
отправлены по железной дороге в Вашингтон. В январе 1910 года они прибыли в
конечный пункт назначения, и Марлатт отправил группу энтомологов, включая ми-
колога Флору Паттерсон, чтобы они осмотрели деревья. Скоро до Марлатта дошло
сообщение - в прибывшей вишне были найдены щитовки, личинки древоточцев, ко-
рончатые галлы (заболевание, вызванное бактерией) и грибки, которые можно бы-
ло идентифицировать только до принадлежности их к определенному роду, но не
дальше. После осмотра Марлатт написал: «Я оказался в разворошенном осином
гнезде, в котором гудели без остановки фитопатологи и энтомологи». Он реко-
мендовал уничтожить все прибывшие деревья, сказав, что страна, в которой
сельское хозяйство защищено законом, не позволила бы ввозить настолько боль-
ные экземпляры. Отчет был отправлен Тафту, который приказал сжечь деревья, и
28 января вишни, проделавшие путь через Тихий океан, а затем через весь кон-
тинент, были свалены в кучу и сожжены - не лучший шаг для налаживания отноше-
ний между странами. В статье New York Times выражалась обеспокоенность по
поводу того, что «чувства японцев могли быть ранены», когда «прекрасный пода-
рок, богатый корнями и ветвями», был сожжен. Как писали в Times, «тщательно
организованный несчастный случай», возможно, стал бы более разумным выходом.
Но международного инцидента не произошло, и пока народ переживал, мэр Токио
принес извинения за то, что прислал бракованные деревья. Два года спустя бо-
лее трех тысяч молодых, здоровых вишневых деревьев прибыли из Токио, прошли
проверку и были высажены вдоль Приливного бассейна. Жене японского посла вы-
пала честь высадить в землю округа Колумбия второе дерево.
В 1911 году, после того как было публично продемонстрировано, какой риск
несут необдуманные поставки растений, Марлатт все еще добивался принятия не-
обходимого закона. Он решил обратиться к народу, опубликовав статью в попу-
лярном журнале National Geographic, которым в то время руководил Александр
Грейам Белл, тесть Фэйрчайлда. К слову, последний был также помощником редак-
тора . Марлатт использовал эту возможность, чтобы расшевелить читателей. Для
этого он решил напугать их перечислением завезенных вредителей и болезнетвор-
ных микроорганизмов, орудующих в их домах и дворах, а также по всей стране.
Он опубликовал фотографии, на которых были запечатлены скопления непарных
шелкопрядов на стволе дерева, черные опухолевидные массы картофельной парши,
облепившие клубни (эта болезнь, уже распространившаяся по Ньюфаундленду, уг-
рожала теперь картофельной промышленности США.) , ряды уничтоженных каштанов.
«Похоже, что вся каштановая роща Америки обречена», - написал Марлатт и доба-
вил, что «всего этого можно было избежать, если бы были приняты соответствую-
щие законы о карантине растений». Он отметил, что 50 % известных вредителей
имеют иностранное происхождение. Другие страны уже признали, что импортируе-
мые растения несут с собой не только дары, но и бедствия. В некоторых из них
были приняты строгие законы, предусматривающие карантин и контролирующие ме-
ры, в других был введен полный запрет на импорт растений из питомников, нахо-
дящихся на территории Соединенных Штатов.
Марлатт сказал, что США. - единственная «великая держава», которая никак не
регулирует импорт, и это сделало ее «свалкой» зараженных растений, забрако-
ванных европейскими портами. Франция уже пережила разрушительную инфекцию,
вызванную крошечным насекомым под названием Phylloxera vasta trix, то есть
виноградная филлоксера. Этот вредитель был родом из долины реки Миссисипи и
питался виноградными листьями и корнями. В 1862 году он был завезен во Фран-
цию вместе с виноградными лозами9 и начал свое шествие по Провансу и Бордо, а
после распространился в Бургундии. Со временем нашествие насекомых охватило
Испанию, Италию, Германию и другие страны. Тогдашние пестициды не смогли
уничтожить жука, и отчаявшиеся виноградари, понимая, что европейские лозы
больше не выдерживают этого натиска, стали выращивать американский виноград
или его гибриды, что пришлось не по нраву любителям вина. Полученному в ре-
зультате напитку, по мнению французов, не хватало хорошего вкуса. Это привело
к тому, что садоводы с неохотой стали прививать свои лозы на американские
корни. Оправившись от заражения, Франция возобновила импорт вина, но само-
званцы уже продавали дешевые подделки, а вредитель дал незараженным странам
возможность увеличить экспорт, по крайней мере на то время, которое требова-
лось французским виноградникам на восстановление. Чтобы обезопасить себя в
будущем от подобных ситуаций, в 1878 году несколько европейских стран объеди-
нились и заключили фитосанитарное соглашение, по которому весь импорт расте-
ний должен был проходить проверку на отсутствие виноградной филлоксеры. Чего
не скажешь о Соединенных Штатах, которые по большей части продолжали оста-
ваться открытыми для бизнеса, не выражая серьезных опасений.
После статьи Марлатта прошло несколько месяцев, прежде чем в National
Geographic появился ответ, написанный Фэрчайлдом. К своей статье он приложил
изображения фиговых деревьев и манго, а также фото разросшихся полей люцерны
и рядов винограда без косточек, привезенного из Италии, - из него получался
особенно вкусный изюм. Там же была фотография мешков, доверху заполненных се-
менами . Посыл Фзрчайлда был прост: вместо смерти и разрушений общество ждет
изобилие, главное - собрать его и привезти домой. Но к тому времени аргументы
Марлатта успели набрать определенную силу.
В августе 1912 года конгресс после некоторых изменений принял закон о ка-
рантине растений. В соответствии с ним был создан совет, которому было пору-
чено разработать систему инспекции, которой он будет управлять. Марлатт хо-
тел, чтобы карантину подвергались все ввозимые растения, но закон привязал
импорт к надежности страны-поставщика: если она признавалась безопасной, по-
тому что с большим вниманием относилась к выявлению вредителей и болезней,
значит, торговать с ней было разрешено. Если нет - на количество и использо-
вание импорта вводилось ограничение. Растения, известные как переносчики бо-
лезней, попадали в черный список или требовали обязательного карантина и фу-
мигации. Закон также позволил Министерству сельского хозяйства США. проводить
инспекцию и принимать решение о карантине в отношении импортируемых растений
и тех экземпляров, которые продавались между штатами.
Несмотря на то, что закон улучшил ситуацию, вредители и патогены все равно
9 По иронии судьбы виноградные лозы стали потенциальным решением проблемы с ложной
мучнистой росой, которая была случайно завезена из США ранее.
проскальзывали. Некоторые были слишком малы, чтобы их можно было увидеть, -
микроскопические споры. Некоторые могли жить в почве, окружавшей корни, или
скрывались в виде яиц под листьями. Понимая, что мер недостаточно, разочаро-
ванный Марлатт сделал еще одну попытку и предложил стране полностью запретить
импортные растения, но Фэйрчайлд, который в 1917 году уже покинул Министерст-
во сельского хозяйства США., написал в ответ на ужесточение правил: «Мы можем
сказать себе: ллДавайте будем независимы от иностранного производства расте-
ний" . Давайте защитим нашу природу и построим стену карантинных правил, чтобы
не допустить проникновения болезней... Но мир смотрит на это иначе, выбирая
расширение связей... уменьшение изоляции, а также увеличение разнообразия рас-
тений и растительной продукции по всему земному шару». Полный запрет был от-
клонен, но в 1918 году Министерство сельского хозяйства США. ужесточило огра-
ничения, запретив ввоз растений с почвой, которая крепилась к корневому ком-
ку. Также было добавлено требование о фумигации некоторых партий. Все импор-
тируемые растения должны были проходить через Вашингтон или Сан-Франциско,
чтобы их могли осмотреть сотрудники Министерства сельского хозяйства США.
Данные изменения фактически положили конец импорту растений для прямой прода-
жи потребителям (растений для посадки, а не для разведения) . Помогло бы это
сохранить каштановые леса в США, введи министерство ограничения на несколько
десятилетий раньше, - сказать сложно.
Если вы посмотрите на карту распространения каштановой чумы от северных ис-
токов до хребта Аппалачей, то увидите, что ее путь похож на чернила, расте-
кающиеся по промокательной бумаге. Гибель зрелых деревьев составила почти
100 %, и американский каштан исчез, оставив после себя единичные экземпляры,
разбросанные по всей стране. Однако грибок, который их уничтожил, остался,
прочно укоренившись на побегах, которые продолжают прорастать и по сей день.
У некоторых получается стать зрелыми деревьями, которые плодоносят орехами,
но они все равно умирают. Болезнь превратила некогда доминирующий вид в кус-
тарниковый подлесок и привела к функциональному исчезновению одного из ключе-
вых видов.
За последнее столетие мир далеко шагнул в попытках защитить растения от за-
возных болезней. Теперь существуют карантины для некоторых видов, проводятся
регулярные проверки на наличие патогенов и насекомых, но борьба с микроскопи-
ческими грибками, прячущимися в стебле саженца, или яйцами насекомых, которые
нашли убежище с обратной стороны листьев, и сегодня представляет собой непо-
сильную задачу. В 1990-х годах во Флориде, Калифорнии и на Гавайях был обна-
ружен штамм ржавчинного грибка под названием Austropuccinia psidii. Грибок
поражает деревья, принадлежащие к миртовым (Myrtaceae) - семейству, в кото-
рое входят одноименные деревья, душистый перец, гуава, лавровишня, эвкалипт и
тысячи других видов, способные производить ароматические масла. Известно, что
сотни из них восприимчивы к заболеванию, а именно этой ржавчине, в отличие от
многих других, не нужны другие хозяева для прохождения полного цикла. А.
psidii10 способна образовывать все свои споры, даже половые, на одном хозяи-
не . Они имеют яркий сернисто-желтый цвет и покрывают листья и почки заражен-
ных растений, в конечном счете, убивая их, поскольку гриб лишает их пищи. Ча-
ще это происходит с молодыми экземплярами. За последнее столетие A. psidii
На Гавайях он заразил охиа, вызвав то, что в то время называлось ржавчиной охиа.
Эти деревья, самые многочисленные на островах, являются культурными ориентирами и
основой островной экологии. Их гибель по любой причине была бы крайне разрушитель-
ной. Ущерб от ржавчины был незначительным, но примерно в 2013 году деревья охиа на-
чали гибнуть в больших количествах. На остров пришел совершенно другой грибок, аг-
рессивный представитель рода Ceratocystis. Сотни тысяч охиа на острове погибли, и
гавайцы отчаянно пытаются предотвратить его распространение на другие острова.
расселился по всему миру, вероятно, путешествуя в древесине или других про-
дуктах растительного происхождения. В последние несколько десятилетий он ус-
корился, но о его происхождении по-прежнему известно мало. Возможно, он поя-
вился в Южной Америке и является там эндемиком.
Austropuccinia psidii.
В 2004 году в Австралии были обнаружены споры. Они находились на древесине
эвкалипта, в обилии произрастающего в Бразилии, известной крупными плантация-
ми этого вида (деревья, выращиваемые для бумажной промышленности, не являются
уроженцами Южной Америки). По мере распространения грибка австралийские лес-
ники и другие специалисты в Австралии забеспокоились, ведь на территории
страны обитает более двух тысяч восприимчивых к данному грибку видов. Деревья
и другие растения в лесах, на заболоченных участках, улицах, в садовых питом-
никах и садах на заднем дворе - все они были в опасности. Ржавчина может
стать катастрофой, и чтобы как-то на это повлиять, был разработан быстрый
ДНК-тест, способный выявить споры.
В Австралии создали планы действий на случай повторного появления грибка и,
в конце концов, запретили импорт древесины из стран, где он был обнаружен.
Шесть лет спустя, в 2010 году, пандемический штамм был выявлен одним из цве-
товодов в Новом Южном Уэльсе. Он заметил грибок, растущий на агонисе сорта
After Dark, и отправил образец местным властям. Находка послужила началом
расследования на участке садовода, где были уже заражены тысячи растений,
среди которых и другие виды, включая терпентинные и бутылочные деревья. Рас-
тения на другом участке, расположенном на расстоянии около 8,5 километра,
также были поражены ржавчиной, а через несколько месяцев грибок был обнаружен
еще на нескольких участках. Чтобы сдержать его распространение, было уничто-
жено 16 тысяч растений из питомников и 5 тысяч растений, растущих в дикой
природе, но грибок было не остановить. К декабрю того же года усилия по унич-
тожению перешли в борьбу с болезнью. К 2015 году грибок преодолел более 2 ты-
сяч километров до северного Кэрнса, штат Квинсленд, и в исследовании, опубли-
кованном в 2020 году, был сделан вывод, что австралийская гуава «находится в
пике, свидетельствующем о вымирании». В 2017 году грибок был обнаружен в Но-
вой Зеландии, где, как и в Австралии, многие деревья оказались к нему воспри-
имчивы .
A. psidii приобрел пандемический характер и, подобно пузырчатой ржавчине и
каштановой чуме, способен привести к исчезновению ключевых видов растений и
деревьев. Но оба этих грибка появились в первом десятилетии XX века и проник-
ли в страну как раз тогда, когда микологи и патологоанатомы начали осознавать
опасность торговли растениями и продуктами растительного происхождения. Те-
перь мы знаем об этом риске, но ржавчина и другие грибки продолжают путешест-
вовать и перевозиться. Сегодня, как никогда раньше, животные и растения нахо-
дятся под угрозой.
Глава 4.
Продовольствие
Бананы объединяют мир. Возможно, не все люди едят один и тот же сорт, но
каждый, безусловно, узнает бананы, где бы ни встретил их на нашей планете.
Они могут быть жесткими, более сладкими или крахмалистыми, иметь кремовый
вкус, и все без исключения богаты калием. Каждый американец в среднем съедает
около 12 килограммов бананов в год - больше, чем яблок или любых других све-
жих фруктов. В других странах бананы являются частью ежедневного рациона, в
некоторых регионах обеспечивая от 30 до 60 % калорий, потребляемых за сутки.
В мире они занимают четвертое место по значимости после таких культур, как
кукуруза, пшеница и рис. Хотя существуют тысячи сортов, в западном мире пред-
почтение отдается преимущественно одному - это Кавендиш, сладкие десертные
бананы, в изобилии представленные в магазинах и кафе. Кавендиш также называют
«экспортными бананами», поскольку основная их масса выращивается в тропиках и
не потребляется на месте, а поставляется в США, Канаду, Европу, Китай и дру-
гие страны. Из 22 миллионов тонн бананов, экспортируемых в США, Европу и
Азию, большая часть выращивается в Латинской Америке и странах Карибского
бассейна. Особенно можно выделить таких экспортеров, как Эквадор, Гватемала и
Коста-Рика.
Мировой урожай бананов, получаемый с крупных и небольших ферм, многообра-
зен, хотя представлен всего двумя группами - это десертные бананы и плантаны
(крахмалистые бананы с более жесткой кожурой). Среди названий встречаются та-
кие : Матоке, Лакатан, Рог Носорога и Пизанг Авак. Более ста различных сортов
плантанов произрастают в Западной и Центральной Африке, где они являются ос-
новным продуктом питания для более чем 70 миллионов человек и источником до-
хода для семейных хозяйств и фермеров. По оценкам, в этой отрасли занято око-
ло 400 миллионов человек, которые выращивают, собирают и упаковывают примерно
100 миллиардов бананов, удовлетворяющих годовой потребительский спрос по все-
му миру. Многие из этих миллионов заняты в таких компаниях, как Chiquita,
Fyffes, Dole и Del Monte, выращивающих преимущественно бананы Кавендиш. Этот
сорт обеспечивает мировую индустрию стоимостью 40 миллиардов долларов.
Бананы растут не на деревьях, как можно подумать, а на крупных травянистых
растениях рода Musa, которые легко узнаются по большим, длинным, волокнистым
листьям, выступающим из стебля подобно опахалам. Растения крепнут, увеличива-
ются в размерах, дают цветки и плоды, а потом умирают, а новые вырастают из
основания главного стебля в виде побегов, поэтому каждое поколение является
клоном своего родителя. Плоды Кавендиш или любого другого из популярных де-
сертных сортов, как правило, не имеют семян. Их отсутствие означает, что с
генетической точки зрения мы едим один и тот же сорт банана уже примерно 50
лет.
В среднем сорт Кавендиш начинает плодоносить через семь-восемь месяцев по-
сле посадки, однако сроки могут отличаться в зависимости от способа и места
выращивания. Бананы появляются из огромного, необычной формы соцветия, кото-
рое производит одну гроздь. Развиваясь, она делится на небольшие группы, на-
поминающие руки с пальцами - по пять-шесть отростков, - это будущие бананы.
Именно такими, похожими на сложенную пятерню, мы видим их в магазине или на
рынке. К моменту сбора урожая полная банановая гроздь весит от 20 до 35 кило-
граммов. Это растение считается невероятно плодоносным.
Бананы давно стали делом жизни Луиса Покасангре - директора по исследовани-
ям и профессора Университета EARTH, который располагается в коста-риканском
Лимоне. Именно в Коста-Рике Покасангре курирует 439 гектаров банановых план-
таций. Он вырос в Гондурасе, стране, которая первой получила название «бана-
новая республика», - там, по его словам, «бананы были везде и повсюду». Даже
теннисные корты, на которых он учился играть, принадлежали компании Chiquita.
То, что Покасангре решил посвятить свою карьеру именно этому растению, стало
самым естественным, что он мог сделать в этих обстоятельствах. Банановый мир
невероятно многонационален, и, работая в Коста-Рике над проектом для француз-
ской сельскохозяйственной организации, Покасангре хорошо изучил селекцию рас-
тений и биотехнологии, после получил докторскую степень в Германии и порабо-
тал с Филом Роу, легендарным ученым и селекционером бананов. На протяжении
трех десятилетий Роу трудился в компании United Fruit в Гондурасе11 и вывел
устойчивые к болезням и отличавшиеся отличным вкусом бананы, которые были хо-
роши для приготовления пищи и стали основой для экспорта. Сейчас Покасангре
выращивает несколько гибридов, выведенных Роу, и преподает в университете
сельское хозяйство - его студентами в основном являются жители сельских об-
щин.
Бананы, предназначенные на продажу, выращиваются с особенной тщательностью,
что требует много времени и сил. На плантациях Покасангре весь процесс разви-
тия гроздья проводят в ярко-синих пластиковых пакетах, которые защищают их от
вредителей. На сладких крахмалистых плодах обитает множество хищников: нема-
тоды, трипсы, долгоносики, жуки, бактерии и грибки, любой из которых может
нанести вред, отчего плоды сгниют, покроются пятнами и в целом потеряют тот
совершенный вид, которого мы как потребители ждем. На обычных плантациях
внутренняя поверхность пакетов обрабатывается инсектицидом, например хлорпи-
рифосом - химическим веществом, которое является известным нейротоксикантом.
Существует как минимум одно исследование, которое показало, что дети, живущие
вблизи коммерческих плантаций, подвергались потенциально опасному воздействию
этого химиката, поэтому на некоторых рынках он изъят из продажи. Например, в
2021 году Агентство по охране окружающей среды США. запретило его использова-
ние на продовольственных культурах. На плантациях Университета EARTH мешки
обрабатываются смесью чеснока и лукового масла, и по плантации разносится не-
повторимый сернистый запах.
В дополнение к пластиковым пакетам работники, занятые на плантациях, просо-
вывают под каждый каскадный ряд банановых кистей картонные листы, чтобы плоды
не поцарапали друг друга. Когда большие спелые гроздья нужно перевезти с поля
на перерабатывающий завод, с этим справляется специальный трамвай, и они сви-
сают с проволоки, напоминая странных путешествующих пассажиров, явно имеющих
внеземное происхождение. Когда трамвай с бананами прибывает на завод, плоды
моют и осматривают на наличие дефектов. Рабочие снимают мертвые «цветы»
с конца каждого плода. Затем банановые кисти отделяются от грозди и плавают в
больших чанах с водой, пока рабочие отбирают, упаковывают и маркируют самые
красивые из них, которые пойдут на экспорт. Представьте себе: каждый банан,
который вы купили в магазине, прошел этот путь, и на каждом его этапе десятки
рабочих обращались с ним бережно, не снимая специальных перчаток. Упакованные
бананы грузятся в грузовик-контейнеровоз, готовый к отправке в США, Европу
или другие страны. Некоторые из них едут неделю или две, прежде чем их распа-
Как американец, Роу также осознавал важность социальной ответственности. Он был
известен тем, что предоставлял еду, финансовую помощь и советы тем, кто просил. Ко-
гда Роу умер в 2001 году, один из авторов гондурасской ежедневной газеты El Tiempo
написал: «Мы потеряли лучшего американца, который когда-либо приезжал в Гондурас».
куют и выложат в магазинах Whole Foods или Aldis и пометят надписью «выраще-
но в экологически чистых условиях». Остальные бананы реализуются там, где они
были выращены.
Как исследователя, Покасангре интересует использование полезных микробов и
пробиотическохю вида грибка под названием Trichoderma для борьбы с насекомы-
ми-вредителями, такими как микроскопические черви-нематоды, которые поедают
корни растений. Биологическим средством против нематод могут выступать неко-
торые штаммы Trichoderma, который является распространенным почвенным грибом,
а также другие добавки, например компостированные банановые растения. Обрабо-
танные растения видно сразу - они крепкие и высокие. А необработанные расте-
ния опираются на бамбуковые шесты, потому что их корни больше не могут под-
держивать стебли на достаточной высоте. Альтернативный способ борьбы с вреди-
телями - обработка пестицидным газом, она хорошо работает на бананах, но
bananaeros - производители бананов - консервативная группа, не приемлющая
перемен, поэтому многие по-прежнему полагаются на обычные пестициды.
Триходерма поедает нематоду.
Плантации EARTH разделены на блоки, которые Покасангре и другие используют
как живые лаборатории для тестирования устойчивых решений по выращиванию ба-
нанов . Блоки находятся друг от друга на приличном расстоянии: между участками
располагаются дикие леса и реки. Такое отдаленное расположение сельскохозяй-
ственных культур, которые перемежаются с местными растениями, является формой
агролесомелиорации, выступающей альтернативой масштабным плантациям, засеян-
ным какой-то одной культурой. Вредители и патогены сталкиваются с трудностя-
ми, когда им нужно переместиться от одного хозяина к другому, и нетрудно
представить, как такое расстояние между растениями может препятствовать рас-
пространению грибка, который легко может переходить с листа на лист или с
корня на побег. Между банановыми плантациями EARTH можно встретить леса из
папайи, а также целые блоки, заполненные бананами других сортов. Кавендиш че-
редуют рядом с красным Макабу и плантанами.
«Существуют и другие плантации, - говорит Покасангре, - они представляют
собой три тысячи или шесть тысяч гектаров в одном регионе, на которых выращи-
вают бананы. Никакого разделения. Один сорт, монокультура, потому что это вы-
годно». Такие плантации могут иметь еще большие размеры, и это делает сорт,
который на них выращивается, идеальной мишенью для грибков. Например, Кавен-
диш.
Столетие назад грибок, идентифицированный как Fusarium oxysporum f. sp.
cubense, практически уничтожил банановую индустрию. Заболевание, вызванное
этим грибком (так называемые штаммы Race-1, которые на самом деле являются
разными видами), стали называть панамской болезнью, или фузариозным увяданием
банана. Грибок предпочитал поражать не Кавендиш, а другой сорт - Гро-Мишель,
который отличался большими размерами. История популярности этого сорта нача-
лась с его открытия в Юго-Восточной Азии. Французский натуралист XIX века,
впечатленный плодами, привез несколько побегов бананового растения на остров
Мартиника, а после и на Ямайку. Бананы прижились в новой местности, а благо-
даря толстой кожуре еще и хорошо переносили транспортировку, дозревая на бор-
ту корабля, поэтому уже через несколько десятилетий распространились по всему
Карибскому побережью Центральной Америки.
К концу XIX века гроздья бананов Гро-Мишель выгружались в портах
Нью-Джерси, Филадельфии и Бостона. Американцы нашли новый любимый вкус. Но к
этому времени многие смогли оценить не только вкус, но и сочетание дешевизны
и прибыльность выращивания этого сорта. Дальше всех пошли мало кому известные
капитан корабля с Кейп-Кода и бостонский бакалейщик, в 1885 году основавшие
первую коммерческую компанию по производству бананов, которая получила назва-
ние «Бостонская фруктовая компания». Переименованная к 1930 году в United
Fruit, она стоила более 200 миллионов долларов. Темная история этой компании
и других подобных ей первых экспортеров подробно описана Джоном Солури в кни-
ге «Банановые культуры» и Дэном Кёппелем в его труде, который получил назва-
ние «Банан». Как бы ни был сложен банановый бизнес, история Гро-Мишель была
до поры до времени проста: сажайте и выращивайте. К началу XX века этот тро-
пический сорт процветал в Гондурасе, Коста-Рике, Панаме, Колумбии, Гватемале,
а также везде, где садоводы только могли получить прибыль от его выращивания.
К 1913 году американцы потребляли в среднем около 10 килограммов бананов в
год на человека, а компания United Fruit занимала 70 тысяч гектаров посевных
площадей.
Из сотен известных штаммов Fusarium большинство - безобидные сапротрофы,
падалыцики, живущие в почве и распускающие нитевидные гифы в поисках пищи. Но
грибки Race-1 сами оказались коварными убийцами. Никто не задается вопросом,
как они распространились по плантациям Гро-Мишель, потому что длительное вы-
ращивание монокультур обогащает почву спорами и рано или поздно приводит к
вспышке заболевания. Куда бы ни попадала почва, Race-1 тоже оказывались там:
на растениях, подошвах ботинок, шинах грузовиков. Они перемещались с водой во
время наводнений, ураганов и тайфунов, а части бананового растения, включая
листья, обычно используемые для упаковки, смогли перенести захватчика на
очень большие расстояния.
В ответ на это промышленность стала вырубать девственные леса и создавать
новые поля. Некоторые были затоплены, а затем засажены побегами зараженных
растений. Поскольку наводнение уничтожило как штаммы Race-1, вызывающие бо-
лезнь , так и большую часть полезного микробиома почвы, болезнь вернулась с
новой силой. Старые плантации остались гнить. На протяжении многих лет ученые
United Fruit безуспешно пытались найти подходящую замену или вывести устойчи-
вый и вкусный гибрид банана, но, в конце концов, убытки отрасли стали исчис-
ляться миллионами долларов в год. Грибок поразил не только плантации, принад-
лежащие компании, не только Центральную и Южную Америку - он поразил произво-
дителей в Азии, Африке, Латинской Америке и везде, где произрастал
Гро-Мишель. А виноваты в этом были сами производители, которые просто продол-
жали сажать одно и то же в разных местах.
Результат оказался катастрофическим, и он уничтожил бы всю отрасль, если бы
не тот факт, что Race-1 не поражали большинство других сортов банана, вклю-
чая Кавендиш. Кавендиш был известен садоводам, по меньшей мере, полвека. Счи-
талось, что он происходит из Китая и когда-то был привезен на Маврикий, кото-
рый контролировали сначала голландцы, затем французы, а потом британцы, пока
в 1968 роду государство не обрело независимость. Когда примерно в начале
XVIII века сорт Кавендиш оказался на острове, британский садовод и врач
Чарльз Телфэр посадил несколько экземпляров в своем саду. В конце 1820-х го-
дов Телфэр отправил образец растения в Англию, где он постепенно перебрался в
сады богатых коллекционеров экзотических растений и животных. В конце концов
сорт прижился в саду шестого герцога Девонширского Уильяма Кавендиша. На про-
тяжении всего столетия сорт имени Кавендиша путешествовал по колониям и тер-
риториям, простиравшимся в южной части Тихого океана, в Египте и Южной Афри-
ке .
В то время американцы не интересовались другими сортами бананов - у них был
Гро-Мишель. Даже когда банановая отрасль пошла в гору, Кавендиш все еще счи-
тался слишком деликатным в уходе по сравнению с их любимым сортом. Гро-Мишель
можно было транспортировать в любую точку мира и не беспокоиться, что его ко-
жура повредится, если высыпать сотни гроздей на палубу корабля, чего не ска-
жешь о более нежном Кавендише: бананы этого сорта было легко смять, поэтому
их приходилось упаковывать в коробки. К тому же некоторые потребители считали
его не таким сладким. Тем не менее, его вид и вкус были более или менее при-
вычными, поэтому, когда появилась угроза заражения штаммами Race-1, Кавендиш
стал предпочтителен для выращивания - он оказался устойчивым к заражению
грибками. Постепенно банановой отрасли пришлось перестроиться и перейти новый
уровень, изменив процесс сбора и транспортировки плодов, пусть для этого и
пришлось надеть специальные перчатки, чтобы до потребителей доходил идеаль-
ный , неиспорченный товар. За несколько десятилетий бананы Кавендиш вытеснили
Гро-Мишель, заняв огромные монокультурные плантации. К середине века United
Fruit провела ребрендинг, представив бренд Chiquita и одноименный рекламный
джингл. А в 1990 году компания переименовалась в Chiquita Brands
International и до сих пор, сохранив статус глобальной производственной ком-
пании, остается одним из крупнейших дистрибьюторов бананов в США.
Теперь Chiquita и все остальные представители банановой индустрии столкну-
лись с очередным витком фузариозного увядания. На этот раз речь идет о крайне
агрессивном грибке под названием Fusarium odoratissimum, известном как
Tropical Race-4, или TR4. В отличие от штаммов Race-1, этот грибок поражает
растения Кавендиш. Перефразируя Кёппеля, можно сказать, что индустрия должна
была ожидать подобной расплаты. Производители бананов, по сути, пригласили
грибок к столу, предоставив ему почти бесконечную монокультуру и средства пе-
редвижения .
Фузариозное увядание банана (неважно, вызванное штаммами Race-1 или TR4)
передается через почву. Споры, называемые хламидоспорами, рассеиваются вокруг
зараженных растений, и когда одно из них пускает корни, спора пускает тонкие
гифальные нити через корень и стебель. Проходы для питательных веществ и воды
засоряются, поскольку грибковые гифы прорастают сквозь сосудистую сеть расте-
ния, и в конце концов главный стебель разрывается. Он вянет и коробится, ста-
рые листья желтеют, а грибок продолжает душить растение. Прежде чем оно отми-
рает , гриб размножается, разнося по плантации новое поколение спор. Как и
другие грибы, представители рода Fusarium выделяют различные виды спор. Неко-
торые из них, например микроконидии и макроконидии, не могут долго выживать в
отсутствие хозяина. Хламидоспоры, выходящие из гифальных нитей, очень живучи
и могут сохраняться в почве годами (Покасангре говорит о десятилетиях), что
отчасти объясняет, как грибки после удаления последнего бананового растения
продолжают оставаться в земле и ждут своего часа. В отсутствие банановых рас-
тений они могут жить в других растениях, не вызывая болезней, и это увеличи-
вает их выносливость. При других грибках через несколько сезонов после зара-
жения можно пересадить некоторые фруктовые и овощные культуры, но бананы, пе-
режившие фузариозное увядание, - нет. Уничтожить грибок невозможно, разве что
удалить зараженную почву с плантации или полностью ее затопить, чтобы лишить
споры кислорода.
Повреждения бананов Fusarium odoratissimum.
С момента своего появления грибок, получивший название TR4, уничтожил мил-
лионы гектаров, на которых росли бананы Кавендиш, по всему миру. Материал о
грибке на канале CNN был озаглавлен «Почему бананы, какими мы их знаем, могут
исчезнуть (снова)», а в The New Yorker и New York Times появились заголов-
ки, отсылающие к известной песне 1920-х годов «Да, у нас нет бананов», кото-
рая была написана под вдохновением от первой попытки борьбы с фузариозным
увяданием.
Впервые TR4 был обнаружен в 1967 году на плантациях, засеянных сортом Ка-
вендиш, которые располагались на Тайване. Возможно, распространение грибка
началось из Индонезии, а именно - с Суматры. Несколько лет спустя правитель-
ство Тайваня издало чрезвычайный приказ об уничтожении растений: и бананов,
которые оказались заражены, и тех, что росли рядом с ними. Работа была трудо-
емкой, и многие рабочие просто выдергивали или срезали растения, оставляя их
гнить лежащими на земле. А если прибавить к этому проливные дожди, которые
нередки на Тайване, несложно догадаться, как далеко смогли распространиться
споры. В последующие десятилетия грибок распространился по Китаю, а затем и
по другим странам, выращивающим бананы. В 2019 году он был обнаружен в Колум-
бии - TR4 прибыл в Южную Америку12.
Один из способов опередить текущую пандемию или предотвратить следующую -
понять, как и куда перемещается патоген. Фитопатолох1 из Вагенингенского уни-
верситета в Нидерландах Герт Кема и его коллеги занимаются отслеживанием пе-
ремещения TR4 в лаборатории. Для этого они секвенируют ДНК грибов, отыскивая
небольшие изменения в геноме, которые затем прослеживают во времени и про-
странстве, двигаясь, словно по следу из хлебных крошек. К осени 2021 года они
генотипировали около двух тысяч и секвенировали около ста различных штаммов
В 2021 году грибок был обнаружен в Перу, что заставило страну объявить чрезвычай-
ное положение.
TR4, отобранных на огромной территории - от Азии до Африки и далее. Несмотря
на то, что Кема очень опытен в этом вопросе и опирается в работе на большой
массив данных, он не склонен утверждать, что существует прямая связь между
штаммом, появившимся в Колумбии, и штаммами из других регионов13. Некоторые
ученые предполагают, что колумбийский штамм мог быть родом из Индонезии.
Кема уверен, что, где бы ни распространялся TR4, споры грибков явно перено-
сятся с места на место при помощи человека. Так было и в прежние времена: ра-
бочие шли по зараженной почве, перенося ее фрагменты на своих подошвах и с
помощью промышленного оборудования, - и это позволяло грибку путешествовать
не просто на далекие расстояния, а между континентами. И этот процесс не ос-
тановить , убежден Кема: как только грибок селится в почве, надежды на его
уничтожение не остается. Самое обидное, что при поражении TR4 страдают не
только фермеры, теряющие урожай.
«Грибок, - говорит Луис Покасангре, - это социальная проблема. Он затраги-
вает всех нас без исключения. А это банки, промышленники, тысячи фермеров,
рабочих, которые на фабриках упаковывают бананы, а также ученые, потребители
- все». Сорок тысяч человек только в Коста-Рике непосредственно заняты в этой
отрасли, а еще более ста тысяч работают во вспомогательных службах. В 2014
году, за несколько лет до того, как грибок появился в Южной Америке, бывший
министр сельского хозяйства Коста-Рики заявил газете Independent: «Если TR4
вторгнется... мы потеряем 880 миллионов долларов экспортного дохода. Результа-
том станут нищета, безработица, наркотики и преступность». «Люди сейчас в па-
нике , - говорит Покасангре о нынешней волне заражения TR4. - Бананы - это не
просто еда. Это еще и большие деньги для промышленности, способ заработать на
жизнь - много чего». Сара Гурр, изучающая в Эксетерском университете влияние
болезней на продовольственные и товарные культуры и взаимосвязь между ними,
соглашается с Покасангре: «Экономика развивающихся стран во многом зависит
исключительно от таких сырьевых товаров, как кофе и бананы, которые они могут
продавать, а потом покупать на вырученные средства калорийные культуры. Ко-
лумбия работает на кофе, а Гаити зависит от бананов», взамен эти страны поку-
пают пшеницу, рис и кукурузу.
TR4 угрожает отрасли, которая поставляет 22 миллиона тонн бананов в год, и
рано или поздно, но это отразится на каждом из нас. Если Кавендиш погибнет,
мы лишимся любимой закуски на завтрак и должны будем расширить привычный ба-
нановый ассортимент, чтобы иметь возможность и дальше наслаждаться этими пло-
дами. Правда, других сортов, более устойчивых к грибку. При этом миллионы
других людей, занятых в производстве бананов Кавендиш, потеряют средства к
существованию. В истории с грибком TR4 заключена проблема любой глобальной
индустрии, которая привязана к одному виду культуры и не имеет запасного пла-
на . Будущее наших бананов еще не определено, но перемены грядут.
Фузариозное увядание, поражающее в основном экспортные бананы, вызывает
беспокойство, но это не единственное крупное грибковое заболевание, атакующее
эти растения. Если бы мы составили рейтинг болезней, угрожающих продовольст-
венной безопасности, то первое место в нем заняла бы черная сигатока. Вызы-
вающий ее грибок Pseudocercospora fijiensis впервые был замечен в 1960-х го-
дах в Юго-Восточной Азии. В отличие от фузариозного увядания, его споры рас-
пространяются по воздуху, а это значит, что они способны перелетать с одной
фермы на другую с помощью ветра, и люди мало что могут с этим сделать, чтобы
обезопасить свой урожай. Через несколько часов после попадания на банановый
лист, если там достаточно влаги, споры прорастают. Как и в случае с другими
грибами, гифы Pseudocercospora fijiensis проникают в поисках пищи в ткани
Кема смог продемонстрировать такую взаимосвязь при вторжении TR4 в регион Меконг
в Юго-Восточной Азии.
растения через устьица. А оттуда - в клетки листа, чтобы затем снова выйти
наружу тем же путем. Когда листья отмирают, у растения, лишенного ресурсов,
остается меньше энергии для плодоношения, и оно становится менее продуктив-
ным. Даже мертвые и отмирающие листья выделяют миллионы спор, и некоторые из
них пролетают более сотни миль в поисках новых хозяев. Черная сигатока не
только плодовита, но и активно стремится размножаться, некоторые даже сказали
бы, что этот грибок «суперактивен». Поскольку он выбрасывает десятки тысяч
спор, потенциал для генетического разнообразия огромен. Также, в отличие от
фузариозного увядания, черная сигатока поражает как десертные бананы, так и
плантаны.
Если и есть какое-то спасение от черной сигатоки, так это обрезка заражен-
ных листьев, которая физически останавливает распространение спор, и исполь-
зование фунгицидов. Правда, обрезки будет недостаточно на больших плантациях
или там, где гриб уже завоевал слишком внушительное пространство. В некоторых
местах, где грибок растет лучше всего14, самолеты сбрасывают фунгицид на рас-
тения примерно каждые пять дней. Некоторым культурам требуется 60 и более об-
работок , чтобы они могли продержаться весь вегетационный период. Многие фер-
меры, ведущие натуральное хозяйство, не используют фунгициды, потому что они
недоступны или слишком дороги, что затрудняет борьбу с грибком. Так что, ко-
гда появляется черная сигатока, они могут потерять от 30 до 80 % урожая. Но
мелкие производители делают и то, чего не встретишь на крупных плантациях Ка-
вендиша, - они выращивают множество различных сортов бананов и практикуют аг-
ролесоводство. Грибок нуждается в солнечном свете, поэтому, когда бананы рас-
тут в качестве подсобной культуры в тени высоких деревьев, как это происходит
в дикой природе, у черной сигатоки нет необходимых условий для процветания.
У банановой индустрии давняя история борьбы с сигатокой: до черной разно-
видности растения атаковала ее родственница - желтая сигатока, начавшая рас-
пространяться по плантациям с 1910-х годов. Желтая сигатока - болезнь, вызы-
ваемая Pseudocercospora musicola. Свое название она получила из-за желтых пя-
тен, которыми покрывались зараженные банановые листья. В отличие от панамской
болезни, с желтой сигатокой получилось справиться и взять ее под контроль.
Для этого зараженные растения обливали фунгицидом того времени - бордоской
смесью на основе меди. Поскольку грибок был легкодоступен, потому что жил на
листьях, а смесь прилипала к ним, обработка спреем имела огромный успех.
При этом столь масштабная работа оставалась грязной и трудоемкой. Рабочие
перевозили медную смесь по обширным полям и распыляли сотни галлонов на рас-
тения вручную десятки раз за сезон. После сбора урожая остатки меди удалялись
путем погружения гроздей бананов в большие чаны с кислотой, после чего их
промывали водой. В то время как потребители в США. и других странах наслажда-
лись бананами, рабочие страдали.
Повествуя о своем опыте в борьбе с желтой сигатокой, активист и историк Ва-
шингтонского университета Стив Марквардт писал, что медный купорос накапли-
вался на коже и одежде рабочих, «пока не образовывал ядовитую сине-зеленую
корку». Даже несколько месяцев спустя жены и другие члены семьи рабочих, ко-
торые больше не подвергались воздействию меди, говорили, что «слизистые обо-
лочки бывших perico оставались зеленоватыми, как и пот, который выделяли их
тела». Perico означает «попугай». Рабочие называли себя так, потому что их
кожа и одежда быстро приобретали несмываемый медно-зеленый оттенок. Также по-
лучило известность заболевание, названное «легкие опрыскивателя», которое
Покасангре говорит, что, когда идет много дождей, «невозможно обойтись без опры-
скивания». «Мы используем меньшие объемы, - говорит он, - примерно половину того,
что может использовать обычный производитель в этом регионе, поэтому фрукты могут
быть обозначены как экологично выращенные, а не органические».
могло стать хроническим и смертельно опасным, а его симптомы напоминали ту-
беркулез .
В 1942 году работники United Fruit Company обратились к президенту Кос-
та-Рики Рафаэлю Анхелю Кальдерону Гуардии: «Мы, рабочие-опрыскиватели, осно-
вываясь на горьком опыте нашей работы, сообщаем вам, что мучаемся от головных
болей, ночного кашля и ухудшения зрения - это обычные явления среди нас. То
есть у нас страдают зрение, мозг и легкие, а также мы очень подвержены тубер-
кулезу». Несмотря на поднятую проблему, рабочие-опрыскиватели продолжали тру-
диться на плантациях на протяжении 1950-х годов, и только в 1958 году практи-
ка распыления бордоской смеси была прекращена. Сотни килограммов меди, кото-
рые за эти годы оказались на Коста-Рике, оставили неизгладимый след в почве,
сделав некоторые из земель, подвергшихся особенно мощной обработке, непригод-
ными для посадки растений.
После Второй мировой войны как производителям, так и потребителям стали
доступны новые химикаты, например хлорированные инсектициды ДДТ и токсафен.
Также на рынке появились такие препараты, как манкоцеб и беномил, которые от-
личались от меди простотой в применении и большей токсичностью. Манкоцеб стал
одним из первых альтернативных препаратов, к которому смогли получить доступ
специалисты банановой промышленности. Действуя при прямом контакте с заражен-
ным растением, он убивает грибки, разрушая ферменты, участвующие в ключевых
метаболических функциях. Фунгициды на основе беномила, появившиеся в конце
1960-х годов, препятствуют делению клеток. Оба препарата токсичны для людей и
диких животных и могут вызывать врожденные дефекты, а манкоцеб также воздей-
ствует на нервную систему. Их применение было эффективно, но всего десятиле-
тие, потому что после некоторые грибки стали проявлять признаки устойчивости
к этим препаратам.
Время требовало новых решений, поэтому в 1980-х годах стал популярен новый
класс фунгицидов - азолы, среди которых можно особенно выделить триазолы. Эти
химические вещества ингибируют фермент, необходимый грибкам для построения
клеточной мембраны. Такой механизм уничтожения грибков присущ азольным препа-
ратам, которые обычно используются для лечения грибковых инфекций у людей.
Использование этих фунгицидов в некоторых сельскохозяйственных районах было
связано с появлением грибковых патогенов человека, устойчивых к лекарственным
средствам.
Хотя сегодня использование пестицидов и условия их применения стали более
безопасными, интенсивное применение остается проблемой для работников банано-
вого производства и тех людей, которые живут вблизи крупных коммерческих
плантаций. Активное использование все новых и новых препаратов в сочетании с
многочисленной и генетически разнообразной популяцией грибов превращается в
замкнутый круг. Благодаря ему мы позволяем микробам эволюционировать и разви-
вать способность к выживанию в условиях применения химикатов. Все это похоже
на бесконечную гонку по беговой дорожке - производители фунгицидов никогда не
смогут догнать грибки.
В 2015 году крупнейший рынок страхования Lloyd's of London представил сце-
нарий «продовольственного шока» - ситуации, которая наступит, если производ-
ство четырех крупнейших сельскохозяйственных культур в мире сократится. Сце-
нарий учитывал наводнения и засухи, которые усугубляются с изменением клима-
та, а также массовые пандемии грибков, включая стеблевую ржавчину и другие
виды ржавчины, которые поражают сою. Было предложено наихудшее развитие собы-
тий, включая терроризм, к которому может привести нестабильность в производ-
стве продовольственных культур, политическую неопределенность, голодные бунты
и, как писали авторы, каскад «экономических, политических и социальных по-
следствий» . Все это очень напоминало сценарий к типичному антиутопическому
фильму, но влияние грибка на урожай не просто научная фантастика - это реаль-
ность, которая действительно однажды может наступить. Стоит вспомнить, что
половина мира питается рисом, а пшеница занимает столько площадей, сколько не
занимает ни одна другая сельскохозяйственная культура. Зерно обеспечивает бо-
лее 450 миллиардов человек, давая каждому примерно 20 % нормы калорий и бел-
ка. Пшеница, рис и кукуруза являются основными сельскохозяйственными культу-
рами , и всем им угрожает тот или иной грибок.
С самого зарождения сельского хозяйства пшеницу преследовал ржавчинный гри-
бок. Более десяти тысяч лет спустя постоянно растущее население Земли
по-прежнему зависит от пшеницы, а значит, ржавчина все еще с нами. В 1999 го-
ду в Африке на пшенице был обнаружен высоковирулентный штамм ржавчины под на-
званием Ug99, и многие забеспокоились, что он распространится по всему миру.
Сара Гурр утверждает, что новый штамм - это «крошечная часть огромной исто-
рии. На ее страницах уже отмечено много тысяч штаммов стеблевой ржавчины пше-
ницы». Существуют и другие грибковые заболевания, поражающие эту сельскохо-
зяйственную культуру, и одно из них происходит от болезни, которую мы знаем
как «рисовый взрыв». Вероятно, в 1980-х годах грибок, вызывающий ее, перебро-
сился на пшеницу, а Гурр и ее коллеги предполагают, что этому поспособствова-
ла практика выращивания больших монокультур риса. Это дало грибку возможность
эволюционировать и заразить нового хозяина. Однако, несмотря на то, что про-
изводителям известна проблема монокультур, Гурр не видит легкого выхода из
ситуации. «Можно делать вид, что надежда есть, - говорит она. - Но, если мы
хотим прокормить растущее население планеты, монокультура - единственный спо-
соб выращивать еще больше». Это означает, что грибковые пандемии будут и
дальше угрожать нашей пище - от пшеницы до риса, от кукурузы до бананов - и
не только ей.
Стеблевая ржавчина пшеницы.
Глава 5.
Ночь
Вот уже полвека, а возможно, и дольше в городке Монтегю, где я живу, люби-
мым летним занятием было наблюдать за летучими мышами. Самый распространенный
вид, который можно было встретить, - это малая бурая ночница, или Myotis
lucifugus (Myotis означает «мышиный», a lucifugus - «бежать от света»). У
этих небольших летучих мышей блестящий мех и закругленные уши. В сумерках со-
седи спускались к старой конгрегационалистской церкви и наблюдали за чердач-
ным окном на втором этаже, откуда рано или поздно всегда появлялись летучие
мыши. Сперва не спеша. Вот падала с карниза первая, не успев поймать крыльями
воздух, затем другая, за ней две или три. Мгновением позже они тучей взмывали
в ночное небо - сотни маленьких коричневых летучих мышей покидали свои укры-
тия, взлетали, пикировали, поднимались и кружились на месте в поисках мотыль-
ков, жуков и других насекомых. Ночные охотники воздушной экосистемы. Церковь
была для них убежищем, местом, где летучие мыши обзаводились потомством. Вес-
ной самки прилетали сюда беременными, накопив сперму с осеннего брачного се-
зона, до спячки. Вынашивали, рожали, а потом выкармливали детенышей.
Когда воздух прогревается и появляются насекомые, летучие мыши-матери от-
правляются на охоту, а новорожденные детеныши иногда цепляются за них во вре-
мя полета. Ежедневный рацион малых бурых ночниц составляет от трети до поло-
вины веса их тела, то есть сотни, а иногда и тысячи мотыльков и жуков будут
пойманы и съедены, чтобы обеспечить маленькое млекопитающее пищей, сопостави-
мой с несколькими долями унции. Летучая мышь переваривает их тела, часто от-
рывая крылья и другие части перед употреблением. Питательные кусочки улова
она откладывает в виде жира или превращает в молоко для своего детеныша, а
остальное выводит в виде гуано, или фекалий. Если представить, сколько одна
малая бурая ночница потребляет за целый сезон, несколько граммов мотыльков,
жуков и комаров, съеденных за одну ночь, превращаются в тысячи тонн в год,
которые потребляют ее сородичи по всему континенту.
Когда воздух остывает и жуки исчезают, летучие мыши ищут пещеру или шахту,
где температура зимой умеренная, хищников мало и есть немного воды, - здесь
они проведут всю зиму. Одной из крупнейших на северо-востоке является пещера
Эол, которая располагается на склоне Таконических гор, около Ист-Дорсета,
штат Вермонт. Там ученые, занимающиеся изучением летучих мышей, следят за ви-
дами, которые впадают в спячку каждую зиму, пересчитывают их и стараются не
тревожить крепкий сон в процессе изучения. По оценкам специалистов, на протя-
жении десятилетий каждую зиму Эол заселяли десятки или сотни тысяч летучих
мышей. Пещера находится примерно в 112 километрах от Монтегю, поэтому вполне
вероятно, что, по крайней мере, некоторые из летучих мышей, обитавших в церк-
ви Монтегю, зимовали там, прижимаясь крылом к крылу к тысячам других особей
их вида.
Чуть более десяти лет назад летучие мыши начали исчезать. Ходили слухи, что
в церкви в Монтегю расчистили чердак и перекрыли им проход, но дело было со-
всем не в этом. Поодиночке, а затем целыми группами летучие мыши заболевали
синдромом белого носа, который вызывал безобидный на вид грибок
Pseudogymnoascus destructans (Pd). Название болезни пошло от белого пуха, ко-
торый появлялся на мышиных мордочках в процессе развития грибка. Именно он и
убил миллионы малых бурых ночниц по всей Северной Америке.
Грибковые заболевания, убивающие млекопитающих, встречаются редко. Из мил-
лионов известных видов грибков только несколько десятков могут выжить в теп-
локровной среде, которой отличаются тела летучих мышей или наши. Большинству
млекопитающих просто становится слишком жарко во время заражения, и это уби-
вает патогены. Но мы знаем, что люди все более восприимчивы к инфекциям из-за
современных медицинских вмешательств, которые могут подавлять иммунитет. Все
это приводит к тому, что некоторым грибкам удается выжить в наших телах, не-
смотря на повышенную температуру. Таких болезнетворных грибков все еще немно-
го, и мы можем чувствовать себя защищенными, потому что, как и многие другие
млекопитающие, способны поддерживать высокую температуру тела круглый год. Но
многие виды летучих мышей на это не способны: малые бурые ночницы впадают в
спячку, и когда они это делают, температура их тела падает. Именно этой ла-
зейкой и воспользовался Pseudogymnoascus destructans, чтобы переписать исто-
рию жизни некоторых видов.
Pseudogymnoascus destructans.
С 2007 года синдром белого носа уничтожил миллионы летучих мышей, в том
числе малых и больших, северных ушастых, трехцветных и уже находящихся под
угрозой исчезновения индианских ночниц. Все они относятся к зимующим видам.
Эпидемия опустошила пещеры, колокольни, чердаки и амбары по всей территории
США. и Канады, и масштаб этих потерь ужасает15. До появления синдрома белого
носа популяции малых бурых ночниц на Востоке исчислялись сотнями тысяч, а те-
перь же их численность составляет в лучшем случае десятки тысяч. Они, а также
трехцветные ночницы и северные ушастые летучие мыши потеряли 90 % популяции,
последние в 2015 году даже были включены в список видов, находящихся под уг-
розой исчезновения. Для некоторых из этих видов потери являются настолько ка-
тастрофическими, что можно утверждать: из-за грибка мы теряем наших летучих
мышей.
Четверть всех известных млекопитающих, а также самые необычные из них - это
летучие мыши, или рукокрылые. Они выделяются благодаря особенностям полета.
Около 60 миллионов лет назад эволюция начала формировать крылья летучих мышей
из костей пальцев и кожи. Если вы расправите крыло летучей мыши, то обнаружи-
те, что каждая длинная тонкая кость и каждый сустав их соответствуют костям и
суставам вашей руки. Пальцы летучей мыши соединяет мембрана, называемая хиро-
патагиум, еще одна заполняет пространство между задними лапами и хвостом, -
эти модификации и наделяют их даром полета, а сочетание мембраны и длинных
тонких пальцев обеспечивает удивительную маневренность. Полет летучей мыши в
замедленной съемке завораживает: крылья вытягиваются и складываются, вытяги-
ваются и складываются. Если вы наблюдали за ночной охотой летучих мышей, то,
возможно, заметили, как они кружатся и поворачиваются, преследуя добычу, или
слышали тихий свист, с которым они проносятся над головой. Самое удивительное
- это то, как летучие мыши полагаются на эхолокацию для навигации и охоты.
Они посылают звуки, которые мы не можем услышать, и улавливают их, когда они
отражаются от добычи и других объектов, что очень похоже на сонары дельфинов
или действие корабельных гидролокаторов.
Малые бурые ночницы с помощью эхолокации находят насекомых, перемещаются по
Менее чем за десять лет грибок распространился по Великим равнинам, убивая и за-
ражая летучих мышей от Манитобы до штата Вашингтон и вплоть до юга Техаса.
крышам, телефонным проводам, полям и деревьям. Их уши - важный орган, кото-
рый, как и уши других позвоночных, представляет собой чудо-машину Руба Голд-
берга, состоящую из воронки, гонга и электрических сигналов. Как одна костяш-
ка домино ложится на другую, а та на третью и далее, чтобы в итоге получилась
огромная картина, так и действия, совершаемые слуховым аппаратом, представля-
ют собой сложную цепочку, в результате которой мы слышим звук. Мы говорим,
собака лает, летучая мышь пищит - и вибрации распространяются по воздуху в
виде волн давления, взаимодействуя с волосами, костями, кожей и нервами в
ухе. Когда звук попадает в наружные ушные раковины, он направляется к бара-
банной перепонке и находящемуся за ней среднему уху. Три маленькие косточки
среднего уха - наковальня, стремечко и молоточек - помогают смягчать и пере-
давать входящие звуковые колебания во внутреннее ухо - орган в форме улитки,
который передает звук в мозг. Большинство из нас слышат волны с частотой от
20 до 20 000 герц. Например, скрипка и флейта-пикколо излучают звуковые волны
с частотой до 3500-5000 герц, в то время как туба выталкивает воздух на го-
раздо более низкой частоте - от 40 до 375 герц, так что диапазон, который мы
воспринимаем, достаточно широк, чтобы наслаждаться игрой оркестра. Но если
сравнить его с диапазонами других видов, например кошек, собак, белух и лету-
чих мышей, чьи уши способны слышать волны с частотой 100 000 герц, наши воз-
можности покажутся довольно ограниченными. Малые бурые ночницы издают и при-
нимают звуки в диапазоне от 40 000 до 80 000 герц. Большие - от 25 000 до 65
000, и если писк летучих мышей замедлить до нашего слуха, он покажется нам
похожим на щебетание птиц. При этом оба вида бурых ночниц издают звуки, гром-
кость которых может достигать 110 децибел, что показалось бы нам шумом, экви-
валентным одновременному тарахтенью множества отбойных молотков. Этого было
бы достаточно, чтобы повредить слух не только наш, но и летучей мыши. Суть в
том, что в ушах этих животных есть небольшая мышца, которая сжимает крошечные
ушные косточки, открывая и закрывая их десятки раз в секунду, что защищает их
от собственных звуков.
Большинство видов летучих мышей питаются насекомыми, фруктами и нектаром.
Некоторые едят мясо: рыбу, лягушек, мелких грызунов, птиц и других летучих
мышей. Немногие настоящие летучие мыши-вампиры, или обыкновенные вампиры, пи-
таются кровью куриц и таких животных, как свиньи и крупный рогатый скот, -
особенно когда они спят или просто не двигаются. На кончике морды летучей мы-
ши-вампира находится термосенсор, который помогает ей определять, где распо-
ложен источник пульсирующей теплой крови. И геном, и микробном данного вида
приспособились к этой привычке питания, что позволяет летучим мышам-вампирам
выживать при жидкой диете, которая может быть опасна из-за передающихся через
кровь микробов и токсичного уровня железа.
В Центральной и Южной Америке обитают сотни видов летучих мышей, в том чис-
ле и вампиры. Самая маленькая - свиноносая летучая мышь, которая помещается
на кончике пальца и обитает в Таиланде. Одна из самых крупных в мире - фрук-
тоядный гривастый ацеродон с размахом крыльев до 180 сантиметров16. Он внесен
в список видов, находящихся под угрозой исчезновения, наряду с более чем
пятьюдесятью другими видами летучих мышей, численность которых начала сокра-
16 Фруктоядный гривастый ацеродон обитает на Филиппинах и является одним из многих
видов летучих мышей, на которых охотятся и продают на рынках в качестве мяса диких
животных, что является потенциальным путем передачи вируса от дикой природы к чело-
веку. Патогены, эндемичные для летучих мышей, могут быть предшественниками вирусов,
вызывающих пандемии у людей, включая недавний SARS-CoV-2, хотя путь передачи вируса
от летучей мыши к человеку, если он существует, еще не установлен. Летучие мыши мо-
гут переносить бешенство - редкое, часто смертельное для человека заболевание, если
его не лечить вовремя.
щаться задолго до появления синдрома белого носа.
Из 47 видов летучих мышей, обитающих в Северной Америке, около половины яв-
ляются мигрирующими, а остальные проводят зимнюю спячку в пещерах и старых
шахтах, а весной и летом ночуют в церквях и на чердаках или деревьях. Сереб-
ристый вечерник, названный так за белый цвет, украшающий кончики меховых вор-
синок, летом ночует в дуплах деревьев, а на зиму мигрирует на юг - его можно
встретить от Аляски до Мексики. Северная ушастая летучая мышь (которая, как и
малая бурая ночница, является мышевидной) в теплые месяцы, подобно древола-
зам, пробирается под полоску коры или находит подходящую безопасную щель,
чтобы спрятаться, а зимой впадает в спячку. Большие бурые ночницы могут объе-
диняться с малыми и обитать на одном чердаке или в амбаре. Все эти, а также
сотни других видов относятся к вечерним летучим мышам, названным так за их
ночной характер. Есть еще листоносые, свободнохвостые, подбородколистые и
присосконогие. Когда большинство из нас видит их, то думает: «Это просто ле-
тучая мышь», но на самом деле они гораздо более интересные и необычные, чем
мы можем вообразить.
В начале 2000-х годов аспирант Джон Рейхард работал над докторской диссер-
тацией под началом Томаса Кунца, всемирно известного ученого из Бостонского
университета. Прозванный человеком - летучей мышью, Кунц был неутомимым нова-
тором и разносторонним исследователем, который изучал летучих мышей. Он зани-
мался вопросами их физиологии, а также экологии, охраны природы и аэроэколо-
гии - области, которую он помогал развивать, чтобы лучше понять, как воздуш-
ная среда взаимодействует с изменчивым и необычным окружением, в котором жи-
вут летучие мыши. Его труд и усилия десятков его студентов позволили получить
реальное представление о животных, которые были недостаточно хорошо изучены и
которых было трудно наблюдать в естественных условиях.
Рейхард изучал бразильских складчатогубов (Tadarida brasiliensis) в Теха-
се . Эти притягательные создания, которые, по некоторым данным, являются самы-
ми быстрыми млекопитающими на планете, миллионами обитают под мостом Кон-
гресс-авеню в Остине. Туристы со всего мира стекаются сюда, чтобы понаблюдать
за крупнейшим городским скоплением летучих мышей в стране. Байдарочники, ка-
ноисты, пассажиры экскурсионных лодок и пешеходы собираются в сумерках, чтобы
воочию увидеть живой, хлопающий крыльями поток, который вытекает из-под моста
и огибает озеро Леди Берд. Рейхард измерил температурные сигналы и потерю те-
пла у летучих мышей, живущих в техасских пещерах Хилл Кантри. Поскольку сде-
лать это, не потревожив их, довольно сложно, он использовал тепловизионную
камеру - новое для того времени устройство. Он думал, что после окончания ас-
пирантуры будет изучать, как летучим мышам удается предотвратить перегрев во
время длительных перелетов, особенно мигрирующим видам, таким как свободно-
хвостые. Или, может быть, займется северо-восточными летучими мышами и выяс-
нит, достаточно ли насекомых-вредителей они съедают, чтобы местные урожаи яб-
лок или клюквы оставались нетронутыми.
Зимой 2007 года Рейхард заканчивал работу над диссертацией, когда в лабора-
торию Кунца поступил звонок. Что-то странное происходило с летучими мышами в
одной из пещер штата Нью-Йорк, поэтому Кунца и его команду пригласили прие-
хать и посмотреть на них, захватив с собой тепловизор, который Рейхард ис-
пользовал в Техасе. Предыдущей зимой спелеолог, исследующий недалеко от Олба-
ни пещерную систему под названием Хау Кэйвернс, заметил летучих мышей, кото-
рые летали днем, что было крайне необычным явлением. Через несколько месяцев
в трех пещерах и шахтах поблизости были обнаружены мертвые летучие мыши, тела
которых были усеяны маленьким белыми ватными вкраплениями неизвестного гриб-
ка . Причина смерти оставалась загадкой, поскольку считалось, что грибки не
убивают летучих мышей.
Находка была странной и тревожной, но многие надеялись, что это единичный
случай, который затронул всего несколько пещер, а значит, он мох1 стать бедст-
вием для их популяций, но не для всех остальных. Биологи тешили себя мыслью,
что эта катастрофа останется локальной, но следующей зимой посетили другие
пещеры и шахты к югу от Олбани и обнаружили ту же картину - мертвых летучих
мышей. На этот раз специалисты были потрясены, тем более что те особи, кото-
рые еще были живы, оставались в состоянии оцепенения. Во время спячки физио-
логическая активность летучих мышей замедляется, но даже когда их случайно
беспокоят в процессе наблюдения, они ненадолго пробуждаются и никогда при
этом не остаются абсолютно неподвижными. А эти летучие мыши не спали, но при
этом и не двигались. Потрясенные ученые обратились к другим специалистам,
включая Кунца и Рейхарда. Возможно, измерение температуры тела даст какую-то
подсказку. И Рейхард вооружился тепловизором, чтобы пролить свет на необычную
медлительность летучих мышей, но то, что он увидел, было ужасающим. Существа,
которых он мечтал изучать в ближайшем будущем, оказались мертвы или умирали.
Следующей зимой Рейхард посетил пещеру Эол в Вермонте и увидел там то же
самое: «Пол был усеян тысячами тушек летучих мышей. На стене висели мертвые
особи, а рядом с ними группировались больные летучие мыши. В пещере образова-
лись ледяные наросты, внутри которых также виднелись маленькие трупы. Летучие
мыши ползали по снегу, предположительно, в поисках воды, а в устье одной из
пещер на них охотилась острохохлая синица». Другие ученые описывали пещеры, в
которых пахло смертью: там мыши нападали на умирающих летучих мышей, которые
были слишком больны, чтобы бороться с ними. Когда болезнь только распростра-
нилась, людей шокировала массовая гибель этих удивительных существ, а биологи
были опечалены, потому что понимали, насколько непоправима эта потеря. Ро-
дильные колонии в Новой Англии, которые Кунц изучал на протяжении десятиле-
тий, внезапно замолчали и опустели. Рейхарду и целому поколению ученых, изу-
чающих летучих мышей, теперь предстояло выполнить миссию, о которой они и по-
думать не могли: спасти некогда многочисленный вид или задокументировать его
вымирание.
Нормальная температура тела малых бурых ночниц не сильно отличается от на-
шей: от 35 до 38 С. Во время оцепенения их тела остывают до 4-10 С, что почти
соответствует температуре в пещере. Метаболизм замедляется до уровня, которо-
го достаточно для поддержания работы систем жизнеобеспечения: частота сердеч-
ных сокращений, обычно составляющая сотни ударов в минуту, уменьшается до па-
ры десятков ударов, а дыхание снижается практически до одного вдоха в час.
Оцепенение помогает летучим мышам сохранять энергию в течение зимы, но при-
мерно каждые 10-20 дней впавшие в спячку ночницы пробуждаются. Их тела согре-
ваются, они могут немного полетать, попить воды или облегчиться. Могут даже
немного поспать, потому что оцепенение не дает такого отдыха, как крепкий
сон. Каждый раз, когда летучие мыши просыпаются, они сжигают немного жировых
запасов, и это нормально. За тысячелетия их сезонные режимы устоялись: летом
летучие мыши откармливаются, набирая достаточно веса, в среднем около двух
граммов, чтобы пережить зиму, а в холодное время года замирают. Такое поведе-
ние обеспечивает физиологический и поведенческий баланс, позволяющий виду вы-
живать в холодные зимы при недостатке или отсутствии пищи. Такой образ жизни
труден и суров, но, по сравнению с другими мелкими млекопитающими, некоторые
летучие мыши имеют относительно большую продолжительность жизни. В среднем
малые бурые ночницы живут 6-7 лет, а некоторые долгожители - 30 и более. По
крайней мере, так было до появления грибка.
Синдром белого носа вызывается психрофильным грибком, который процветает
при понижении температуры до 4-20 С, что холодно даже для него. Скорее всего,
он проникает в их тела, когда они возвращаются в свою пещеру на зиму и уст-
раиваются пить из лужи на полу или жмутся друг к дружке, впадая в спячку.
Пускаясь в рост, когда летучие мыши находятся в оцепенении, грибок выделяет
споры, которые называются конидиями и напоминают микроскопические семена тми-
на. Pd питается кератином, а кожа летучих мышей им богата, так что, прорас-
тая, спора выделяет ферменты, которые растворяют кожу. Под микроскопом коло-
низированные крылья кажутся покрытыми клубком риф, которые вьются вокруг1
стержней волос, как вьются сорняки вокруг1 садового цветка, чтобы задушить
его. Поражение настолько сильное, что некоторые крылья становятся похожими на
изъеденный молью свитер. Электролитный баланс летучей мыши нарушается, и на-
ступает обезвоживание. Зараженные особи также могут чаще впадать в спячку и
выходить из нее. Гифы, растущие на коже, обрастают дополнительными внутренни-
ми стенками, называемыми септами, которые позволяют фрагментировать гифы на
конидиальные споры, которые затем отрываются как кусочки туалетной бумаги от
рулона. И споры, и гифы могут распространяться от одной летучей мыши к дру-
гой, а когда те покидают пещеру, они остаются на стенах и полу в ожидании их
возвращения следующей осенью. Никто не знает, как долго споры могут обходить-
ся без хозяина, но ученые сходятся во мнении, что несколько лет. Считается,
что гифы могут выживать, питаясь кусочками кожи и волос или мертвыми насеко-
мыми, разбросанными по полу пещеры, тем более что среди родственников Pd -
падалыцики-сапротрофы.
По непонятным ученым причинам зараженные летучие мыши чаще выходят из спяч-
ки в течение зимы и сжигают больше топлива. В результате они ослабевают, ко-
гда приходит время активно охотиться и вынашивать детенышей. Весной некоторые
выжившие могут покинуть пещеру, но потом умирают. Другим может просто не хва-
тить энергии и физической подготовки, необходимых для вынашивания детенышей.
Спячка дала грибку преимущество, но летучие мыши не совсем беззащитны перед
инвазивными болезнями. Их иммунная система хорошо развита и даже своеобразна.
Как и у других млекопитающих, она быстро и неспецифично реагирует на инфекции
и в то же время готовится к защите от будущих атак на организм. Но что отли-
чает летучих мышей от других, так это хорошая переносимость вирусов, что де-
лает их уникальными потенциальными переносчиками, в том числе коронавирусов,
вызывающих атипичную пневмонию и C0VID-19.
Почему так происходит и как это может повлиять на реакцию летучих мышей на
другие патогены, до конца неясно. Когда болезнетворный грибок поражает кожу,
он запускает каскад событий, поскольку иммунные клетки собираются вокруг за-
хватчика. Но как реагирует иммунная система во время спячки? Ранние исследо-
вания, проведенные на других животных, находящихся в спячке, показали, что
активность клеток, которые обычно реагируют первыми, в лучшем случае подавле-
на. Другое исследование продемонстрировало, что В-лейкоциты и Т-клетки, необ-
ходимые для выработки антител, могут быть изолированы, а не циркулировать в
крови.
Марианна Мур, экологический иммунолог, которая также училась у Кунца, пред-
положила, что если взять образец крови у летучей мыши во время спячки, то в
ней с трудом можно было бы найти вообще какие-либо иммунные клетки, тогда как
в активный сезон их обычно сотни. Во время спячки иммунный ответ частично от-
ключается, но есть некоторые признаки того, что периодические пробуждения ле-
тучих мышей дают им способность вызывать воспалительную реакцию, но против
синдрома белого носа этого, очевидно, недостаточно. Вероятно, спячка угнетает
иммунную систему, чтобы сэкономить энергию, что, как отмечает Мур, вполне ло-
гично . В нормальных условиях спящая колония летучих мышей похожа на гигант-
ский карантинный отсек, в котором мало шансов столкнуться с новыми патогена-
ми. А большинству инвазивных болезней млекопитающих требуется теплое тело,
поэтому вялые от оцепенения животные обычно не подходят на роль хозяев. Когда
летучая мышь просыпается, ее иммунная система оживает, и, если на крыльях уже
поселился грибок, как это бывает при синдроме белого носа, внезапная актив-
ность может создать еще одну проблему.
Много лет назад исследователи предположили, что наиболее серьезно крылья
повреждаются гифами через несколько дней или недель после пробуждения летучих
мышей. Тогда температура их тел резко повышается, а иммунная система восста-
навливается. Ученые задокументировали случаи, когда у летучих мышей крылья
были настолько потрепанными, что им было трудно летать, не говоря уже о том,
чтобы охотиться. Но так как некоторые особи иногда обнаруживались далеко от
места их спячки, ученые предположили, что, возможно, повреждения произошли не
в пещере, а позже, после того как иммунная система начала работать, дав такую
необычную ответную реакцию. Это явление напомнило другое - воспалительный
синдром восстановления иммунитета, который наблюдался десятилетиями ранее у
ВИЧ-инфицированных. Стюарт Левитц, который в начале своей карьеры работал с
больными СПИДом и был свидетелем появления антиретровирусных препаратов, хо-
рошо знаком с этим синдромом. По его словам, у больных СПИДом, инфицированных
криптококком, в мозгу может находиться огромное количество грибковых организ-
мов, «миллионы организмов на грамм спинномозговой жидкости», и при этом у па-
циента может не проявляться никаких симптомов. Но когда начинается антиретро-
вирусная терапия и иммунная система восстанавливается, пациенты могут испы-
тать цитокиновый шторм - настоящий шок для системы. Левитц утверждал, что
грибок не причинял вреда (хотя, если его не лечить, он, в конце концов, неиз-
бежно вызовет симптомы и убьет пациента). Грибок просто рос и вызывал повреж-
дения, когда иммунные клетки начинали восстанавливаться. Теперь медики осве-
домлены об этом и, прежде чем назначать антиретровирусные препараты, сперва
лечат пациентов от инфекции. У инфицированных летучих мышей такой возможности
нет.
Малые бурые ночницы, некогда самый распространенный вид на востоке конти-
нента, теперь внесены канадским правительством и Международным союзом охраны
природы и природных ресурсов в список находящихся под угрозой исчезновения.
США. пока этого не сделали, хотя количество летучих мышей в Эоле сильно сокра-
тилось, а некоторые популяции малых бурых ночниц функционально вымерли - это
значит, что, как и в случае с каштановыми деревьями, для выживания популяции
не хватает размножающихся пар. Столь значительные потери не могут не иметь
экологических последствий, и все насекомые, которые могли быть съедены лету-
чими мышами, наверняка принесут много проблем фермерам. Кунц и другие иссле-
дователи однажды подсчитали, что летучие мыши приносят сельскохозяйственной
отрасли США. в среднем около 23 миллиардов долларов в год, и эта цифра еще не
учитывает их вклад в оздоровление лесов и несельскохозяйственных систем. Ле-
тучие мыши, питающиеся фруктами, помогают рассеивать семена, а те, что пред-
почитают нектар, являются опылителями пустынных и тропических растений, таких
как агава и сагуаро, манго, банан и гуава. Проще говоря, летучие мыши вносят
вклад в стабильность окружающей среды, и многие даже не представляют, на-
сколько он огромен17. Некоторые из нас могут их не любить, но вне зависимости
от того, где и как мы живем, наш мир станет неполноценным без этих загадочных
и необычных крылатых млекопитающих.
Испокон веков люди всегда находились в движении - путешествовали, бежали,
завоевывали, занимались сельским хозяйством, исследовали. Но сегодняшние тем-
пы невероятны. Если мы посчитаем километры, которые преодолеваем за час, и
сравним их со скоростью, доступной людям из прошлого столетия, то увидим, что
Угроза синдрома белого носа огромна, но есть и другая надвигающаяся угроза - вет-
роэнергетика. По оценкам, ветряные турбины ежегодно убивают от 600 до 900 тысяч ле-
тучих мышей. По мере увеличения количества и размеров турбин эта цифра будет расти.
Если синдром белого носа представляет собой острую угрозу для зимующих североамери-
канских летучих мышей, то турбины являются хронической и глобальной угрозой для миг-
рирующих летучих мышей, чьи траектории полета пересекаются с турбинами.
ускорились примерно в тысячу раз, и это не считая космических путешествий.
Более быстрые корабли и более крупные и эффективные самолеты перевозят людей
в поразительных количествах и с поразительной скоростью. В 2019 году около 80
миллионов иностранных туристов прибыли в Соединенные Штаты, и половина, чтобы
это сделать, пересекла пару океанов. Внутри страны за год мы совершаем около
2,3 миллиарда поездок: по работе, ради отдыха, чтобы раскрасить свою жизнь
новыми впечатлениями. Количество и темпы передвижения людей по планете пора-
жают воображение, как будто существует гигантский конвейер, постоянно переме-
щающий человечество по земному шару. Мы высаживаемся в Париже или
Сан-Франциско, Гонконге или Аккре, а потом едем дальше.
Считается, что в конце 1970-х годов желтая стеблевая ржавчина, поражающая
пшеницу, попала из Европы в Австралию, прицепившись к одежде какого-то путе-
шественника. Ученые считают, что Pd проделал свой путь через Атлантику похо-
жим образом - прилип к ботинкам, одежде или рюкзаку путешественника в Европе
и потом оказался в пещеру Хауз в штате Нью-Йорк. Она связана с пещерами Хау
Кэйвернс через подземную систему, где известняк и вода постепенно образовали
сталактиты и сталагмиты, похожие на причудливые статуи. Ежегодно около двух-
сот тысяч посетителей со всего мира спускаются на 45 метров в прохладную тем-
ноту пещеры, чтобы увидеть это чудо природы.
Джефф Фостер - эколог из Университета Северной Аризоны - пытался найти при-
чины появления синдрома белого носа. Одной из его первых задач была разработ-
ка генетического теста для идентификации грибка. По его словам, сделать это
непросто, поскольку необходимо уметь отличать грибок, вызывающий это заболе-
вание, от близких родственников, которые тоже живут на полу пещер и питаются
волосами, гуано и другими кусочками органического материала. Фостер стал ис-
пользовать экспресс-тест ДНК, чтобы выявить генетический материал, характер-
ный для грибка Pd. Как и другие специалисты, отслеживающие болезни, он занял-
ся поисками небольших изменений в ДНК, которые происходят естественным обра-
зом с течением времени. Но поскольку болезнь была занесена недавно, очевидных
изменений меньше, чем можно было бы ожидать, поэтому Фостеру требуется больше
генетического материала с большим количеством генетических маркеров. Несмотря
на все технологические достижения последних лет и относительную простоту ана-
лиза ДНК, отслеживание маршрута грибка в пещеру Хауз стало упражнением в раз-
очаровании . «Чтобы точно знать, откуда он взялся, нужно взять образец того,
откуда он взялся. Очевидно, что у нас не было возможности сделать это в про-
шлом. И ни у кого другого - тоже». Но кое-какая зацепка все-таки имеется - у
грибка есть близкие родственники, благодаря которым можно сделать вывод, что
Pd, судя по всему, родом из Европы. Возможно, из Центральной Европы - места,
для которого заболевание синдромом белого носа является эндемичным.
В 2013 году коллеги Фостера из Смитсоновского института начали исследовать
образцы ДНК летучих мышей, собранных в XIX и XX веках в Северной Америке, Ев-
ропе и Восточной Азии. Одной из таких летучих мышей была длинноухая лесная
летучая мышь среднего размера, называемая ночницей Бехштейна, которая была
поймана 9 мая 1918 года неизвестным коллекционером в долине Лауры во Франции,
и хранилась в высушенном виде. В какой-то момент этот экземпляр переправили в
США, где он почти сто лет простоял на полке в Национальном музее естественной
истории. Анализ ДНК, взятый учеными в наше время, показал наличие Pd, при
этом ни одна из летучих мышей, проживавших в Северной Америке в XIX веке или
в начале XX века, не дала положительного результата. Вот одно из доказа-
тельств того, что грибок, по крайней мере, столетие назад был распространен в
Европе, но не в Соединенных Штатах. Скорее всего, Pd находился там (или в
целом в Евразии) в течение тысяч лет, поэтому европейские летучие мыши ужива-
ются с ним, несмотря на то что заражены. В связи с этим Рейхард считает, что
некоторые из данных летучих мышей могут переносить грибок лучше, чем другие.
Действительно, для европейских видов грибок стал фоновой инфекцией, поэтому
его гифы и споры могут прямо сейчас находиться в пещерах Европы, если и зара-
жая летучих мышей, то в мягкой форме, и вызывать заболевание без проявления
каких-либо симптомов.
Грибок, вызывающий синдром белого носа, скорее всего, перебрался через Ат-
лантику с помощью споры, которая вместе с частичкой грязи оказалась на одежде
туриста, любящего прогуляться по пещерам. Как и в случае с другими видами ин-
фекционных заболеваний, успех завоевания новой территории зависит от количе-
ства инфекционных частиц в сочетании с определенным числом заносов их в новую
среду. Многие из этих попыток, скорее всего, окажутся неудачными, потому что
если споры не найдут крыло спящей летучей мыши, на котором они могли бы про-
расти, то нетрудно представить, какая судьба их ждет, - они останутся погре-
бенными под слоями грязи, будут смыты водой или в конце концов разложатся. Но
в нашей ситуации, по крайней мере однажды, спора приземлилась на летучую мышь
и начала расти. Большинство ученых, изучающих летучих мышей, включая Рейхар-
да, сходятся во мнении, что это наиболее вероятный сценарий.
Фостер проследил за Pd по всей территории Соединенных Штатов, где он быст-
ро распространился, не претерпев особых генетических изменений. Результаты не
были столь уж неожиданными: похоже, что пока основными переносчиками продол-
жают оставаться летучие мыши, а не люди. Но затем грибок появился в штате Ва-
шингтон, что было странно, поскольку большинство популяций летучих мышей не
пересекают Великие равнины. «Травянистые равнины, простирающиеся от запада
Миссисипи до востока Скалистых гор, - это великий разделитель Северной Амери-
ки , - объясняет Фостер, - и большинство животных никогда его не пересекают.
Как гриб совершил этот прыжок, пока неясно, но он его сделал. С помощью чело-
века или же без нее».
Синдром белого носа никуда не денется, и ученые задаются вопросом, как гри-
бок повлияет на популяцию и физиологию тех летучих мышей, которые выживут.
Вероятно, в какой-то момент истории грибок был новым и для европейских лету-
чих мышей, а теперь они живут с ним без вреда для себя. Скорее всего, летучие
мыши выработали свои способы выживания. Недавно ученые заметили некоторые
признаки, которые дают надежду на то, что североамериканские летучие мыши то-
же смогут это сделать. Некоторые популяции летучих мышей в США, разбросанные
по северо-востоку, похоже, выжили после атаки грибка-убийцы.
В 2018 году Рейхард вместе с несколькими другими учеными, включая Тину
Ченг, работавшую с некоммерческой международной организацией по сохранению
летучих мышей, сообщил о шести популяциях малых бурых ночниц, обитающих на
северо-востоке, в том числе о тех, что остались в пещере Эол. Поскольку они
изучали эти места в 2009 и 2016 годах, у них была редкая возможность сравнить
популяции летучих мышей до и после распространения синдрома белого носа. Они
знали, что зараженные летучие мыши чаще выходят из спячки, и что пробуждение
сжигает энергию. Летучие мыши, которые обычно выживают за счет всего пары
граммов жира в зимний период, уже жили в условиях нестабильности. Но возможно
ли, что те особи, которые впадали в оцепенение с большим количеством жира в
теле, могли получить преимущество в выживании? Исследование показало, что в
2016 году летучие мыши, пережившие заражение, были значительно толще, чем в
2009 году, и это наблюдалось в разных географических точках. Получается, что
несколько лишних граммов веса спасают летучих мышей? Возможно, отсутствие
конкурентов помогло отдельным особям съесть большее количество насекомых, а
может быть, дело в какой-то причине, существующей на генетическом уровне, -
мы этого не знаем и, скорее всего, сможем приблизиться к ответу с помощью
других исследований. Тем не менее, все это позволяет выработать определенную
стратегию по сохранению популяции, например, помочь летучим мышам нагулять
жир до наступления холодов.
Данный вид не единственный, который выжил. В целом в зависимости от места
обитания менее 10 % популяций малых бурых, северных ушастых и трехцветных
ночниц, пораженных синдромом белого носа, смогли справиться с синдромом бело-
го носа. Эти наблюдения дают некоторую надежду на то, что популяции летучих
мышей смогут эволюционировать, чтобы либо переносить болезнь, либо противо-
стоять ей. Если им удастся, это будет замечательный подвиг, совершенный всего
за два десятилетия. Но, опять же, случаи подобной быстрой эволюции, если она
таковой является, нередки в мире животных.
В 1973 году пара молодых ученых вместе с двумя дочерями и еще несколькими
людьми отправилась на моторной лодке на крошечный остров Дафне-Майор, который
является частью Галапагосских островов. Это верхушка вулкана, выступающая из
воды. Группа взяла снаряжение и намеревалась изучать жизнь в столь негосте-
приимном месте в течение нескольких лет. Парой ученых были Питер и Розмари
Грант, и они возвращались сюда из года в год на протяжении 40 лет. Время, ко-
торое они провели на острове, изменит наше представление об эволюционных про-
цессах .
Гранты по образованию были специалистами по эволюционной биологии. Питер
специализировался на экологии, а Розмари - на генетике. Когда они впервые вы-
садились на скалу в южной части Тихого океана, их целью было изучение зябли-
ков , благодаря чему они хотели понять, как развиваются новые виды птиц. Это
были зяблики, чьи различия в размере, а также форме клюва когда-то помогли
Чарльзу Дарвину прийти к пониманию эволюционных процессов. Он предположил,
что все 13 видов зябликов, которые он идентифицировал в процессе своего путе-
шествия к Галапагосским островам, произошли от одного-единственного, а разли-
чия сформировались под влиянием окружающей среды и удаленности островов друг
от друга, благодаря чему птицы могли развиваться отдельно от собратьев. За
тысячи лет в процессе естественного отбора клювы эволюционировали в соответ-
ствии с окружающей средой. У фруктоедов клювы стали укороченными, а у насеко-
моядных - более тонкими. У других были сильные клювы, способные измельчать
жесткие семена в попытке достать питательные вещества.
Гранты взялись за изучение среднего земляного вьюрка (Geospiza fortis), пи-
тающегося семенами. Они измеряли птиц от кончика клюва до хвоста, исследовали
их клювы и пищу, а также отмечали количество осадков и солнечных дней. Когда
светило солнце, на острове было жарко и сухо. Если шел дождь, все было мокрым
днями напролет. Так два года превратились в несколько, а в 1977 году произош-
ло нечто необычное - к тому времени дожди перестали идти и их не было больше
года, что привело к засухе, изменившей рацион птиц. Основных источников пищи
у среднего вьюрка было два - крупные и мелкие семена. Как и во всех популяци-
ях животных, среди средних земляных вьюрков существовала естественная вариа-
тивность : у одних клюв был больше, у других - меньше. Первые, как правило,
ели крупные семена, а вторые - соответственно мелкие. И именно мелких с появ-
лением засухи стало не хватать. Студент Гранта, работавший в то время на ост-
рове , написал ученым, что птицы вымирают. Это был не самый удачный полевой
сезон, потому что по прибытии на остров Гранты обнаружили, что птицы с ма-
ленькими клювами в основном вымерли. Как они вспоминали в одном из последую-
щих интервью, это было первым проблеском. Потомство выживших особей имело
большие клювы, то есть популяция сместилась в сторону этой разновидности, и
данный сдвиг стал передаваться по наследству, то есть генетически. Удивитель-
но, но когда погодные условия изменились в пользу более мелких семян, поменя-
лась и популяция. В те несколько лет, которые становились катастрофой то для
одной разновидности вьюрков, то для другой, Гранты поняли, что стали свидете-
лями махинаций эволюции.
Определение эволюции гласит: это изменение частоты генов внутри популяции,
а естественный отбор - одна из сил, благодаря которой это происходит. Когда
Гранты стали выявлять вьюрков то с более крупными клювами, то с более мелки-
ми, они увидели, что эти изменения передаются по наследству, и предположили,
что произошел сдвиг в определенных генах. Естественный отбор действует на ге-
нетическую изменчивость внутри популяции. Иногда эти изменения возникают в
результате относительно новых мутаций, как это происходит с некоторыми бакте-
риями и грибами, устойчивыми к антибиотикам, но отбор действует и по отноше-
нию к существующим вариациям - генам, или признакам, рассеянным по всей попу-
ляции.
В данном случае гены предков, присутствующие в популяции, спасли птиц от
несколько случайного, но не катастрофического изменения климата. Подобные ге-
ны могут отбираться время от времени, раз за разом на протяжении многих лет,
чтобы они в целом сохранялись в популяции. Это похоже на то, как мы прячем в
дальний угол шкафа свитер, потому что наступило лето. Находка Грантов выгля-
дит еще более необычной, потому что вьюрок откладывает всего три или четыре
яйца за раз, что отличает его от быстро эволюционирующих насекомых и грызунов
- видов животных, которые, как известно, воспроизводят огромное количество
потомства и благодаря этому быстро развиваются в ответ на воздействие пести-
цидов или родентицидов. Хотя работа Грантов не была нацелена на борьбу с бо-
лезнями, их открытия обнадеживают Рейхарда и других ученых, наблюдающих за
популяциями летучих мышей, лягушек, саламандр и других животных, столкнувших-
ся с пандемическими заболеваниями. Возможно, на дальних полках шкафов у этих
удивительных существ тоже хранятся до лучшего часа полезные гены.
Вполне естественно, что популяции, живущие в постоянно меняющихся условиях,
будь то засуха, неурожай необходимого вида пищи, вспышка местной болезни, со-
храняют некоторую генетическую вариативность, позволяющую им справляться с
изменениями. Эта так называемая постоянная генетическая вариация обеспечивает
путь к отступлению, когда существование вида находится под угрозой. Большин-
ство живых существ живут всего лишь мгновение, но популяции - тысячелетия.
Все дело в том, что они коллективно и последовательно переживают естественные
изменения окружающей среды. В наше время жизнь столкнулась с новым вызовом -
неестественными изменениями окружающей среды: болезнями и другими инвазивными
видами, которые мы, люди, расселяем по всему миру. По земле, которую опусто-
шаем, и в климате, за изменения которого ответственны наши действия. В ре-
зультате мы становимся одновременно и свидетелями, и причиной шестого массо-
вого вымирания на планете.
Для североамериканских летучих мышей синдром белого носа является новой уг-
розой, но вот другие проблемы, которые ставят их в условия выживания, - нет.
И до появления грибка Pd популяции летучих мышей штормило из-за колебаний в
численности насекомых, а также из-за неестественно холодных или теплых зим,
которые заставляли их использовать больше или меньше энергии, а отсюда и под-
вергаться различным заболеваниям. Это серьезные экологические испытания, и
то, что летучие мыши их уже переживали не раз, дает им преимущество в новом
сражении за свою жизнь.
В то время, пока ученые думали над тем, как помочь летучим мышам набрать
вес, аспирантка Джорджия Аутери и ее руководитель Лейси Ноулз задались вопро-
сом, можно ли объяснить их выживание с помощью генетики. Что, если ранее не-
важные вариации некоторых характеристик вдруг стали важными после столкнове-
ния с грибком Pd? Например, летучие мыши способны сохранять энергию при не-
достатке пищи. Если бы вариации этой характеристики были основаны на генети-
ке, они могли бы дать селективное преимущество летучим мышам, чье выживание
теперь находится под угрозой из-за синдрома белого носа. Возможными вариация-
ми стали бы утолщение кожи, разная скорость метаболизма или изменение режима
спячки. При наличии благоприятной генетической структуры некоторые популяции
летучих мышей могли бы пережить смертельное заболевание в процессе эволюции.
Аутери и Ноулз занялись изучением популяции летучих мышей в северном Мичига-
не, куда грибок добрался в 2014 году.
Аутери застала времена, когда синдром белого носа еще не появился, так что
она могла наблюдать, как грибок прокладывает себе путь на запад через всю
страну. Начало ее обучения пришлось на те годы, когда в Мичигане этого забо-
левания еще не было, но через два года ситуация изменилась. Также Аутери дос-
таточно молода, чтобы быть частью общества, которое живет в мире, где летучие
мыши стремительно вымирают, - так он устроен, и это воспринимается как факт.
Начав работать с летучими мышами еще в колледже, Аутери проводила исследо-
вания в Грейт-Смоки-Маунтинс. Далее она занялась мониторингом мертвых летучих
мышей под ветряными турбинами, чтобы выявить те исчезающие виды, чья гибель
связана именно с попаданием в ветряки. «Ветрогенераторы убивают больше лету-
чих мышей, чем птиц. Первой моей мыслью было: "Как много разных классных ле-
тучих мышей!", а второй - ллКак грустно!"». Больше всего от турбин страдают
мигрирующие летучие мыши, а те, что впадают в спячку, чаще гибнут от синдрома
белого носа.
В то же время растущее число исследований показало, что быстрая эволюция,
которую наблюдали Гранты, не так уж необычна. Другие животные, в том числе
позвоночные - птицы, рыбы, амфибии и грызуны, - тоже эволюционировали и выжи-
вали в сложных условиях, так что вымирание не обязательно должно стать логи-
ческим концом в истории с летучими мышами. И Аутери это тоже было ясно, пото-
му что некоторые популяции ночниц все-таки смогли пережить синдром белого но-
са.
Было ли это связано с эволюцией или они это сделали каким-то другим спосо-
бом - на данный вопрос еще предстояло ответить, а чтобы приблизиться к раз-
гадке, стоило сравнить генетический состав выживших и умерших летучих мышей.
Цель - обнаружить генетический сдвиг. Поэтому, в отличие от Грантов, которые
были сосредоточены на известных физических признаках, кодируемых генами, Ау-
тери занялась самими генами. Поскольку она собирала образцы ДНК летучих мы-
шей, которые были найдены мертвыми от болезни и уже начали разлагаться, Ауте-
ри не могла точно измерить такой показатель, как вес. Но по их ДНК можно было
найти подсказки. Она использовала своего рода генетический дробовик, случай-
ным образом разбивая ДНК на фрагменты и секвенируя их. Аутери надеялась обна-
ружить, что некоторые фрагменты чаще встречаются у выживших, а это значит,
что летучие мыши приспосабливаются к болезни. Гены, в состав которых входили
эти фрагменты, также могли дать свои подсказки и использоваться для поиска
информации о роли данного гена в предыдущих исследованиях.
Первой задачей Аутери было поймать взрослых летучих мышей, которые с наи-
большей вероятностью пережили хотя бы одну спячку в присутствии Pd. Некоторые
из них были пойманы в специальные, почти невесомые сети, которые обычно ис-
пользуются для отлова и выпуска птиц, - их трудно заметить даже таким опытным
навигаторам, как летучие мыши. Крупноячеистые сети ловят все, что в них ле-
тит, поэтому ловушки необходимо проверять каждые восемь-десять минут. А тон-
кие растягивают на поле или в лесу, причем, чтобы поймать именно летучих мы-
шей, нужно этим заниматься в сумерках и через несколько часов после захода
солнца - в самый активный период. Другие образцы Аутери получила в Департа-
менте природных ресурсов штата - этих ночниц поймали на чердаках и в домах.
В то время как летучих мышей, собранных в сети, после отбора проб выпускают
на волю, тех особей, которые были найдены в домах, подвергают эвтаназии и
проверяют на наличие вируса бешенства, чтобы определить возможность заражения
людей или домашних животных. У живых летучих мышей ткань мембраны собирается
с помощью небольшого дырокола, который используется для биопсии кожи. После
извлечения ДНК из образца мембраны ее секвенируют. Так как отловить достаточ-
ное количество летучих мышей и взять у них пробы проблематично, Аутери вклю-
чила в исследование только девять особей. Столь малый размер выборки является
тревожным сигналом и может затруднить обнаружение изменений, но в данном слу-
чае генетические различия оказались поразительными.
Стоит напомнить, что каждая клетка млекопитающих имеет два набора хромосом
- по одному от каждого родителя. Вдоль этих хромосом расположены сегменты
ДНК, которые содержат различные гены. Всего у нас 23 пары хромосом, или сорок
шесть хромосом. У разных видов летучих мышей разное количество пар хромосом -
от 7 до 31 или от 14 до 62. У малых бурых ночниц их 22 пары. Как и мы, лету-
чие мыши наследуют по одной хромосоме от каждого родителя, что означает нали-
чие двух наборов ДНК и две копии каждого гена у каждой особи. Варианты генов
называются аллелями. Нам лучше всего знакомы различные аллели роста, цвета
глаз, кожи. Некоторые из них имеют больше вариантов, чем другие. Аутери и Но-
улз сосредоточились на генах, которые имеют небольшие различия, называемые
однонуклеотидными полиморфизмами, или SNP (произносится как «снипы»). Многие
варианты SNP находятся в генах, которые еще не охарактеризованы: никто не
знает, что делает этот ген, но их можно использовать для обнаружения разли-
чий. Но несколько SNP, использованных Аутери, принадлежат к известным генам,
которые кодируют известные признаки. Из них четыре варианта были связаны с
выжившими летучими мышами, остальные - нет.
Один из SNP, которые использовала Аутери, входил в состав генов, кодирующих
рецепторы нейротрансмиттеров, или находился рядом с ними. Другой был связан с
эхолокацией, а третий - с иммунным ответом. Все это реакции, которые могут
помочь летучей мыши выжить. Но один интересный вариант гена называется
cGMP-PKl и связан с ожирением у млекопитающих. Аутери отмечает: «Ни одна из
этих аллелей не оказалась у группы выживших. Вообще ни одна. Я была очень
удивлена. Разве это имело смысл?» То, что любой из этих вариантов генов может
перемещаться в популяции, логично, поскольку вариации всех этих качеств могут
быть полезны в зависимости от условий - так же, как гены, отвечающие за раз-
мер клюва в период засухи у вьюрков Грантов. Засуха - относительно редкое яв-
ление, но случись она, птицы бы вымерли, если бы не имели достаточно генети-
ческих вариаций. Однако способствуют ли эти гены выживанию и в какой степени,
пока неясно.
Есть обнадеживающие признаки, свидетельствующие о том, что и другие популя-
ции летучих мышей могут выжить. В 2019 году ученые, работавшие с малыми буры-
ми ночницами в Нью-Йорке, обнаружили, что смертность этих летучих мышей резко
снизилась с почти 90 до 50 %. Выжившие, похоже, длительное время пребывали в
оцепенении, что позволяло им сохранять драгоценные запасы жира на зиму. В за-
ключение ученые пришли к выводу, что малые бурые ночницы могут быстро эволю-
ционировать в ответ на появление нового патогена. Это исследование совпадает
с работой Аутери, которая обнаружила различия в гене, регулирующем пробужде-
ние от спячки.
«Я не думаю, что мы пока наблюдаем рост [местных популяций]. Но мертвых ле-
тучих мышей стало меньше», - говорит Аутери.
Есть и другие способы, с помощью которых популяции летучих мышей, лягушек и
других животных могут пережить смертельную болезнь. Иногда, когда иммунная
система лучше справляется с патогеном, он может эволюционировать и стать ме-
нее провоцирующим для нее. А если вирус, бактерия или другой патоген не унич-
тожает всю популяцию хозяина, у него больше шансов выжить18 в долгосрочной
Хрестоматийным примером взаимоотношений патогена и хозяина является вирус миксо-
мы, предназначенный для уничтожения европейских кроликов. Он был выпущен в Австралии
и имел катастрофические последствия в конце 1800-х годов. Спустя столетие эволюция
продолжается, поскольку вирус эволюционировал, чтобы подавить иммунитет, возникший у
кроликов.
перспективе. Это основополагающая идея: в конечном счете патогены эволюциони-
руют, чтобы стать менее искусными в убийстве своего хозяина (хотя это не все-
гда так) .
Эколог Джейми Войлс, как и Карен Липе, наблюдала воздействие Bd в Панаме.
В начале 2000-х годов, будучи аспиранткой, она собирала лягушек на лесных
трансектах в Эль-Копе, и такие виды, как ателоп Цетека, канареечно-желтые и
черные лягушки, были повсюду. «Если вы шли по ручью, трудно было не наступить
на них, - вспоминает Войлс, которая сейчас является доцентом Университета Не-
вады в Рино. - Вы бы видели тропический лес, который ночью оживает, потому
что в нем от 50 до 70 различных видов». Она успела проработать с лягушками
около года, а потом появился грибок, и ей пришлось переключить свое внимание
на другие вещи (из мертвых лягушек не получится хорошая диссертация). Войлс
вернулась на то же место в Панаму спустя примерно десять лет, взяв с собой
команду, которая помогла бы ей обследовать территорию на наличие популяции
ателопа Цетека. «Возможно, это было правильное время и правильное место, -
говорит она, - но лягушки нашлись. На поиски первой ушло около двух месяцев.
Мы сделали около миллиарда фотографий!» И вот тогда, по словам Войлс, ее осе-
нило : почему после такого катастрофического опустошения вообще остались вы-
жившие?
Войлс выразила уверенность в том, что грибок Bd стал менее опасным. Но по-
сле сравнения архивных образцов грибков, выращенных на лягушках, взятых с
разницей в десять лет - в начале эпидемии и позже, - Войлс и ее коллеги не
нашли никаких доказательств того, что Bd утратил свою смертоносную силу. На-
оборот, сложилось впечатление, что если кто и изменился, то это именно лягуш-
ки.
Когда Войлс только начинала свои исследования, еще до тотального исчезнове-
ния лягушек, она взяла пробы слизи, или кожных выделений, в которых содержат-
ся некоторые из первых иммунных ответов лягушек, и законсервировала их. Это
позволило спустя десятилетие сравнить иммунные ответы популяций лягушек, ко-
торые никогда не встречались с грибком, и выживших после его нашествия.
В некоторых случаях лягушки из выживших популяций в два-пять раз лучше
сдерживали рост Bd. Похоже, что не патоген эволюционировал, чтобы стать менее
вирулентным, а лягушки-хозяева эволюционировали, чтобы стать более устойчивы-
ми. «Если бы я делала ставки, - говорит Войлс, - то предположила бы, что име-
ла место постоянная генетическая вариация, а затем интенсивная генетическая
чистка. Мать-природа невероятно изобретательна, и со временем, я надеюсь, мы
сможем наблюдать дальнейшее восстановление амфибий».
Эколог по болезням Вэнс Вреденбург, наблюдавший гибель лягушек в националь-
ных парках «Секвойя» и «Кингс-Каньон», надеется на другие популяции, растущие
в регионе. В Йосемити он обнаружил лягушек, зараженных Bd, которые населяют
сотни маленьких прудов. Это признак того, что болезнь стала эндемичной, а ля-
гушки и хитриды эволюционировали одновременно. Одна из гипотез заключается в
том, что микробном кожи изменился, и в нем увеличилось количество микробов,
вырабатывающих противогрибковые химические вещества. Но микробиомы сложны, и
их изменения трудно интерпретировать. Вреденбург добавляет: «Это дает мне на-
дежду на то, что, хотя в "Секвойя" и ллКингс-Каньон" они все еще умирают, есть
несколько особей, которые выживут. Если мы позволим эволюции произойти, у
этих животных появится хороший шанс». То же и с малыми бурыми ночницами, не-
которые из них по-прежнему остаются на плаву. Главное - чтобы они продержа-
лись достаточно долго и популяции снова стали процветать. Как и у вьюрков
Грантов, одним из главных достоинств этих видов является генетическое разно-
образие в популяции. Возможно, при наличии подходящих условий и времени эво-
люция придет на помощь этим животным. Это только теория, но очень и очень об-
надеживающая .
ЧАСТЬ II.
ПУТИ СПАСЕНИЯ
Глава 6.
Сопротивление
Поздний летний день в горах национального парка «Норт-Каскейдс». Воздух по-
лон пыльцы, пыли и спор, миллионов спор, выделяемых созревшими грибами и
грибковыми образованиями. Одна из них - базидиоспора, недавно выпущенная с
нижней стороны смородинного листа грибком Cronartium ribicola, вызывающим пу-
зырчатую ржавчину. Прежде чем упасть, спора проносится с ветром несколько со-
тен метров. Она может приземлиться на что угодно: на лобовое стекло автомоби-
ля, куст вереска или даже на почву, но каждый из этих вариантов стал бы тупи-
ковым. Однако этой споре повезло - она приземляется на иголку белокорой со-
сны, причем успешно. Вот появляются гифы - они прощупывают зеленую хвою в по-
исках устьиц, через которые можно попасть внутрь дерева, но грибок не продви-
гается далеко. Клетки сосны в зараженной области быстро отмирают, и грибок,
который привык питаться живой материей, оказывается окружен мертвыми и уми-
рающими клетками. Затруднительное положение, а все потому, что спора попала
на сосну, которая способна противостоять ее продвижению благодаря такому спа-
сительному процессу, как клеточная смерть.
Способность дерева противостоять болезням обусловлена набором генов, кото-
рые обеспечивают защиту от потенциального грибка-убийцы. Эти гены сохранялись
на протяжении тысяч или миллионов лет в процессе естественного отбора, как и
гены, формирующие клювы вьюрков Гранта. Как гены летучих мышей, способных на-
бирать больший вес, чем обычно. Возможно, много веков назад предки деревьев и
грибов когда-то уже встречались. А может быть, гены были сохранены по ка-
кой-то другой причине - для защиты от неизвестного захватчика или условий ок-
ружающей среды. Ученые считают, что данное дерево, устойчивое к ржавчине, и
подобные ему олицетворяют надежду на то, что опасный грибок однажды будет по-
бежден .
После того как грибковая пандемия стала частью дикой природы, причем неваж-
но, страдают от нее летучие мыши, лягушки или деревья, большинство ученых со-
шлись во мнении, что остановить ее невозможно. Новый грибок остается в лесу,
водоеме или почве и заражает поколение за поколением хозяев, а в некоторых
случаях сохраняется долго после их исчезновения. Раз так, значит, в основе
выживания должен лежать принцип сосуществования. Дерево, летучая мышь или ля-
гушка, чтобы остаться в живых, должны найти способ сосуществовать с потенци-
ально смертоносным грибком, а это, в свою очередь, зависит как минимум от
двух вещей: наличия полезных генов в выжившей популяции и возможности вовремя
распространить эти гены в более широкую популяцию, чтобы спасти ее. Но в слу-
чае с деревьями, если мы позволим событиям идти своим чередом и будем ждать,
пока гены устойчивости закрепятся в популяции, столкнувшейся с быстро распро-
страняющимся грибком-убийцей, мы рискуем потерять не только зараженную попу-
ляцию , но и весь вид.
С тех пор как сто лет назад коммерческие поставки саженцев сосны вызвали
распространение грибка пузырчатой ржавчины, он погубил миллионы пятихвойных
сосен по всей территории Соединенных Штатов. Некоторым выжившим деревьям, в
том числе белокорым, западным белым и сахарным соснам, повезло. Возможно, они
находились в таких лесных уголках, куда грибок пока не смог проникнуть, но
если они все же смогли не заразиться, когда вокруг них погибли или погибают
деревья, то явно должны обладать некоторой естественной генетической устойчи-
востью к заболеванию.
Селекционеры давно оценили силу полезного генетического признака. Так дав-
но, что в ту пору никто даже представить не мог, какие процессы лежат в осно-
ве его проявления, а до открытия генетики оставались столетия. Несмотря на
это, люди веками отбирали, размножали и выращивали растения, которые способны
переносить болезни или засуху, давать более сладкие плоды или меньше семян -
контролировали эволюцию. Во времена уничтожения кустарников Ribes, когда мо-
лодые люди прочесывали гектары леса, пострадавшего от грибка, в поисках смо-
родины и крыжовника, они то тут, то там замечали уцелевшие деревья - сахарную
сосну (Pinus 1ambertiana) и западную белую (Pinus monticola). Они возвыша-
лись над лесом, крепкие, сильные. В 1950-х годах, когда стало ясно, что борь-
ба с пузырчатой ржавчиной белой сосны, по крайней мере, на Западе, бесполезна
(в Йеллоустонском национальном парке Ribes уничтожали до 1970-х годов), не-
сколько лесников задались вопросом, являются ли выжившие деревья генетически
устойчивыми, и если да, то можно ли их разводить так же, как любые другие
растения? Селекция и выведение устойчивых к ржавчине деревьев были бы чем-то
новым. Жизненный цикл сельскохозяйственного растения исчисляется сезонами или
годами, поэтому на выведение нового вида может уйти несколько лет, а вот де-
ревья живут десятилетия и более - сколько же уйдет времени на то, чтобы вы-
растить сосны, которые будут устойчивы к грибку? Тем не менее, селекционеры
взялись за работу, и первыми кандидатами на участие в программах по выведению
устойчивости к пузырчатой ржавчине стали западные белые и сахарные сосны -
деревья, которые не только ценятся за свою древесину, но и вызывают восхище-
ние величественным видом. Ученые, посвятившие себя их спасению, все равно,
что взялись за подготовку полета на Луну с нуля, но это вызов, который стоило
принять.
Западная белая сосна, как и ее восточные родственники, растет высокой и
прямой, ее древесина отличается превосходным качеством. «Ствол этой сосны бо-
лее тонкий и стройный, чем у любого другого дерева в лесу», - писал натура-
лист Джон Мьюир, наблюдая экземпляры, которые возвышались над лесным покровом
на 45-60 метров. Как и восточные сосны, западная белая сосна доминировала в
лесах от Орегона до Калифорнии, занимая два миллиона акров только в Айдахо.
Ее легкая, чистая, простая в обработке древесина была слишком хорошим ресур-
сом, чтобы ее не замечать, и к началу прошлого века лесопилки быстро поглоти-
ли целые леса, превратив так называемую королевскую сосну в миллиарды «доща-
тых футов» - досок шириной 30 сантиметров, в которых измерялись пиломатериа-
лы.
Самыми большими соснами в мире считаются сахарные, а две самые крупные
представительницы этого вида растут в районе озера Тахо в Калифорнии. Их мож-
но было бы уложить вдоль футбольного поля, и они лишь немного не дотянули бы
до его длины. А чтобы обхватить одно такое дерево, потребовалось бы, чтобы
пять или шесть взрослых людей взялись за руки. Очевидно, что, имея такие раз-
меры, сахарные сосны должны были привлечь внимание поселенцев середины и кон-
ца XIX века, чьи фабрики делали из деревьев товар. Это внимание вызвало то,
что один писатель назвал «вихрем разрушения». Во время золотой лихорадки из
древесины сахарной сосны строили дома и шахты, шлюзы и желоба, по которым
текла вода, окрашенная золотой пылью. В начале XX века Лесная служба США под-
считала, что в лесах Калифорнии произрастало около 39 миллиардов «дощатых фу-
тов» сахарной сосны. Лесники и лесозаготовители и представить себе не могли,
что споры пузырчатой ржавчины в этот момент уже пробираются из Британской Ко-
лумбии через Каскадные горы, чтобы подвергнуть всеми любимые деревья смер-
тельной угрозе.
В свое время лесопатолог Ричард Бингхэм был младшим сотрудником программы
по борьбе с пузырчатой ржавчиной, которая проводилась в Спокане, штат Вашинг-
тон. В его обязанности входило обследование поврежденных ржавчиной сосновых
лесов. В 1946 году он наткнулся на удивительную находку: 60-летнюю здоровую
западную белую сосну высотой 30 метров. А в течение следующих нескольких лет
ему удалось обнаружить еще 14 деревьев, не подвергшихся заражению, хотя их
окружали десятки погибших от ржавчины великанов. По мнению Бингхэма, найден-
ные деревья были способны противостоять или переносить ржавчину. Он знал, что
ученые из восточных штатов экспериментировали с устойчивыми к ржавчине вос-
точными белыми соснами, и результат их работы показал, что способность проти-
востоять грибку, по-видимому, находится под генетическим контролем. Другими
словами, если деревья удастся успешно размножить, устойчивый родитель должен
передать потомству все гены, обеспечивающие необходимую защиту. В дальнейшем
Бингхэм возглавил программу по выведению устойчивых к пузырчатой ржавчине за-
падных белых сосен. Без каких-либо иллюзий относительно времени и предстоящих
трудностей селекционная работа была просчитана на пять десятилетий вперед.
Программа борьбы с пузырчатой ржавчиной охватила территории от северных
Скалистых гор до юго-запада Тихого океана. К ней присоединились другие уче-
ные, генетики, лесоводы и селекционеры и распространили усилия и на другие
восприимчивые к пузырчатой ржавчине виды сосен, например сахарную. Никто точ-
но не знал, как деревьям удается выжить и как долго они могут противостоять
болезни, но многие саженцы, выращенные из семян устойчивых деревьев, действи-
тельно передавали устойчивость по наследству, по крайней мере в течение опре-
деленного времени. Дерево могло сначала устоять перед заражением, но через
десять или двадцать лет погибнуть. Или грибок мог эволюционировать, чтобы
противостоять особой устойчивости дерева, сводя на нет десятилетия работы.
Этот процесс был сложным, с какой стороны ни взгляни, а на первых порах еще и
опасным для жизни. Шишки у западных белых и сахарных сосен растут рядом с
кронами, иногда на высоте более 30 метров над землей. Для разведения этих де-
ревьев лесникам приходилось вручную опылять семенные шишки, и после созрева-
ния собирать их.
Уже упоминавшийся Джеральд Барнс - тот самый подросток, который бродил по
лесам, вытаскивая кустарники Ribes, - присоединился к программе разведения
деревьев Лесной службы США. в 1962 году. Одним из его первых заданий, вспоми-
нает он, было взобраться на сахарную сосну - он сопровождал регионального ге-
нетика программы Тома Грейтхауса, который был занят опылением деревьев. Они
остановились перед одним особенно высоким деревом, и Барнс наблюдал в би-
нокль , как генетик взбирается первые десять метров, которые отделяли нижние
зеленые ветви от земли. Грейтхаус использовал приспособление, называемое
швейцарскими древесными захватами, или древесным велосипедом. Оно позволяет
альпинистам подниматься по гладким стволам, на которых нет сучьев, не повреж-
дая при этом кору, что важно, когда приходится неоднократно взбираться на од-
но и то же дерево. Барнс наблюдал, как Грейтхаус свободно поднимается на
большую высоту - в зелень. Когда он спустился, настала очередь Барнса. Его
задачей было достать красную ленту, которую Грейтхаус привязал к самой вер-
хушке дерева. Очень волнуясь, Барнс все-таки достал ленту и следующие 20 лет
лазил по самым высоким соснам на Западе, опыляя и собирая сосновые шишки,
проверяя деревья на наличие ржавчины. Однажды он оказался на верхушке дерева
во время землетрясения, а в другой раз дельтакрылый самолет пронесся так низ-
ко над головой, что этого оказалось достаточно, чтобы дерево закачалось.
Барнс лазил на огромную высоту и в холод, и в снег, а однажды чуть не погиб,
когда, приблизившись к кроне 50-метрового дерева, вынужден был спрыгнуть на
ветку, которая под ним обломилась. Он смог спуститься, получив лишь перелом
ключицы. Впоследствии Барнс и Грейтхаус написали первое неофициальное руково-
дство по лазанию по деревьям. За прошедшие годы рискованная работа претерпела
некоторые изменения, но сбор шишек и сегодня остается таким же важным делом
для разведения деревьев, как и в первые дни работы программы.
Веками деревья оставались частью дикой природы и соответствовали своим ге-
нетическим корням. Поэтому, если бы люди, жившие много столетий назад, вдруг
оказались в нашем времени, они без труда узнали бы сосны - сахарную и запад-
ную белую. Чего не скажешь о продовольственных культурах. На протяжении тыся-
челетий фермеры формировали облик и вкус того, что мы едим, - от пшеницы до
бананов, от картофеля до капусты, - даже если они не до конца понимали, как
устроен принцип наследуемости.
Активное использование возможностей генетики и отбор генов для улучшения
вкуса, ускорения роста, развития устойчивости к засухе и болезням охватили
наш мир сравнительно недавно. Тесная связь между селекцией растений и наслед-
ственностью была открыта в середине XIX века благодаря биологу Грегору Менде-
лю, который также являлся монахом-августинцем. Мендель выводил горох с такими
признаками, как зеленый или желтый цвет, морщинистые или гладкие семена, и
заметил, что эти признаки передаются из поколения в поколение по довольно
предсказуемой схеме. Он обнаружил, что признак гладкости семян является доми-
нантным, как и цвет - желтый у семян и зеленый у стручков. У признаков, кон-
тролируемых одним геном (парой), как у тех, что изучал Мендель, одна аллель,
или вариант гена, передается от отца, а другая - от матери. Доминантная ал-
лель гена маскирует проявление другой аллели. Для появления рецессивного при-
знака необходимо наличие двух рецессивных аллелей - по одной от каждого роди-
теля (хотя явные случаи доминирования являются скорее исключением, чем прави-
лом) .
Работа Менделя была революционной и гораздо раньше дала бы селекционерам
знания, позволяющие направлять их усилия на достижение нужного результата, но
мало кто из ученых, живших в одно с ним время, обратил внимание на сделанное
им открытие. Мы же знакомимся с законами Менделя о генетическом наследовании
в школе. Смотрим на своих родителей и понимаем, почему у двух голубоглазых
людей все дети рождаются с таким же цветом глаз, а у детей двух кареглазых
родителей могут быть и карие, и голубые, и с ореховым оттенком. Несмотря на
то, что генетика становится все более сложной, работа Менделя в области на-
следования отдельных генов выдержала испытание временем и дает нам фундамен-
тальное понимание наследственности и доминирования генов. Законы, выведенные
биологом, который жил более двухсот лет назад, вручили селекционерам мощный
набор инструментов.
В XX веке ученые обнаружили, что признаки кодируются генами, которые нахо-
дятся в хромосомах и состоят из генетического материала, называемого ДНК. Все
эти открытия позволили глубже понять наследственность и то, как генетический
материал передается от одного поколения к другому. Ученые также обнаружили,
что если некоторые признаки контролируются различными версиями одного гена,
то большинство признаков контролируется многими генами, что усложняет понима-
ние наследования определенных признаков. Менделю повезло, что он работал с
горохом, который обладал простыми эффектами одного гена. Если бы он выбрал
другое садовое растение, разобраться с наследованием было бы гораздо сложнее.
По меньшей мере, 50 генов и различные области человеческого генома на 80 %
определяют рост. В 1950-х годах, когда проводились исследования по изучению
пузырчатой ржавчины, никто не знал, сколько генов участвует в формировании
устойчивости. Был ли это один доминантный ген или множество генов, действую-
щих согласованно? Что было лучше? Опыт селекции продовольственных культур по-
казал, что устойчивость к болезням, которая обусловлена одним или несколькими
генами, легче уловить, она обладает высокой степенью защиты, но может быть
недолговечной. Если существует всего несколько препятствий, грибок или другой
патоген может быстро развиться и обойти устойчивость, сведя на нет годы или
десятилетия усилий. Вывести мультигенную устойчивость гораздо сложнее, к тому
же она скорее будет не настолько эффективна, хотя и прослужит гораздо дольше.
Один из первых больших прорывов в селекции сосен, направленной на выработку
устойчивости к болезням, произошел в 1970 году, когда генетик из Лесной служ-
бы США. Бохун Кинлох и его коллеги сообщили, что нашли главный ген, защищающий
сахарные сосны. Результаты их труда совпадали с учением Менделя и соответст-
вовали закономерностям доминантных и рецессивных генов. Хотя лесоводы не были
уверены, как долго продлится такой иммунитет, у них, по крайней мере, появи-
лось то, от чего можно оттолкнуться, - конкретный ген. Позднее Кинлох обнару-
жил и множественную генную резистентность, ну а пока открытие его команды по-
лучило название Crl. Данный ген запускал процесс уничтожения клеток хвои во-
круг новой инфекции, то есть реакцию клеточного самоубийства, которая предот-
вращает распространение ржавчины. Еще один ген устойчивости, названный Сг2,
был обнаружен у западной белой сосны. Как и предполагалось, успех оказался
недолговечным - уже давно появились штаммы ржавчины, которые преодолели ус-
тойчивость этих одиночных генов.
Селекционные программы, начатые во многом благодаря Ричарду Бингхэму, про-
должаются уже более 70 лет. Сегодня перед селекционерами стоит задача - найти
деревья, защищенные и основными, и несколькими генами, потому что такая защи-
та является более сложным препятствием для пузырчатой ржавчины.
На протяжении 1900-х годов пузырчатая ржавчина поражала не только западную
белую и сахарную сосны, но и убивала белокорую. Однако лесозаготовительная
промышленность не видела в этом виде особой ценности, поэтому он остался за
бортом программы по восстановлению популяций сосен. Но полагаться на природу
в надежде, что этот важный для экологии вид возродится сам по себе, было
авантюрой, и это понимали эколог Диана Томбек и ее коллега Роберт Кин, рабо-
тавшие в то время в Лесной службе США. Поэтому в середине 1980-х годов они и
другие ученые, включая Кинлоха, вошли в исследовательскую группу по спасению
белокорых сосен. Сосредоточившись на определении всех причин, которые вызыва-
ли вымирание популяции, они окончательно подтвердили, что главным виновником
является пузырчатая ржавчина. Так что к концу 1990-х годов все согласились с
тем, что белокорой сосне нужен тот же шанс, который был предоставлен ее пяти-
хвойным сестрам - западной белой и сахарной соснам. Движимые большим неравно-
душием и желанием сохранить видовое многообразие на планете, ученые и их кол-
леги призвали общественность к разработке новых селекционных программ. Ричард
Снежко, генетик, работающий в Центре генетических ресурсов Дорена при Мини-
стерстве сельского хозяйства США, самостоятельно присоединился к усилиям по
борьбе с болезнями. Совместная работа позволила выйти за рамки спасения де-
ревьев ради коммерческой выгоды, потому что сосны, какого бы они ни были ви-
да, ценны сами по себе и являются природным достоянием.
Центр генетических ресурсов Дорена находится в живописнейшем месте: на вос-
токе располагается национальный заповедник «Уилламетт», на юге простираются
леса «Ампква» - рай из сосен и елей, чистых озер и заснеженных гор. Страсть
Снежко - спасение деревьев путем создания устойчивых к ржавчине популяций с
помощью селекции. Большая часть его работы направлена на выявление подходящих
под этот запрос экземпляров, подтверждение их устойчивости, а затем обеспече-
ние достаточного генетического разнообразия в восстановленных популяциях. Ко-
гда он впервые оказался в Центре генетических ресурсов Дорена в начале 1990-х
годов, программа исследований пузырчатой ржавчины была сосредоточена на вос-
становлении сахарной и западной белой сосен и нуждалась в продуманной страте-
гии. По его словам, найти устойчивые деревья (так называемые материнские) от-
носительно легко, но что делать дальше? Можно собирать их семена ведрами и
сажать везде где придется, что, конечно, будет иметь результат, но в долго-
срочной перспективе генетического разнообразия может не хватить, чтобы эти
новые популяции смогли пережить будущие болезни или экологические проблемы. И
это не учитывая того факта, что саженцы, выращенные из устойчивого к ржавчине
материнского дерева с севера, могут не прижиться на юге, а те, что росли на
одной высоте относительно уровня моря, на другой вряд ли будут чувствовать
себя так же хорошо. Играет роль и климат: некоторые деревья приспособлены к
более влажной среде и наоборот. Если учитывать, по какому вектору идет изме-
нение климата, со временем деревья, выращенные на юге, могут понадобиться на
заметно теплеющем севере. Таким образом, деревья, с которых собирают семена,
должны обладать устойчивостью и подходить к каждому региону: от севера до
юга, для высоко- и низкогорных территорий.
В настоящее время центр оценивает материнские деревья нескольких видов бе-
лых сосен, в том числе белокорую, на устойчивость к ржавчине. У белокорых со-
сен, как и у других, шишки растут высоко над землей, а это значит, что опыт-
ные альпинисты должны в течение сезона подниматься к кроне множество раз. При
этом в отличие от западной белой и сахарной, высота белокорой сосны гораздо
меньше, поэтому процесс сбора шишек дается несколько легче. Сначала альпини-
сты поднимаются на деревья в июне, чтобы определить наиболее подходящие для
селекционной посадки шишки, и заключают их в специальные клетки, которые
должны защитить их от животных, ищущих богатые жиром семена. В конце лета
происходят оценивание отобранных экземпляров и их сбор. Белокорые сосны опы-
ляются ветром, то есть их семенные шишки оплодотворяются, когда созревают бо-
лее мелкие пыльцевые шишки, напоминающие гроздь красных или фиолетовых ягод.
Если рядом с вашим домом растут сосны, вы наверняка видели, какое огромное
количество пыльцы выбрасывается в воздух в ветреный день. Большая ее часть
прилипнет к лобовому стеклу, проникнет в наши дома, разлетится по полям и ле-
сам, но меньшая все-таки выполнит основное предназначение. При этом семенные
шишки одного материнского дерева, скорее всего, будут оплодотворены пыльцой
нескольких других деревьев.
В первый год семенные шишки, как и пыльцевые, выглядят маленькими и красны-
ми. Они располагаются гораздо выше в кроне, и это обычная стратегия деревьев,
направленная на то, чтобы уменьшить вероятность самооплодотворения. После оп-
лодотворения для полного созревания шишкам и их семенам требуется 14 месяцев.
Селекционеры разрезают несколько образцов от верхушки и вдоль стержня, чтобы
найти семена со здоровыми зародышами. Иногда шишка выглядит подходящей, но
при детальном осмотре выясняется, что семена были съедены насекомыми или не
опылены, а значит, в них нет здорового зародыша. В Центре генетических ресур-
сов Дорена шишки обрабатываются, сушатся, после чего можно извлекать семена,
что может быть непростым делом, поскольку эволюционный процесс сделал их
прочными и наиболее подходящими для клюва ореховки. Чтобы разбить шишки на
части и не повредить семена, в ход идут резиновые мячики. Затем семена необ-
ходимо отделить от остатков шишки и просветить рентгеном, который покажет, в
каких находятся здоровые зародыши белокорых сосен, а в каких - поврежденные
или недоразвитые. Из хорошей шишки обычно извлекается несколько десятков се-
мян.
После семена подготавливаются к хранению или посадке. Большинство ждут сво-
его часа в морозильных камерах, где обязательно хранятся в тщательно промар-
кированных пакетах, чтобы и семя, и материнское дерево, с которого оно было
получено, можно было легко найти в случае необходимости. Вывод семян из со-
стояния покоя и подготовка их к тестированию на устойчивость - это отдельный
процесс, растягивающийся месяцы, в течение которых выбранные экземпляры про-
ходят такой же путь, какой их ждал бы в природе: они замачиваются, нагревают-
ся, охлаждаются, как если бы их переносила в клюве ореховка и прятала в почве
выше уровня моря. Хранение и подготовка семян требуют много времени и сил, и
это только первый шаг в селекции, чтобы получить устойчивое к заболеванию де-
рево.
К 2021 году Центр генетических ресурсов Дорена протестировал саженцы при-
мерно 1500 материнских деревьев белокорой сосны из штатов Орегон и Вашингтон.
Поскольку пока не существует экспресс-теста, определяющего гены устойчивости,
выявление подходящих деревьев происходит по тем же протоколам, которые были
разработаны 50 лет назад для проверки устойчивости западной белой и сахарной
сосен. Весь процесс - от сбора семян до выявления устойчивости - может занять
до семи лет. При подготовке к каждому испытанию более 60 саженцев от 120 пер-
спективных материнских деревьев выращиваются до двухлетнего возраста. Когда
приходит время, около 7000 невысоких зеленых малышей, ощетинившихся иголками,
загружают в большую, похожую на ангар «туманную» камеру и обсыпают спорами
грибков. Поскольку в природе хвоя белокорой сосны заражается спорами, которые
выделяются из зараженных листьев Ribes, команда Снежко использует в качестве
источника патогена листья, зараженные естественным путем. Для этого специали-
сты собирают листья, испещренные оранжевой ржавчиной, тысячами и загружают
ими сетчатые стеллажи, подвешенные прямо над соснами. Поскольку для прораста-
ния спор необходима влага, в камеру закачивается туман. Это идеальные место и
условие для того, чтобы смоделировать ситуацию заражения, аналогичную природ-
ной. При этом она остается полностью контролируемой, потому что количество
спор и уровень туманности можно регулировать. Как только дымка рассеивается,
саженцы переносят на улицу и высаживают на грядки.
В течение следующих пяти лет большинство из них умрет от инфекции - одни
быстро, другие со временем. Некоторые могут заболеть, но выздороветь. Некото-
рые выживут. Каждое материнское дерево оценивается в зависимости от устойчи-
вости потомства. Если саженцы показывают высокий результат, им присваивается
рейтинг А или В - такие деревья считаются пригодными для восстановления попу-
ляции. Остальные получают оценки от С до F. Ежегодно наивысший рейтинг при-
сваивается приблизительно 10 % родительских деревьев, при этом принято ожи-
дать , что в районах с высоким уровнем заражения пузырчатой ржавчиной из их
потомков выживет только половина.
После многих лет испытаний специалисты Центра генетических ресурсов Дорена
теперь гораздо лучше понимают закономерности распространения устойчивости к
ржавчине в некоторых северо-западных районах. Снежко любит иллюстрировать
свою работу с помощью карты мест обитания белокорой сосны в штатах Вашингтон
и Орегон, на которую нанесены цветные круговые диаграммы. Зеленым в них обо-
значены материнские деревья с оценкой А, красным - неудачные попытки, а между
ними располагаются по степени уменьшения устойчивости синий, желтый, оранже-
вый. На карте много красного цвета, особенно в восточном Орегоне, но есть и
зеленый - вокруг национального парка «Маунт-Рейнир» в западно-центральной
части штата Вашингтон.
Национальный парк «Кратер-Лейк» на юго-западе штата Орегон наполовину зеле-
ный, наполовину синий. В 2006 году руководство перенесло парковку и создало
новое открытое пространство, в котором Снежко и сотрудники парка увидели воз-
можность для посадки устойчивых саженцев. За всеми деревьями, участвующими в
селекционной программе, ведется наблюдение, но когда они высаживаются в отда-
ленных районах, это бывает трудно осуществить. Данные же саженцы находятся на
виду, поэтому за ними легко следить. Также их расположение может послужить
источником просвещения общественности в вопросах сохранения и восстановления
природы. Команда Снежко вырастила саженцы, а сотрудники парка высадили около
трехсот белокорых сосен высотой всего в десяток сантиметров каждое, дополни-
тельно укрепив их небольшими кучками камней. Сорок саженцев - потомство де-
ревьев с рейтингом А; остальные - С. Снежко говорит, что в испытании исполь-
зовались саженцы, доступные на тот момент, тогда как в более поздних экспери-
ментах используется потомство преимущественно из семейств с рейтингом А и В.
К 2021 году самые высокие деревья на бывшей парковке у «Кратер-Лейк» дос-
тигли 1,8 метра, причем некоторые из них покрылись ржавчиной и, по крайней
мере, одно погибло, но большинство, по словам Снежко, выглядят «очень, очень
хорошо». Пройдут десятилетия, прежде чем следующие поколения ученых точно уз-
нают , насколько устойчивы эти деревья, но уже сейчас можно сказать, что нача-
ло положено. Популяция белокорой сосны еще не восстановлена, но у этого вида
теперь тоже есть надежда.
Здоровый лес - это динамичный ландшафт, в котором деревья и кустарники на
протяжении длительного времени борются за господство. Один вид может десяти-
летиями властвовать над другими, пока ураган не вырвет его из земли или не
сломает ствол, оставив после себя корягу без кроны. Подобные изменения позво-
ляют менее теневыносливым деревьям, которые отсиживались в подлеске, занять
свое место в верхнем ярусе. Некоторые выделяют химические вещества, привле-
кающие одних соседей и отпугивающие других. Все чаще вспыхивают лесные пожары
по самым разным причинам: от меняющегося климата до методов управления леса-
ми, - и огонь уничтожает огромное количество деревьев, что затрудняет восста-
новление лесов даже при самых благоприятных обстоятельствах. Учитывая все
это, становится ясно, что для возрождения популяции белокорой сосны по всему
ее ареалу требуется не просто посадка устойчивых к ржавчине семян или сажен-
цев . Необходимо, чтобы вокруг обитало достаточное количество птиц, которые
будут прятать и распространять семена. Необходимо анализировать, как измени-
лось растительное сообщество, какие другие хвойные деревья и кустарники вы-
росли в подлеске после гибели сосен, существует ли риск пожара. Белокорые со-
сны раньше других видов способны колонизировать выжженную территорию, по-
скольку ореховки заботливо прячут их семена в землю, но эти деревья также
очень восприимчивы к огню.
Восстановление лесов, особенно если предполагается, что сохраненные или по-
саженные сегодня деревья должны сохраниться и через сто лет, и через двести,
напоминает настоящее искусство, которое прочно стоит на научном фундаменте.
Боб Кин на протяжении большей части своей карьеры размышлял над тем, какое
влияние огонь оказывает на белокорые сосны. Пожар является одновременно и
причиной, и следствием изменения экосистем, а иногда и инструментом для тех,
кто пересаживает деревья. С одной стороны, контролируемое воздействие огня на
лес и другие методы могут гарантировать, что теневыносливые белокорые сосны
будут процветать, а не окажутся задушены и вытеснены другими деревьями. С
другой - пожар не щадит устойчивые к ржавчине экземпляры, особенно молодые, и
недавно засаженный горный склон, скорее всего, потеряет свои молодые сосенки,
если по нему пройдет волна огня. А гораздо чаще пожары являются стихийным
бедствием и не поддаются контролю. Они несут серьезную угрозу, особенно если
учесть, что изменения климата влекут за собой увеличение числа возгораний.
Помимо этого, большое значение для восстановления лесов имеют тип почвы и на-
личие в ней полезных почвенных микроорганизмов, которые помогают деревьям на-
капливать питательные вещества, противостоять засухе и брать верх над патоге-
нами. В настоящее время ученые все чаще склоняются к мнению, что микроорга-
низмы являются не столько полезными, сколько основными членами почвенного
микробиома дерева. При посадке саженцев даже используются специальные почвен-
ные инокуляты, а некоторые специалисты считают, что белокорые сосны следует
высаживать рядом с уцелевшими деревьями или в местах, где когда-то жили бело-
корые сосны, чтобы они могли получить пользу от существующих почвенных микро-
организмов .
Уже были высажены сотни тысяч белокорых сосен по всему естественному ареалу
их обитания. Этим занимались и занимаются люди, которые заинтересованы в том,
чтобы данный вид не был утрачен и в будущем стал частью природного мира. Их
поддерживают различные организации, среди которых - Фонд экосистемы белокорых
сосен и природоохранная некоммерческая организация American Forests. Некото-
рые деревья, посаженные в те времена, когда еще не было селекционных программ
по выработке устойчивости к пузырчатой ржавчине, погибли, но теперь для вос-
становления популяций используются семена и саженцы деревьев, имеющих природ-
ную защиту от грибка. Вероятно, в дальнейшем будут высажены сотни миллионов
деревьев на почти двух миллионах акров, и хорошо бы, чтобы это были саженцы
устойчивых деревьев, но все зависит от семенных культур, сбора шишек и самих
белокорых сосен.
В 2012 году Кин, Томбек и другие ученые разработали межведомственную стра-
тегию по восстановлению данного вида, а Томбек, представляющая Фонд экосисте-
мы белокорых сосен, в партнерстве с American Forests и другими организациями
работает над межведомственным Национальным планом, направленным на спасение
этих деревьев. В его основу положены исследования в таких областях, как лес-
ная экология, география и генетика, которые десятилетиями проводились самыми
разными специалистами, в том числе Томбек, Кином и Снежко. Можно быть уверен-
ными в том, что отдельные живые, здоровые популяции белокорой сосны будут вы-
явлены и защищены, а генетически устойчивые деревья послужат материалом для
пересадки. Как растущие уже какое-то время сосны, так и недавно высаженные в
землю или те, что только будут посажены, - все они критически важны для выжи-
вания вида. В связи с этим возникает вопрос: в эпоху существования быстрого
генетического тестирования, подобного тому, которое предлагают частные био-
технологические компании вроде 23andMe, есть ли более быстрый и эффективный
путь для выявления и проверки устойчивых деревьев? Сегодня он составляет 7-20
лет, но если бы его можно было ускорить...
В 2016 году группа ученых, в которую вошел Дэвид Нил, специалист по расте-
ниям и генетик из Калифорнийского университета в Дейвисе, смогла секвениро-
вать геном сахарной сосны. Геном - это совокупность генов, кодирующих живой
организм: человека, мышь или дерево. В зависимости от вида он напоминает уве-
систую книгу, напечатанную мелким шрифтом на непонятном языке, и Грегору Мен-
делю, во второй половине XIX века проводившему опыты на горохе, даже не сни-
лись такие масштабы. Расшифровка генома представляет собой настолько сложный
процесс, что даже к 1970-м годам ученые смогли прочитать из этого массива
лишь несколько слов. Они секвенировали и идентифицировали отдельные гены, но
без окружающих генов и генетического контроля данные попытки оставались лишь
единичными шагами на пути к цели. Вне контекста отдельные гены отказывались
открывать свои тайны. Ускориться удалось в 1970-е годы, когда прорывные от-
крытия нобелевских лауреатов Уолтера Гилберта, Фреда Сенгера и других позво-
лили ученым быстрее секвенировать гены.
Слово за словом, предложение за предложением текст этой удивительной книги
открывался перед человеком, но, не имея современных вычислительных мощностей,
которые доступны нам сегодня, перевод все равно продвигался утомительно и
долго. Только к концу XX века ученые, наконец, смогли читать не только пред-
ложения и абзацы, но и в некоторых случаях целые книги. Так, в 1995 году был
впервые полностью расшифрован геном бактерии, вызывающей один из видов пнев-
монии. После удалось секвенировать гены нематоды. А в начале 2000-х годов
был, наконец, прочитан геном человека, и ученые оказались изумлены тем фак-
том, что нас как вид определяют всего 20-25 тысяч генов. По длине и весу наш
код составляет около 205 сантиметров и всего 6,4 пикограмма (один пикограмм -
это триллионная доля грамма) в зависимости от нашего пола, причем женский ге-
нетический материал немного длиннее и тяжелее. Далее ученые занялись полным
секвенированием патогенов, лабораторных животных, модельных растений, попу-
лярных сельскохозяйственных культур, насекомых и рыб.
Расшифровка геномов деревьев была лишь вопросом времени. Первым изучили
черный тополь, затем цветущие деревья с небольшими геномами, например персик.
Далее последовали ель обыкновенная, белая, сосна ладанная и пихта Дугласа.
Первой сосной, которую удалось секвенировать, стала сахарная, а ее геном, со-
стоящий из 31 миллиарда пар оснований (субъединиц ДНК, образующих каждую
«ступеньку» лестницы ДНК), оказался самым большим из когда-либо секвенирован-
ных и собранных. Для сравнения: геном человека состоит примерно из трех мил-
лиардов пар оснований.
Устойчивость к заболеванию может быть результатом работы одного гена или
сразу нескольких, и во втором случае гораздо труднее выявить их и связать с
защитным механизмом. Один из способов, которым можно решить эту задачу, - ис-
пользовать геномный поиск ассоциаций, или GWAS. Когда геном человека был сек-
венирован, генетики использовали GWAS, чтобы связать генетические вариации с
некоторыми заболеваниями. Этот процесс требует большого объема данных, в ходе
которого целые геномы сравниваются друг с другом на предмет различий по одно-
му генному локусу за раз. Как утверждает Нил, секвенирование генома организма
похоже на составление списка деталей. Раз за разом требуется секвенировать
ряд геномов и искать различия в популяции. Когда генетические вариации обна-
руживаются, ученые пытаются связать их с проявлением интересующих признаков
или характеристик.
Нил описывает, как такой способ работает применительно к людям. Тысяча доб-
ровольцев проверяются на предрасположенность к заболеваниям, которая оценива-
ется по шкале от одного до десяти. Каждый человек генотипируется по всем 25
тысячам генов, которые один за другим сравниваются с его оценкой восприимчи-
вости. Затем каждый доброволец сравнивается со всеми остальными. В большинст-
ве случаев связь между участниками эксперимента отсутствует, то есть ген не
влияет на развитие болезни или влияет незначительно. Но нередко ген у этих
людей коррелирует с восприимчивостью к болезни. Чтобы получить такие резуль-
таты, необходимо ощутимо вложиться: и финансами, и временем, и усилиями. Но
если в начале своего существования секвенирование генома человека стоило от
сотен миллионов до миллиарда и занимало годы, то сейчас цена вопроса - менее
тысячи долларов, а сам процесс может быть выполнен за несколько дней.
Следующей целью Дэвида Нила является белокорая сосна. В 2020 году Служба
охраны рыбных ресурсов и дикой природы США. предложила включить этот вид в
список видов, находящихся под угрозой исчезновения. Если это предложение бу-
дет принято, генетическое секвенирование белокорой сосны окажется не за гора-
ми. Разработка генома и определение конкретных генов - это большой проект, и
пусть пока он требует больших ресурсов и времени, наступит день, когда любой
лесничий сможет опустить сосновую хвою в пробирку и через несколько часов уз-
нать , противостоит ли дерево ржавчине и каким образом.
Геномный подход - это мощная технология, которая может помочь ускорить те-
кущие испытания. Как только гены устойчивости белокорой сосны будут идентифи-
цированы, более быстрое тестирование ДНК сможет указать исследователям наибо-
лее перспективные материнские деревья, семена которых затем будут подвергнуты
суровому испытанию ржавчиной. Комбинированный подход позволит сократить этот
процесс на годы, а то и на десятилетия.
Уроки, полученные на примере белокорой сосны, помогут и другим лесным де-
ревьям, пострадавшим от чужеродных вредителей и патогенов. Современная гене-
тика (геномика) ускорит процесс селекции, но деревья растут, созревают и раз-
множаются в сроки, значительно отличающиеся от привычных ранее. Поскольку ра-
бота по восстановлению и сохранению лесов будет длиться десятилетиями и сто-
летиями, мало кто из ныне живущих сможет насладиться успехами. Даже если уче-
ные восстановят от 20 до 30 % деревьев с генетической устойчивостью, конечный
успех, по словам Томбек, будет зависеть от ореховки. Остается надеяться, что
птицы не откажутся от некогда надежного источника пищи. Для успеха также по-
требуется новое поколение ученых, защитников природы и граждан, так же пре-
данных своему делу, как Томбек и ее коллеги.
Деревья - одни из самых древних и долгоживущих организмов на Земле. Возраст
некоторых исчисляется тысячами лет. Как виды, они выдерживают стихийные бед-
ствия, колебания климата, цикличную активность насекомых и лесные пожары, и
адаптация к этим вызовам заложена в их геномах. Одни гены могут способство-
вать тому, что семена дерева будут хорошо расти на выжженной почве. Другие
могут обеспечить защиту от нашествия жуков. Но даже естественный процесс от-
бора может привести не к адаптации и выживанию, а к вымиранию вида - если
противник окажется слишком силен. Именно в такую ситуацию мы поставили кашта-
ны, белокорые сосны и многие другие виды, включая вязы, эвкалипты в Австралии
и охиа на Гавайях. Как и в случае с пятихвойными соснами, при наличии доста-
точного генетического разнообразия деревья можно спасти с помощью неестест-
венного отбора - преднамеренного размножения, направляемого руками человека.
Этот метод фермеры использовали на протяжении веков, и он является одним из
лучших инструментов.
Глава 7.
Биоразнообразие
В 2003 году агроном и социолог Кэри Фаулер и его коллега Генри Шэндс заго-
релись идеей сохранить разнообразие растений на планете. Оба работали в сель-
ском хозяйстве и были знакомы с мировой продовольственной культурой и эконо-
микой. Они как никто другой знали, какую важную роль играют хорошие, качест-
венные семена, способные дать здоровые растения даже спустя многих лет хране-
ния, для обеспечения людей пищей. Понимали, и к каким катастрофичным послед-
ствиям приведет потеря генетического разнообразия сельскохозяйственных куль-
тур. Семя защищает и обеспечивает зародыш растения, но что важнее - оно со-
держит ДНК, необходимую для размножения вида. Это базовая единица практически
всех продуктов, которые мы едим (за исключением бананов и других удивительных
растений без косточек).
На протяжении большей части нашей сельскохозяйственной истории процессы се-
лекции и улучшения пищевых растений не отличались точностью. В глубине генома
всегда оставался некий элемент необузданности, благодаря которому даже на од-
ном и том же поле могли вырасти пшеница или рис, немного отличающиеся от тех,
что росли рядом. Эта вариативность спасала целые виды, потому что, если одни
растения гибли от жары, засоления почвы или нашествия насекомых, другие могли
пережить эти напасти и продолжать жизненный цикл. Такие одомашненные культу-
ры, сохранившие генетическое разнообразие, называются местными сортами, и
именно они доминировали на протяжении большей части нашей сельскохозяйствен-
ной истории. В XX веке селекционеры уже гораздо больше понимали, что такое
наследственность и как ее использовать в работе. Они с азартом взялись за
улучшение растений, выводя их по своему вкусу, сохраняя желаемые черты и вы-
тесняя другие, подвергая культуры генетическим экспериментам. Все это привело
к тому, что сегодня многие местные сорта растений заменены их высококультур-
ными двойниками, которые генетически более однородны и предсказуемы. По мере
того как производители уходили от вариативности, генофонд растений сужался.
Мы получили более вкусные, красивые фрукты и овощи - настоящее изобилие, - но
заплатили за них генетическим разнообразием.
Урожаи росли тоннами, а гены уходили на второй план. Популярные культуры
сократились с сотен и тысяч видов до горстки лучших. В Соединенных Штатах
пшеница, кукуруза и помидоры, которые быстро росли и эффективно противостояли
вредителям и патогенам, с легкостью путешествовали через всю страну или даже
за ее пределы, но с 1903 по 1983 год количество сортов капусты, которое ис-
числялось пятью сотнями, сократилось до чуть более двух десятков, было поте-
ряно почти все разнообразие арахиса и более трехсот сортов томатов. Человече-
ство сделало выбор в пользу более вкусных клубней, корней, листьев и плодов,
вытеснив полезные для растений свойства, такие как способность защищаться от
вредителей, патогенов и хищников, включая человека, выделением защитных хими-
ческих веществ. По мере того как посевы становились все более однородными,
возрастал риск массового неурожая из-за болезней, вредителей или скачков кли-
мата, и такая картина наблюдалась не только в Соединенных Штатах, но и по
всему миру.
В прошлом веке селекционеры, ученые, любители и фермеры, наконец, обеспо-
коились потерей любимых сортов сельскохозяйственных культур и местных сортов,
поэтому начали собирать и сохранять семена и другой генетический материал.
Некоторые взялись за это дело из желания сберечь хорошую наследственную поро-
ду растений. Другие - так как осознали, что, если этого не делать, в один
прекрасный день мир утратит растительное разнообразие и окажется лицом к лицу
с массовым голодом. В начале 1990-х годов Продовольственная и сельскохозяйст-
венная организация ООН поручила Кэри Фаулеру оценить текущее состояние миро-
вого разнообразия сельскохозяйственных культур. Как уже говорилось выше, Фау-
лер работал в сельском хозяйстве и хорошо разбирался в вопросах экономики
продовольствия. «То, что я и моя команда обнаружили, - написал он впоследст-
вии , - шокировало нас». Зародышевая плазма, являющаяся самым ценным природным
ресурсом в мире, находилась под угрозой. Несколько лет спустя Фаулер и Шэндс
предложили разработать систему резервного копирования мирового растительного
разнообразия, которая обеспечила бы жизнеспособность хороших семян для буду-
щих поколений.
В 2006 году Фаулер возглавил проект по сбору и сохранению семян, который мы
сегодня знаем как Всемирное семенохранилище. Оно разместилось в Норвегии - на
арктическом архипелаге Шпицберген - и, к неудовольствию его создателя, полу-
чило неофициальное название «Хранилище Судного дня». Данный объект находится
более чем в тысяче километров от Северного полюса, а вход в него напоминает
портал из научно-фантастического фильма - футуристическая дверь посреди мрач-
ного , непригодного для жизни пейзажа, за которой скрывается убежище. Только в
данном случае убежище для семян - сотен миллионов, а возможно, и миллиардов.
Оно выглядит как 130-метровый горизонтальный туннель, вырубленный в скале,
который выходит в пространство, покрытое сверкающими кристаллами льда. Фаулер
называет его собором. Там тяжелые металлические двери, покрытые льдом, ведут
в три отдельные комнаты, температура в которых держится на уровне -18 С. Это
гигантская морозильная камера, настолько же прочная и крепкая, как бомбоубе-
жище .
В начале XX века самая большая коллекция семян в мире хранилась во Всесоюз-
ном институте растениеводства в Ленинграде (ныне - Санкт-Петербург), и боль-
шую ее часть собрал Николай Вавилов. Подобно исследователям сельского хозяй-
ства Дэвиду Фэрчайлду и Фрэнку Мейеру из Министерства сельского хозяйства
США, Вавилов путешествовал по миру в поисках съедобных культур. Он также изу-
чал генетику и понимал значение генов растений для иммунитета к болезням. У
России был большой опыт борьбы с голодом, и Вавилов, намереваясь предотвра-
тить его повторение в будущем, создал и оберегал банк семян. К 1941 году, ко-
гда Адольф Гитлер приказал начать осаду Ленинграда и уморить голодом его жи-
телей, в банке хранились семена более трехсот тысяч сортов растений. Здесь
были картофель, рис, кукуруза, пшеница - все культуры, которые даже в том ви-
де, в котором они были, смогли бы прокормить людей. Это знали и голодающие
местные жители, и, скорее всего, немцы. Несколько русских ботаников, полных
решимости защитить бесценный тайник, заперлись внутри в окружении еды, кото-
рую не собирались трогать. С 1942 по 1943 год, по меньшей мере, девять из них
умерли от голода, так и не притронувшись к ценным запасам, а прорыв блокады
произошел только в 1944 году. Сам Вавилов умер, отбывая двадцатилетний срок в
трудовом лагере после того, как был арестован и обвинен в шпионаже для бри-
танской стороны. Причиной его смерти в 1943 году также стал голод.
По всему миру банки семян стали появляться в 1960-1970-х годах. К 2010-му
их уже было приблизительно две тысячи, а общее число хранимых в них образцов
перевалило за семь миллионов. Некоторые из таких банков специализируются на
нескольких культурах или способны хранить лишь ограниченное количество семян,
а другие просто огромны. В международном научно-исследовательском институте
риса на Филиппинах хранится целая коллекция сортов данной культуры, а в Мек-
сике создан международный центр по сохранению пшеницы и кукурузы - сотни по-
добных банков разбросаны по всему миру.
В США на территории Университета штата Колорадо в Форт-Коллинсе находится
хранилище семян, известное как Национальная лаборатория по сохранению генети-
ческих ресурсов Службы сельскохозяйственных исследований. Эта лаборатория яв-
ляется частью Национальной системы зародышевой плазмы растений Министерства
сельского хозяйства США., которая включает в себя объект в Пулмене, штат Ва-
шингтон, где хранится зародышевая плазма люцерны, нута и салата. Коллекция
кукурузы, проса и киноа находится в Эймсе, штат Айова. В Женеве, штат
Нью-Йорк, - зародышевая плазма яблок, вишни и винограда, а Форт-Коллинс явля-
ется резервным местом, куда отправляются на глубокое хранение в защищенном от
катастроф бетонном здании семена и зародышевая плазма из других центров и
банков. В 1990-х годах здесь заработал национальный банк генов животных, а в
2000-х - вирусов, грибов и бактерий, которые используются для исследований.
Сейчас в банке Министерства сельского хозяйства США хранится зародышевая
плазма почти 13 тысяч видов растений - в виде семян, а также корней, побегов
и «спящих» почек. Здесь также собраны образцы спермы, крови и другие фрагмен-
ты ДНК коров, лосося, медоносных пчел и червей. Есть также семена и зародыше-
вая плазма растений и семян, находящихся под угрозой исчезновения, в том чис-
ле белокорой сосны19. По сути, это продовольственное хранилище страны, в ко-
тором, как и в аналогичных учреждениях по всему миру, находится то, что один
из ученых Министерства сельского хозяйства США называет «тонкой зеленой лини-
ей» между продовольственной безопасностью и глобальным голодом.
И все же в 2003 году Фаулер и Шэндс опасались, что лишь немногие из банков
действительно безопасны. Некоторые из них не имели достаточного финансирова-
ния и не могли приобрести все необходимое; другие располагались в политически
нестабильных регионах, где не было практически никакой безопасности, или их
морозильные камеры не отличались надежностью. «Многие генные банки были не
столько банками, - заметил Фаулер, - сколько хосписами. Некоторые из них были
моргами». Тогда-то они и разработали план Б. К 2015 году во Всемирном семено-
хранилище удалось аккумулировать при поддержке более чем двухсот стран мил-
лионы семян, собранных из девятисот тысяч уникальных образцов растений. Не-
смотря на то, что объем приобретений растет с каждым годом, остается все еще
много места - хранилище рассчитано на два с половиной миллиарда семян более
чем четырех миллионов сортов сельскохозяйственных культур. Если случится ка-
кой-нибудь глобальный катаклизм, если культуры начнут погибать от быстро ме-
няющегося климата или грибковой инфекции, а война или другая экологическая
катастрофа уничтожит существующие банки семян, будущее человечества продолжит
храниться глубоко внутри горы, в вечной мерзлоте.
За всю свою историю человечество еще не встречалось с более опасным врагом
19 Зародышевая плазма и семена хранятся и в других частях страны. В Корваллисе, штат
Орегон, есть фрукты и орехи. На объекте в Женеве, штат Нью-Йорк, связанном с Кор-
неллским университетом, хранятся яблоки, вишни и разнообразные сорта винограда. В
университете также находится одна из новых коллекций - хранилище семян конопли. Се-
мена и растения передаются исследователям и селекционерам по всему миру, которые
стремятся вывести урожай, способный противостоять засухе, болезням и вредителям.
для сельскохозяйственных культур, чем стеблевая ржавчина пшеницы, она же
Puccinia graminis. Этот грибок преследовал фермеров на протяжении тысячеле-
тий, вынуждая порой прибегать к самым разным способам борьбы. Например, древ-
ние римляне обращали внимание на то, как по мере развития грибка растения по-
крывались наростами красного цвета, поэтому стали приносить в жертву рыжих
лисиц, собак и других животных в надежде умиротворить Робига, бога ржавчины.
Сегодня стеблевая ржавчина по-прежнему представляет опасность, в какой бы
части света ни росла пшеница. Например, в США. грибок Puccinia graminis вы-
звал крупнейшие эпидемии в 1916 и 1935 годах, заодно спровоцировав уничтоже-
ние кустов барбариса. Как и в случае с пузырчатой ржавчиной сосны, Puccinia
graminis может поражать не только пшеницу, но и других хозяев - это кусты
барбариса. Поэтому после вспышки 1916 года и вплоть до 1970 года сотни этих
растений были уничтожены в тех штатах, где грибок наиболее активно заражал
посевы. В некоторых регионах мира, где и без этого существовали проблемы с
продовольственным обеспечением, эпидемии ржавчины вызвали сильный голод. Та-
ким образом, это заболевание представляет опасность для всего человечества,
поэтому является общей проблемой. Стремясь ее решить, в 1944 году Фонд Рок-
феллера отправил молодого фитопатолога Нормана Борлоуга в Мексику, где на по-
лях как раз свирепствовала ржавчина. Задача Борлоуга состояла в том, чтобы
улучшить качество выращиваемой там пшеницы и обучить мексиканских фермеров.
В 1933 году, будучи студентом колледжа, Борлоуг стал свидетелем продоволь-
ственного бунта. Цены на молоко упали, и по городам США. прокатилась волна
беспорядков: работники молочной промышленности устраивали забастовки, напада-
ли и опрокидывали молоковозы и избивали всех, кто становился на их пути. Осо-
бенно впечатлила Борлоуга потасовка, которая случилась на улицах Миннеаполи-
са, когда голодные горожане окружили цистерну с молоком и передавили друг
друга. По словам будущего фитопатолога, соприкоснувшись так близко с отчаяни-
ем, которое может вызвать голод, он в итоге взял курс на то, чтобы изменить
историю сельского хозяйства. После окончания колледжа Борлоуг нашел общий
язык со специалистом по патологии растений20, который изучал стеблевую ржав-
чину, а когда оказался по заданию в Мексике, понял, что это заболевание имеет
настолько постоянный характер, что выращивание пшеницы, по сути, представляет
собой «упражнение по борьбе с ржавчиной». Борлоуг засучил рукава и принялся
за селекцию пшеницы, чтобы сделать ее более устойчивой.
После многих лет скрещивания различных сортов Борлоуг смог получить расте-
ния с благоприятными генетическими характеристиками21, важнейшей из которых
была устойчивость к стеблевой ржавчине. Он смог добиться успеха, потому что
существовало достаточно сортов пшеницы, чтобы можно было скрещивать их, и не-
которые обладали необходимыми генами устойчивости к грибку. Борлоуг накормил
миллиарды людей, и за это в 1970 году был удостоен Нобелевской премии мира.
Ген, благодаря которому все это стало возможным, получил название Sr31, и
сейчас, спустя десятилетия, 700 миллионов тонн пшеницы с различными генами
устойчивости, включая Sr31, выращиваются на 220 миллионах гектаров по всему
миру. Новые сорта отличаются большей урожайностью, но при этом более требова-
тельны к удобрениям и пестицидам.
Борлоуг учился в аспирантуре Университета Миннесоты, где изучал патологию расте-
ний под руководством Элвина Стакмана. Во время учебы Борлоуг работал над патогенами
грибков. Но годы спустя, когда Стакмана попросили заняться проблемой стеблевой ржав-
чины в Мексике, он нанял Борлоуга, который в то время работал в DuPont de Nemours.
21 Присуждая Борлоугу Нобелевскую премию мира, председатель Нобелевского комитета
Аасе Лионаес сказала о нем: «Больше, чем любой другой человек нашего времени, он по-
мог обеспечить хлебом голодный мир. Мы сделали этот выбор в надежде, что изобилие
хлеба также принесет мир во всем мире».
Генетическое разнообразие спасло урожай, но генофонд пшеницы сузился:
в подавляющем большинстве в мире выращиваются мягкая пшеница (Triticum
aestivum) - ее разновидности составляют более 90 % от мировых посевов данной
культуры; остальные сорта представлены твердой пшеницей (Т. turgidum ssp.
durum). Многие из них зависят от защиты, которую дает ген Sr31.
В 1998 году в Восточной Африке появился высоковирулентный штамм стеблевой
ржавчины пшеницы, получивший название Ug99. Грибок смог преодолеть устойчи-
вость, вызываемую Sr31, и вероятность возникновения новой пандемии очень
обеспокоила ученых и фермеров. Когда Ug99 только появился, Борлоуг задумал-
ся , не могли ли прошлые успехи способствовать надвигающейся катастрофе. Он
сравнил эпидемию ржавчины с лесным пожаром, которому нужны топливо, то есть
«легковоспламеняющийся материал, который будет распространен повсеместно»,
благоприятные климатические условия, обработка семян, ветер и наша «самонаде-
янность» . Первого было предостаточно - восприимчивым сортом пшеницы уже были
засеяны сотни миллионов гектаров. В ответ на вспышку заболевания Борлоуг по-
мог создать Глобальную инициативу по борьбе с ржавчиной, которая теперь носит
его имя и объединяет тысячи ученых и фермеров, занимающихся выращиванием пше-
ницы, из сотен учреждений. Их общая цель - обеспечить безопасность одной из
важнейших мировых сельскохозяйственных культур.
Вопреки опасениям, Ug99 пока не охватил весь мир, и это хорошая новость.
Но фитопатолог Сара Гурр, изучающая продовольственную безопасность, подчерки-
вает, что данный штамм стал сенсацией отчасти потому, что он невероятно виру-
лентен, а многие мировые сорта пшеницы оказались к нему восприимчивы. При
этом существует множество других разновидностей ржавчины. Например, в 2000-х
годах появился штамм, который уничтожил посевы на Сицилии, в Западной Сибири,
Дании, Швеции и Великобритании. Меняющийся климат также вносит свою лепту:
окатывая поля жаром, он приводит к тому, что некоторые сорта пшеницы стано-
вятся более восприимчивыми к болезням, и чаще это происходит именно в Европе.
«Иммунитет растений к болезням меняется, а грибки приспосабливаются к более
высокой температуре, - говорит Гурр. - Нам нужно как можно внимательнее изу-
чить это явление и надеяться, что где-то в генетической истории пшеницы оты-
щется подходящий для этого ген».
С момента появления Ug99 и других штаммов ржавчины селекционеры пшеницы на-
чали обращаться в генные банки, чтобы найти гены устойчивости у диких родст-
венников пшеницы. И им это удалось, но процесс селекции, как и в случае с
другими культурами, идет относительно медленно. «Каждый раз, когда вы выводи-
те новый ген в пшенице или картофеле, требуются годы для опытных испытаний,
чтобы оценить его полезность», - говорит Гурр. Селекционеры пшеницы находятся
на генетической беговой дорожке, пытаясь обогнать стеблевую ржавчину, но гри-
бок развивается чрезвычайно быстро. Они полагаются на отдельные доминантные
гены устойчивости в геномах растений, но в итоге, по словам Гурр, можно полу-
чить «либо стопроцентную защиту, либо полную катастрофу». А еще количество
грибковых спор при этом невероятно велико. «Если бы мы смогли увидеть их не-
вооруженным глазом, то в небе над каждым гектаром в вегетационный период на-
шли бы десять в степени одиннадцати спор. Это сто миллиардов. И все, что под
ними, - это рай, полный пищи». Зная, насколько быстро грибок способен эволю-
ционировать , можно сказать, что шансы у нашей нынешней тактики селекции неве-
лики.
Некоторые сорта пшеницы были генетически модифицированы22, чтобы противо-
В 2020 году в Аргентине была одобрена мука из пшеницы, созданной для борьбы с за-
сухой. На данный момент это первая и единственная инженерная пшеница, одобренная в
мире. В 2013 году на одном из полей в штате Орегон была обнаружена пшеница, выращен-
ная с помощью инженерии.
стоять ржавчине, но на момент написания этой главы ни один такой сорт не вы-
ращивался на полях законно. Они еще не утверждены, но могут быть одобрены.
«Самое печальное, что наше оружие номер один - это фунгициды», - добавляет
Гурр. Проблема в том, что самые популярные фунгициды, представленные сегодня
на рынке, воздействуют на ключевые ферменты, мешая грибкам функционировать
должным образом. Это делает препараты более специфичными и потенциально менее
токсичными, но эти характеристики также повышают вероятность развития устой-
чивости: грибок приобретает вариацию целевого фермента, так что остается ак-
тивным, или ген дублируется, что позволяет грибку производить больше целевого
фермента.
Одним из наиболее распространенных классов сельскохозяйственных фунгицидов
являются триазолы - химические вещества, которые воздействуют на фермент, не-
обходимый грибкам для построения клеточной мембраны. Когда мембрана нарушает-
ся , гриб не может расти или погибает. Препараты на основе азолов используются
и в медицине, например, ими лечат различные системные грибковые инфекции, в
том числе и Aspergillus fumigatus. Этот грибок живет в почве, и его споры
встречаются повсюду, но не беспокоят большинство из нас. Он представляет
опасность для людей с ослабленным иммунитетом, потому что вызывает серьезную
легочную инфекцию, которая в случае, если грибок способен противостоять пре-
паратам на основе азолов, может привести к летальному исходу. Такой грибок
сложнее вывести из организма, поэтому уровень смертности высок - 50 % и выше
в зависимости от лечения.
JSIE#
^^ЕУ- ' яН^^^^^Н
типгт
А
1ну^
? ч
.*•
Aspergillus fumigatus.
В 2007 году ученые из Нидерландов сообщили о странной находке: в культурах
A. fumigatus, взятых у нескольких пациентов, была обнаружена новая разновид-
ность генетической мутации, позволяющая добиться устойчивости к азолам. В
том, что в организме пациентов, получающих длительное лечение, грибок может
эволюционировать, чтобы противостоять препаратам, странного ничего нет - это-
го , наоборот, следует ожидать. Но в данном случае не только генетика была
странной - некоторые пациенты ранее вообще не принимали лекарства на основе
азолов. Как же заражающий их A. fumigatus смог выработать устойчивость? Уче-
ные предположили, что грибок подвергался воздействию азолов в окружающей сре-
де, скорее всего, на фермах, где использовались соответствующие фунгициды.
Десятилетие спустя азолоустойчивый A. fumigatus был обнаружен на луковицах
тюльпанов, импортированных из Нидерландов в Ирландию. Нидерланды производят
большую часть тюльпанов и более половины всех цветочных луковиц в мире. Чтобы
защитить их от вредных грибков (в число которых, кстати, не входит А.
fumigatus), луковицы окунают в фунгицид, а поля в течение вегетационного пе-
риода опрыскивают. В процессе развития растений и после образуются различные
отходы - отмершие листья и прочее, - которые собираются в компостные кучи, и
вот там A. fumigatus в полном смысле слова процветает. Именно в этих кучах и
были обнаружены в наибольшем количестве устойчивые к азолам штаммы. Грибок
выработал устойчивость к фунгициду, который не использовался для его уничто-
жения, - такой вот невинный свидетель, готовый в любой момент сам стать убий-
цей. С тех пор устойчивые к азолу A. fumigatus были обнаружены по всему ми-
ру, причем не только в цветочной индустрии, но и в почве, в которой выращива-
ются другие культуры - от зерновых до картофеля и клубники. В США с 2006 по
2016 год использование триазольных фунгицидов в сельском хозяйстве увеличи-
лось в четыре раза, причем лидирует в этом отношении именно пшеница.
Если фунгициды останутся основным средством защиты урожая, - а Гурр счита-
ет, что в обозримом будущем так и будет, - нам понадобятся новые препараты,
которые будут действовать строго против грибков и сразу на нескольких участ-
ках (это уменьшит токсичное воздействие на растения и животных). Поиск гене-
тического разнообразия - это один из способов, который может уменьшить нашу
зависимость от токсичных химикатов. Возможно, мы никогда не сможем от нее из-
лечиться, но попытаться сократить их разработку и сосредоточиться на менее
токсичных фунгицидах, которые будут достаточно сильно отличаться от наших
препаратов, необходимо, чтобы не обменивать защиту человеческого здоровья на
защиту растений. Генетическое разнообразие в пределах популяции или вида -
это одно, но существует также разнообразие видов, штаммов и сортов. Нам еще
предстоит решить вопрос, как лучше всего использовать защитные механизмы на
уровне ДНК для защиты нашей продовольственной системы. Идти вперед - значит
расширять генетическое разнообразие выращиваемых нами культур, воспитывать
вкус к различным сортам пшеницы, овощей и фруктов. К различным сортам бананов
в том числе.
Когда болезнь поражает такую культуру, как банан Кавендиш, промышленники
думают только о том, чтобы защитить урожай или улучшить его. Это их работа, а
также то, чего ждет от них потребитель, готовый платить только за конкретный
товар определенного вида и вкуса. Подобный образ мышления только укрепляет
практику массового выращивания монокультур, и в этом повинны мы все. Пришло
время вводить в севооборот как новые, так и уже известные сорта с различной
устойчивостью и отличным вкусом, а также внедрять инновации и совершенство-
вать технологии выращивания. Ученые, работающие в этой области, говорят, что
пора поддержать мелких производителей и отказаться от монокультуры, потому
что на небольших, более разнообразных почвах проблем с болезнями обычно го-
раздо меньше. Другими словами: разнообразие, разнообразие и еще раз разнооб-
разие .
Когда первая волна фузариозного увядания бананов уничтожила сорт
Гро-Мишель, селекционеры попытались вывести его устойчивый к болезни вариант.
Им это не удалось, но кое-что в запасе все-таки было - сорт Кавендиш. Учиты-
вая, что в данный момент по миру распространяется новая разновидность фузари-
озного увядания бананов, необходимо уже сейчас подумать о том, с чем мы оста-
немся, когда, возможно, проиграем эту битву снова. У селекционера Рони Свен-
нена такой запасной план есть. До 2019 года Свеннен возглавлял лабораторию
улучшения тропических культур в Левенском католическом университете в Бель-
гии , где заведовал крупнейшим в мире собранием бананов разных сортов. Эта
коллекция хранится под эгидой Международного центра транзита зародышевой
плазмы23. Сейчас Свеннен возглавляет программу селекции бананов в Нигерии - в
Международном институте тропического сельского хозяйства, который находится в
Ибадане и является некоммерческой организацией. Правда, с институтом его свя-
зывает гораздо более давняя история: еще в 1970 годах Свеннен работал здесь,
собирая образцы банановых растений на фермах и в лесах по всему континенту и
изучая лучшие методы выращивания этой культуры. Именно благодаря тому, что в
Африке предпочтение отдается разнообразию сортов бананов, коллекция Междуна-
родного центра транзита зародышевой плазмы настолько велика: она включает бо-
лее 1500 сортов десертных бананов и плантанов, 100 из которых съедобны, а 40
обладают более или менее сладким вкусом. Здесь есть образцы из Восточной Аф-
рики, Демократической Республики Конго, Вьетнама, Индии и практически всех
стран, где растут бананы.
Как ни странно, большинство культивируемых бананов не имеют жизнеспособных
семян. Вспомните последний съеденный вами банан: четыре крошечные черные точ-
ки, которые вы заметили в мякоти, - это и есть их остатки. А если нет семян,
нечего и собирать, чтобы хранить на будущее. Вместо этого в Международном
центре транзита зародышевой плазмы содержатся меристемы бананов, то есть ско-
пления клеток, которые нарастают слоями вокруг побегов. Эти меристемы выращи-
вают в пробирках в виде проростков или замораживают и хранят в жидком азоте.
После размораживания их можно использовать для выращивания крошечных банано-
вых саженцев. Нижний этаж университета заполнен тысячами пробирок с яр-
ко-желтыми пластиковыми крышками, в каждой из которых в нескольких миллилит-
рах субстрата покоится маленькое растение. По запросу ученых и селекционеров
центр рассылает тысячи образцов бананов по всему миру. Большинство отправля-
ется в развивающиеся страны, где фермерам нужны банановые растения, способные
противостоять фузариозному увяданию или черной сигатоке, нематодам или клима-
тическим условиям. Генетическое разнообразие коллекции Международного центра
транзита зародышевой плазмы - это надежда на будущее, в котором у нас будут
бананы.
Большинство бананов, от Кавендиша до десертных, произошли от двух разных
диких сортов, имеющих семена, - Musa acuminata и Musa balbisiana. При про-
дольном разрезе мякоть М. acuminata усыпана рядами крупных черных семян, по-
хожих на жемчужины, а плоды М. balbisiana отличаются небольшим размером и
овальной формой. Бананы, к которым мы привыкли, далеки от них и по внешнему
виду, и по вкусу, и генетически. В то время как оба диких сорта бананов имеют
по две копии каждой из одиннадцати хромосом и являются диплоидными, большин-
ство бананов, которые мы едим, - триплоидные: их клетки содержат три набора
хромосом. Триплоидные растения и животные, как правило, стерильны. Даже если
бы наши бананы можно было размножать традиционным способом, их потомство было
бы практически бессемянным, потому что за века семена постепенно исчезли из
их мякоти. Практически все культивируемые сегодня сорта бананов размножаются
клонально.
«Вы можете создать любой банан, - говорит Свеннен, имея в виду, что можно
скрестить один банан с другим и вывести новый сорт. - Но это сложный и утоми-
тельный процесс». А когда это сделано, возникает проблема поиска редких се-
мян. Растения, которые являются кандидатами на гибридизацию, сначала вручную
опыляются. Как только плоды начинают менять цвет с зеленого на желтый, гроздь
собирают и отправляют на дозревание. Тысячи бананов очищают от кожуры, раз-
давливают и перетирают, чтобы собрать генетическое золото - горстку семян.
Коллекция МЦТ хранится в Католическом университете Левена (KU Leuven).
После сбора из оплодотворенных семян извлекают зародыши и высаживают их, что-
бы новое растение можно было оценить по росту, устойчивости к болезням или
вкусу. Когда селекционеры впервые попытались вывести гибриды для борьбы с фу-
зариозным увяданием - еще до секвенирования ДНК и других новых технологий, -
на выведение растения с желаемыми признаками могли уйти десятилетия, если это
вообще было возможно. Теперь, по словам Свеннена, «у нас есть десятки тысяч
гибридов». Тем не менее, их производство - это нелегкий труд. Свеннен описы-
вает этот процесс в цифрах: из 25 тысяч семян, собранных с 13 тысяч гроздей,
прорастает чуть менее 4 %, или около 800, которые становятся жизнеспособными
растениями. По сравнению с другими семенными культурами, такими как рис или
кукуруза, это ничтожно мало, но каждое из этих гибридных растений таит в себе
множество возможностей - от повышенной устойчивости к болезням до ускоренного
роста или повышенной питательности.
Когда-нибудь, в ближайшем или отдаленном будущем, на полках продуктовых ма-
газинов будут лежать бананы, которые выглядят совершенно иначе, чем мы при-
выкли. Они будут красными, короткими или толстыми. Одни будут более крахмали-
стыми , другие - более сладкими. Может быть, даже появится такое же большое
разнообразие бананов с низким содержанием пестицидов, какое можно наблюдать
среди яблок. Когда это произойдет, вы будете знать, что Свеннен, Кема и дру-
гие добились успеха, и это будет повод для радости.
Бананы - лишь одна из основных сельскохозяйственных культур. Практически
каждый кусочек пищи, который мы выращиваем из почвы, подвержен воздействию
грибков, бактерий, вирусов, избытка или недостатка воды, изменения климата и
множества других экологических проблем. Спасение наших продуктов и нас самих
заложено в генах растений.
Глава 8.
Воскресение
На вершине горы Тоби, расположенной в нескольких милях от моего дома, нахо-
дится пожарная вышка. Отсюда открывается вид на юг, за хребет Холиок и Нотч,
в Коннектикут, а далеко на западе, за рекой, высится гора Грейлок. На плечах
Тоби и ее сестер-вершин, Окс-Хилл и Роринг, лежит лоскутным одеялом лес.
Большая его часть находится в ведении Массачусетского университета, где он
используется для обучения студентов: тут они могут практиковаться в лесово-
дстве и охране природы. В этом лесу растет благоухающая роща белых сосен, не-
которые из них пережили ржавчину, в том числе и благодаря усилиям по уничто-
жению кустов Ribes. Здесь также можно увидеть старые черные березы, зонтики
болиголова, нависающие над тропами, усыпанными опавшими иголками, кленовую
рощу с давно развалившейся сахарной хижиной - небольшой постройкой, в которой
раньше выпаривали из древесного сока кленовый сироп. Рождественский папорот-
ник, он же многорядник верхоплодный, деннштедтия точечнолопастная, клубненос-
ный пузырник, - эти и десятки других видов устилают землю зеленым ковром и
украшают расщелины скал. А еще... американские каштаны. Правда, совсем не тако-
го могучего вида, как раньше.
Много лет я проходила мимо этих кустов с длинными зубчатыми листьями и не
обращала на них внимания, пока однажды зимой не заметила каштан. Одинокий ко-
лючий шарик, который упал на землю осенью и стал виден только тогда, когда
немного подтаял снег. Небольшое дерево успело вырасти подняться над землей
метра на три, прежде чем образовался этот небольшой плод, хотя ствол его изъ-
еден и покрыт трещинами. Как и каштановая древесина, из которой была построе-
на хижина, стоящая примерно в миле отсюда - на седловине между двумя неболь-
шими вершинами. Теперь от хижины остались только каменный очаг, дымоход шири-
ной чуть больше метра и несколько бревен. Когда-то ее построил клуб скалола-
зов колледжа, использовав каштаны, которые росли в этом лесу и возвышались
над цветами болиголова. Спустя время болиголов на месте, а вот деревья, ко-
гда-то пораженные инвазивным грибком Cryphonectria parasitica, были вырублены
по решению университета в надежде, что это «очистит» лес. С тех пор в окрест-
ностях горы Тоби каштанов не было почти сто лет.
Кустарниковые побеги - это все, что осталось от величественного дерева. Они
растут, умирают от болезней и снова вырастают из пня, словно проживая беско-
нечный смертельный день сурка. Когда леса, покрывающие гору Тоби и все запад-
ные и южные районы Аппалачей, потеряли каштаны, экосистема смогла оправиться.
Хочется верить, что когда-нибудь и прекрасные деревья, оставшиеся в памяти
людей великанами, снова вырастут и займут свое место среди дубов и цветов бо-
лиголова .
Все каштаны имеют общего предка - некое огромное, великое, прекрасное,
сильное, похожее на каштан дерево, от которого произошли все остальные. Если
заглянуть далеко в его прошлое, можно обнаружить растение, напоминающее смесь
дуба, каштана и южного бука. Первые известные окаменелости рода Castanea
свидетельствуют о том, что каштановые деревья сбрасывали свои питательные
плоды примерно 50-40 миллионов лет назад в лесах умеренной зоны северного по-
лушария от Восточной Азии до Северной Америки. Именно из Азии он, вероятно, и
был родом, а потом распространился по континентам. Со временем отдельные по-
пуляции развивались, эволюционировали и, оказываясь в новой для себя среде,
приспосабливались к ней постепенно. К началу XIX века американский каштан был
быстрорастущим и высоким, в то время как разновидности наиболее распростра-
ненного азиатского каштана, выводимые в течение тысяч лет как садовые дере-
вья, отличались меньшим ростом, но давали при этом более крупные плоды.
О заболевании, которое в будущем уничтожит американский каштан, впервые за-
говорили во время расцвета сельскохозяйственной исследовательской программы
Министерства сельского хозяйства США, когда молодые ученые, полные азарта и
предвкушения приключений, отправлялись во все концы мира на поиски новых пи-
щевых и декоративных растений. Одним из таких исследователей был Фрэнк Мейер
- человек, которому пришлось по душе искать интересные экземпляры в глуши,
подальше от других людей. Мейер работал под началом Дэвида Фэйрчайлда, закля-
того врага Чарльза Марлатта, и однажды уже привез в США каштаны, собранные в
Северном Китае (правда, через год после того, как болезнь распространилась).
В 1913 году Мейер снова отправился в Китай, где его попросили присмотреться к
каштановым рощам. Сможет ли он обнаружить смертоносную болезнь на китайских
деревьях? Мейер почти неделю ехал на мулах, чтобы добраться до рощи, а потом
отправил коллегам сообщение, в котором написал, что деревья действительно за-
ражены, но «не удалось найти ни одного экземпляра, который полностью был бы
уничтожен этой болезнью». Он отправил фрагмент пораженной грибком коры и не-
сколько изображений отобранных им деревьев в США, где его коллеги обнаружили,
что грибок, поражающий китайские каштаны, «почти идентичен» американскому.
Просто китайские деревья научились жить с грибком. Находка Мейера подарила
нам всем надежду на то, что при скрещивании с китайским американский каштан
сможет приобрести устойчивость к грибку. С тех пор ученые, селекционеры и лю-
бители занимаются поиском такой возможности, и среди них нужно отметить бота-
ника Артура Грейвса.
К тому времени, когда Грейвс начал разводить каштаны, а это 1931 год, гри-
бок уже завоевал миллиарды деревьев, опутывая их гифами и выдавливая жизнен-
ные соки. В своем летнем доме в Хамдене, штат Коннектикут, Грейвс, став кура-
тором Бруклинского ботанического сада, занялся скрещиванием китайских
(Castanea mollissima) и японских (С. crenata) деревьев с американскими (С.
dentata). Он искал экземпляр, который будет устойчив к болезням и вырастет
высоким и сильным, как те, которые были частью нашей природы раньше. В то
время научные разработки по выведению устойчивых к болезням деревьев велись,
но не в таком количестве, которое было необходимо. На восточном побережье ос-
тавалось мало каштанов, способных противостоять грибку, а то и вовсе не было,
поэтому единственным выходом стало разведение гибридных деревьев - скрещива-
ние двух разных видов. Что именно делает азиатские деревья устойчивыми и
сколько генов может быть задействовано в этом процессе? Таких вопросов никто
не задавал, поскольку для науки эта область была совершенно неизвестна.
Если говорить о генетике, то разведение каштанов требует определенных тон-
костей. На одном дереве растут разнополые цветы, но каштаны не самоопыляются.
Мужские цветы собраны в похожие на гусениц сережки, и производят пыльцу, но
за ее перенесение ответственны насекомые или ветер: с их помощью пыльцевые
зерна попадают на соседние деревья. Женские цветы напоминают небольшие колюч-
ки зеленого цвета и растут на кончиках ветвей. Чтобы контролировать опыление,
Грейвс помещал созревающие женские цветки в бумажные пакеты, а когда они были
готовы к опылению, срезал сережки с донорских мужских цветков и проводил ими
по колючкам. По мере созревания в них плодов Грейвс также укрывал их пакета-
ми , чтобы защитить от белок. На протяжении десятилетий, пока семена превраща-
лись в саженцы, а саженцы - в деревья, результаты каждого скрещивания раскры-
вались . Некоторые деревья проявляли устойчивость к болезням, но не отличались
высоким ростом, их стволы не были прямыми. Некоторые походили на привычные
американские каштаны, но оказывались беззащитны перед болезнью и погибали. А
некоторые гибриды, на которые возлагалось так много надежд, просто не смогли
приспособиться к холодной зиме. Несмотря на это, Грейвс собирал, скрещивал и
высаживал тысячи каштанов на протяжении более 30 лет. Он был уверен, что хотя
бы один из тысяч саженцев, родившихся из сотен деревьев, окажется подходящим.
Но ни один не подошел.
Американские каштаны.
Спустя годы ученые узнали, что некоторые гены устойчивости могут быть свя-
заны с другими генами - теми, что расположены рядом на хромосоме. Во время
размножения, когда гены распределяются по дочерним клеткам, такие сцепленные
друг с другом «парочки», как правило, «путешествуют вместе», и потомство по-
лучает все признаки, за которые они ответственны, или большинство из них. У
человека связаны между собой гены цвета волос и глаз: каштановые волосы - с
карими глазами, светлые волосы - со светлым цветом глаз. Генетическая связь
могла бы объяснить, почему признак устойчивости к каштановой чуме и признак,
определяющий структуру ветвей, воспроизводятся в потомстве одновременно. Воз-
можно, именно из-за этого выведение высоких и устойчивых к заболеванию де-
ревьев является более сложной задачей, чем предполагал Грейвс.
В то время как Грейвс подбирал и скрещивал деревья, его современники из Ми-
нистерства сельского хозяйства США. также искали правильное сочетание формы и
функциональности, высаживая десятки тысяч гибридов в более чем дюжине штатов.
Одно из этих деревьев, полученное в 1946 году исследователем Расселом Клэппе-
ром, работавшим в штате Коннектикут, подало определенные надежды. Дерево ста-
ло известно как «дерево Клэппера». Оно оказалось результатом обратного скре-
щивания китайско-американского потомка с родителем - американским каштаном.
После первоначального скрещивания саженцы имели примерно равное количество
генов от каждого родителя, при этом дерево Клэппера получило более американ-
ский вид с большой дозой устойчивости к чуме, доставшейся от китайского пра-
родителя. Этот каштан рос в течение двух десятилетий и сохранял устойчивость,
но на 25-й год появились симптомы заболевания, и еще через пять лет дерево
погибло. Сотни скрещиваний, тысячи деревьев, десятки тысяч плодов, посаженных
и выращенных в течение десятилетий, и такой итог - принцип наследуемости при-
знаков стал для исследователей задачей, которая оказалась им не по силам.
Разочарованным селекционерам могло показаться, что самое время уйти в отстав-
ку . Но, как всегда, нашелся еще один мечтатель, готовый рискнуть всем.
Чарльз Бернхэм был генетиком и агрономом из Университета Миннесоты. Он вы-
шел на пенсию, зная все о том, как создать растение с помощью селекции. Пер-
вые годы в профессии он провел рядом со светилами этой науки, среди которых
были лауреат Нобелевской премии Барбара Мак-Клинток, открывшая, что гены мо-
гут перемещаться, меняя свое местоположение в геноме, и Джордж Бидл, получив-
ший премию за то, что обнаружил связь между генами и генными продуктами, та-
кими как ферменты. Бернхэм потратил 50 лет на изучение генетических особенно-
стей таких культурных растений, как кукуруза, фасоль, ячмень и пшеница, выяс-
няя, какие гены что делают и где они расположены в геноме растений. Он знал,
как развивать полезные характеристики, такие как устойчивость к болезням, и
выводить менее желательные, чтобы они не наследовались.
В начале 1980-х годов Бернхэм нашел для себя новое поле для деятельности,
обещавшее интересные задачи, - американский каштан. Он рассудил, что прошлые
селекционные проекты провалились, потому что просто не зашли достаточно дале-
ко . Они довольствовались разовым скрещиванием дерева азиатского происхождения
и дерева из США, получив гибрид первого поколения, F1, который поровну насле-
довал признаки обоих родителей. Но наряду с генами устойчивости к внешним
воздействиям есть и множество других, определяющих форму и размер листьев,
структуру ветвей и размер каштана, и гибрид получал их некое сочетание. Дере-
во Клэппера с одним обратным скрещиванием шагнуло немного дальше, но все же
недостаточно далеко. Бернхэм считал, что характеристики американского каштана
можно вернуть в смесь с помощью более тщательного процесса обратного скрещи-
вания - стратегии, которая первоначально применялась в отношении таких куль-
турных растений, как пшеница и ячмень. При работе с самоопыляющимися расте-
ниями, которые производят более генетически однородное потомство, и с расте-
ниями, созревающими в течение одного вегетационного сезона, результативность
подобных экспериментов можно было бы проверить относительно быстро. И если бы
деревья соответствовали этим характеристикам, работа велась бы на совершенно
другой скорости, не десятилетиями.
Как и дерево Клэппера, Бернхэм скрестил F1 с американским каштаном, получив
первое поколение обратного скрещивания - ВС1. Потомство от этого скрещивания
следовало снова скрестить с еще одним американским деревом, а потом проверить
ВС2 на устойчивость к каштановой чуме. Теоретически к третьему обратному
скрещиванию, или ВСЗ, писал Бернхэм, потомство будет на 15-16 % соответство-
вать американскому каштану. Он предположил, что где-то в этих 16 % генов бу-
дут те, что отвечают за устойчивость. Далее ВСЗ следовало скрещивать между
собой в течение трех поколений, и последнее - BC3F3 - должно стать устойчивым
к чуме, настоящим селекционным американским каштаном. План Бэрхнэма был рас-
писан на 30 лет вперед и руками сотен помощников, отвечающих за посадку, из-
мерения и выбраковку, должен был помочь пронести гены каштана через пять по-
колений деревьев и десятки тысяч саженцев. Помня о генетическом разнообразии,
следовало стремиться вывести не одну линию устойчивых каштанов, а несколько -
чтобы они были способны выдержать и тепло южноамериканского лета, и снег
беркширской зимы. В программу должны были войти каштаны из высокогорных и
низменных районов Джорджии, Теннесси, Северной Каролины и Массачусетса. Берн-
хэм знал, что не доживет до реализации этого плана, но организация могла бы
продолжить его и обеспечить успех проекта. С этой целью в 1983 году Бернхэм
вместе с агрономом Норманом Борлоугом, который смог вывести устойчивую к
ржавчине пшеницу, и другими учеными основал Американский фонд спасения кашта-
нов . С годами вокруг идеи Бернхэма сплотились генетики, фитопатологи, частные
фермеры, лесники и ученые, создав сообщество романтиков, ведомых мечтой вос-
становить дерево, которое большинство никогда не видело в дикой природе и
вряд ли сможет увидеть хотя бы потому, что не доживет до того дня, когда се-
лекционная программа даст положительный результат. Однако фонд и его волонте-
ры возрождают не только американский каштан - они возрождают надежду.
Когда Бернхэм разрабатывал свою программу, он считал, что устойчивость про-
исходит от двух генов, это значительно усложняло процесс селекции, по сравне-
нию с тем, в котором следовало бы вывести один желательный ген. Но нет ничего
такого, чего нельзя было бы достичь с помощью прямых и обратных скрещиваний.
Учитывая это, план Бернхэма выглядел очень хорошо, но оказалось, что генетика
устойчивости не так проста.
В 1990-х годах считалось, что в устойчивости участвуют три гена. Теперь мы
знаем, что их гораздо больше. Как и в программе по выведению устойчивости к
пузырчатой ржавчине сосны, каждое поколение каштана необходимо проверять на
устойчивость к грибковым заболеваниям, и программа фонда предполагает выращи-
вание саженцев до тех пор, пока они не станут достаточно взрослыми, чтобы
подвергнуться воздействию грибка. Эколог Пол Ветцель руководит полевой стан-
цией Маклиша в колледже Смита и ухаживает за фруктовым садом, полным сажен-
цев, принадлежащих Американскому фонду спасения каштанов, - колледж предоста-
вил фонду доступ к саду на 30 лет. Многие студенты участвовали в посадке са-
женцев, и хотя никто из них никогда не видел этот вид во всей его красе, они
могут за ним наблюдать, хотя бы просто проходя мимо.
Сад окружен забором, который находится под напряжением, - это сделано для
того, чтобы олени не вредили деревьям. Самые старые из них были посажены око-
ло девяти лет назад и уже плодоносят. Все они близки к последнему этапу про-
цесса скрещивания Бернхэма, то есть являются BC3F2. Более низкие и молодые
деревья находятся в глубине участка, отдельные отличаются по своим характери-
стикам: у некоторых листья длиннее и обладают более выраженными зубцами, не-
которые выше или ниже, чем другие, и прочее. Сад был спроектирован с учетом
вероятности обнаружения нескольких устойчивых деревьев, поэтому они растут в
тесноте, на расстоянии полуметра друг от друга, и в каждом из девяти сегмен-
тов насчитывается около 150 растений от одной родительской линии (новые сады
высаживаются на большем расстоянии друг от друга, чтобы повысить шансы на вы-
живание) . Среди деревьев встречаются чистые китайские каштаны - это контроль-
ные деревья. Охраняемые условия позволяют сберечь популяцию от излишней тени,
нашествия енотов или оленей, но все равно не могут исключить влияние засухи,
дождей и ветра, и иногда деревья просто погибают от самых разных причин, ко-
торые невозможно предупредить. Однако тот факт, что сад является эксперимен-
тальным, означает, что в нем высажено гораздо больше деревьев, чем запланиро-
вано, - лишь бы достаточное количество выжило и доросло до зрелости.
Когда саженцам исполняется два года, их проверяют на устойчивость. В этом
случае грибок наносится непосредственно на каждое дерево. Ветцель и добро-
вольцы из фонда проделывают небольшое отверстие в коре каждого ствола, берут
пробу грибка из чашки Петри, вставляют ее в отверстие и закрывают рану. Они
контролируют появление язв и измеряют их, а потом инфицируют выжившие деревья
еще одной порцией вирулентного грибка. Цель Ветцеля - выявить 20 устойчивых
деревьев, вырезать остальные, чтобы дать оставшимся немного пространства, а
затем позволить выжившим деревьям перекрестно опыляться и приносить плоды,
которые теоретически дадут устойчивые к каштановой чуме семена для новых по-
садок. К сожалению, несмотря на все усилия, большинство молодых деревьев в
саду Ветцеля не имеют правильной комбинации генов. За последние десятилетия
прорыва так и не произошло.
С 2002 по 2018 год на исследовательской ферме фонда в Мидоувью, штат Вирд-
жиния, было высажено около 70 тысяч деревьев BC3F3, то есть находящихся на
заключительном этапе селекционной программы Бернхэма. Согласно математическим
расчетам, если всего несколько генов отвечают за большую часть устойчивости,
должно было получиться около 18 деревьев, способных противостоять болезням,
как их китайский предок. При этом они должны проявлять признаки американского
каштана - вырастать высокими и выпускать длинные зубчатые листья. Однако к
2018 году стало ясно, что сопротивляемость в лучшем случае средняя, а при за-
ражении грибком, вызывающим заболевание, образуются язвы, которые носят менее
разрушительный характер, чем те, что свойственны американским предкам, и бо-
лее - чем те, что появлялись вне программы на китайских деревьях. Полученный
результат позволил предположить, что устойчивость зависит от более чем трех
генов и какая бы их конфигурация ни обеспечивала устойчивость, она не попала
в линии эксперимента по обратному скрещиванию. Фонд приспосабливается к этой
новой реальности по мере продолжения селекционной программы.
В 2019 году консорциум из 31 ученого опубликовал геном китайского каштана.
Это дерево - продукт около 40 тысяч генов. По словам количественного генетика
Джареда Уэстбрука, который является научным директором Американского фонда по
спасению каштанов, устойчивость контролируется не двумя, тремя или шестью ге-
нами, а многими, распределенными по всем двенадцати хромосомам каштана. Ока-
зывается , устойчивость гораздо сложнее, чем Бернхэм мог себе представить. Где
находятся эти гены устойчивости на каждой хромосоме и что именно они делают,
сказать сложно. «Подобно экосистемам, - объясняет Уэстбрук, - гены функциони-
руют в сетях». Это означает, что не все они напрямую связаны с таким резуль-
татом, как устойчивость, а могут контролировать другие гены, которые включа-
ются или выключаются и таким образом косвенно влияют на результат. Эта слож-
ность наделила китайские каштаны устойчивостью, которую грибку еще предстоит
преодолеть. И это объясняет, почему усилия по созданию устойчивого гибрида,
который наращивает оболочку из крепкой, прямой, ровной и устойчивой к гниению
древесины, формирует сладкие плоды, не сработали так, как планировалось. По-
следнее поколение гибридов, BC3F3, выращенное в рамках программы фонда в Ми-
доувью, имеют схожесть с американским каштаном от 65 до 90 %, в среднем -
около 83 %. «Это не совсем те 93,75 %, к которым стремился Бернхэм, - призна-
ет Уэстбрук. - Они также не настолько устойчивы, как он планировал».
В то время как фонд занимался разведением, выращиванием и скрещиванием де-
ревьев, Уильям Пауэлл и Чарльз Мейнард, работающие в Государственном универ-
ситете Нью-Йоркского колледжа экологических наук и лесного хозяйства в Сира-
кузах, выбрали другой путь для спасения каштанов - генную инженерию. Их рабо-
та, которую фонд поддержал, может стать ключом к возрождению вида.
Уильям Пауэлл увлекся идеей спасения американских каштанов 30 лет назад. Он
начал с изучения явления, называемого гиповирулентностью. Оно основывается на
представлении, что гиповирулентный грибок менее способен заражать хозяина и
разрастаться на нем, а значит, менее способен вызывать болезнь. В начале XX
века, когда каштановая чума охватила Аппалачи, европейцы готовились к анало-
гичным потерям, тем более что местные каштаны также оказались заражены болез-
нью, завезенной, предположительно, из Азии. Но массового уничтожения европей-
ских садов так и не произошло. В 1950-х годах итальянский фитопатолог отме-
тил, что каштаны в Генуе выжили, но не смог1 объяснить, каким образом. Десяти-
летие спустя один французский агроном и его коллеги обнаружили, что у местных
каштанов протекание болезни отличалось от того, которое наблюдали в Соединен-
ных Штатах, и причина этого кроется в грибке - в некоторых случаях он был ме-
нее вирулентным, или гиповирулентным. Когда агроном распространил его на дру-
гие зараженные каштаны, на них начали образовываться язвы, указывающие на ин-
фекцию, но затем они зажили, оставив луковицеобразные струпья. Европейцы вы-
ращивали каштаны преимущественно в садах, что способствовало распространению
грибка, но деревья все равно выживали, а все потому, что он сам был заражен
вирусом, о чем ученые, конечно же, не знали. Все дело в том, что вирусы пора-
жают практически все живые существа на планете - от микробов до растений и
животных. Есть вирусы, которые заражают другие вирусы, а есть те, которые за-
ражают грибки и бактерии. Некоторые из них способны убить своего хозяина, а
другие не причиняют вреда; конкретно этот поразил грибок, вызывающий каштано-
вую чуму, и сделал его бессильным.
В начале 1970-х годов миколог Сандра Анагностакис получила от французского
агронома образец культуры гиповирулентного грибка и начала экспериментиро-
вать, заражая им уже инфицированные деревья, чтобы узнать, сможет ли он успо-
коить болезнь. Это сработало на удивление хорошо, превратив смертельную ин-
фекцию в нечто, с чем дерево может справиться. Тогда казалось, что этот вирус
может стать спасением для американских каштанов, но этого так и не случилось.
Несколько каштанов в Соединенных Штатах естественным образом заразились гипо-
вирулентным грибком, однако дуэт грибка и вируса не распространился так, как
это произошло в Европе. Даже если бы ученые попытались привить каждое дерево
в стране, это не имело бы смысла, поскольку в Соединенных Штатах существует
несколько различных штаммов грибка, многие из которых несовместимы с гипови-
рулентным. Спасительная инфекция попросту не всегда приживается. При этом,
работая с грибком, Анагностакис и ее коллега все-таки обнаружили кое-что лю-
бопытное. Обычно, когда споры грибка прорастают и начинают питаться, они вы-
деляют химическое вещество, называемое щавелевой кислотой, или оксалатом. Так
работает их привычная стратегия заражения: кислота позволяет грибку проникать
в клетки растения. Но гиповирулентный грибок не выделял оксалат.
Способность выпускать химическое вещество можно оценивать как форму биоло-
гического оружия, и в этом нет ничего удивительного. Микробы и животные вы-
брасывают друг на друга всевозможные химические вещества, чтобы завоевать,
удержать территорию или защитить себя от поедания. Деревья и растения через
стволы и стебли выпускают терпены и алкалоиды, которые обеспечивают защиту от
нападения насекомых или патогенов. К слову, именно терпены отвечают за счи-
тающийся культовым «сосновый» аромат.
Некоторые грибы, например плесень Penicillium, выделяют пенициллин, который
может убивать бактерии (и который мы собираем, чтобы использовать исходя из
своей выгоды). Когда речь идет о токсичных химикатах, велика вероятность то-
го, что мишень уже развилась таким образом, чтобы ослабить наносимый ими
ущерб. Пример - стрептококки и стафилококки, успевшие приобрести устойчивость
к антибиотикам, или плесневые грибы аспергиллы, которые обладают устойчиво-
стью к противогрибковым препаратам. Некоторые растения, подвергшиеся нападе-
нию грибков, вырабатывающих оксалат, поступают так же: бананы, клубника, пше-
ница и другие злаки научились вырабатывать фермент, называемый оксалат окси-
даза, или 0x0, являющийся продуктом одноименного гена. Было обнаружено, что
этот фермент препятствует распространению грибков, использующих щавелевую ки-
слоту для вторжения в ткани растений. Американский каштан с его устойчивой к
гниению древесиной и долгим сроком жизни выработал множество уловок, в том
числе и химических, чтобы избежать вторжения грибков, но болезнь и ее оксала-
ты стали новой проблемой, потому что у данного вида деревьев отсутствует ген
0x0. Для Пауэлла это стало открытием, в момент осознания которого он должен
был вскричать: «Эврика!» Нетрудно догадаться, о чем он, специалист с опытом в
области биоконтроля и страстью к генной инженерии, должен был подумать даль-
ше: «Что, если получится внедрить ген 0x0 в американский каштан?»
Именно о таком применении науки мечтали первые биоинженеры: создавать сель-
скохозяйственные растения, способные постоять за себя. В своей книге «Повели-
тели урожая», посвященной буйному началу генной инженерии, Дэн Чарльз писал,
что инженеры воображали себя «зелеными революционерами», которые могли бы по-
мочь фермерам отказаться от токсичных пестицидов. В 1980-х годах лидирующие
позиции в этом направлении заняла компания «Монсанто», открывшая ген Cry -
селективный белок, убивающий насекомых, производимых бактерией Bacillus
thuringiensis (Bt). Белок становится активным только при проглатывании опре-
деленными вредителями и действует изнутри кишечника. Его цель - личинки мо-
тыльков и других насекомых, питающихся растениями. Задолго до того, как «Мон-
санто» начала экспериментировать с инженерией, фермеры опрыскивали свои посе-
вы Bt, используя его как естественный пестицид. К слову, этот бактериальный
спрей используется и по сей день.
Со временем инженеры «Монсанто» нашли способ вставлять гены Cry в расте-
ния, создав Bt-хлопок, кукурузу, картофель и другие культуры, которые в на-
стоящее время являются самыми распространенными среди генно-модифицированных
видов. Именно им стали приписывать значительное сокращение использования ин-
сектицидов, так что можно сказать, что революция, над которой работали первые
биоинженеры, состоялась. Но не так, как они надеялись. В ходе следующего про-
екта были созданы культуры, устойчивые к гербицидам. Идея заключалась в том,
чтобы фермеры могли легко распылять гербицид Roundup и уничтожать любые окру-
жающие растения сорняки или вредителей, не причиняя при этом вреда урожаю.
Представьте себе: больше никакой прополки и вспашки под посевы. Утверждалось,
что большая часть кукурузы и сои, выращиваемая в Соединенных Штатах, «готова
к использованию Roundup ». Сегодня сельскохозяйственные Bt-культуры, те, на
которых можно применять чудо-гербицид, и другие высажены на более чем 16 мил-
лионах гектаров миллионами фермеров в десятках стран, а корпорации вроде
«Монсанто» уже заработали на них миллиарды долларов.
Но по мере того, как фермеры все чаще делали выбор в пользу модифицирован-
ных культур, голоса организаций, обеспокоенных их воздействием на здоровье и
окружающую среду, становились все более громкими и встревоженными. В резуль-
тате многие страны, включая большую часть Европейского союза, запретили или
ограничили выращивание этих культур. А углубленный анализ воздействия генной
инженерии и последующая статья в New York Times, выпущенная в 2016 году, дали
понять, что эти культуры на самом деле не повысили урожайности и не снизили
общего использования пестицидов. Насекомые и сорняки, на которые они были на-
целены, успели выработать устойчивость, что вынудило производителей прибег-
нуть к использованию большего количества ядовитых веществ для опрыскивания
растений. Но генная инженерия - это всего лишь инструмент, каждое применение
которого несет в себе плюсы или минусы, а иногда и то и другое сразу. В то
время как культуры, созданные для устойчивости к гербицидам, увеличили их ис-
пользование, Bt-хлопок и кукуруза, созданные для защиты от определенных насе-
комых, наоборот, снизили потребность в некоторых пестицидах.
Пока вокруг генной инженерии бушевали моря науки, политики и прочей бурной
деятельности, Пауэлл и его коллеги работали над тем, чтобы модифицировать
каштан, дав ему возможность самостоятельно противостоять грибку. Конечная
цель состояла в том, чтобы изменить дерево и вернуть его в лес на благо всех
и каждого. Усилия Пауэлла растянулись на три десятилетия, в течение которых
рядом с ним трудились его коллеги, студенты и технические специалисты. Лесной
генетик Чарльз Мейнард, ныне вышедший на пенсию, сосредоточился на изучении
способов выращивания деревьев в чашках Петри, чтобы после обнаружения ге-
на-кандидата его можно было успешно внедрить в отдельные клетки. В итоге из
них должны были вырасти саженцы, в каждой клетке которых будет присутствовать
необходимая устойчивость. Но если некоторые деревья можно вырастить из кусоч-
ка листа, то каштаны - нет, и Мейнарду понадобилась помощь лесного биолога и
специалиста по культуре тканей Скотта Меркла из Университета Джорджии. Меркл
научил Мейнарда выращивать в чашке Петри эмбрионы американского каштана - ма-
ленькие полупрозрачные скопления клеток, а Пауэлл должен был найти подходящий
ген, затем придумать, как успешно перенести его в эмбрионы.
С годами Мейнард и Пауэлл становились все более искусными во внедрении ге-
нов и выращивании саженцев. Они попробовали вставить несколько генов из ки-
тайского каштана, и некоторые из них обеспечили частичную устойчивость, а
другие - незначительную. Примерно в это же время Пауэлл прочитал о растениях,
которые были генетически модифицированы для экспрессии гена 0x0. Бинго! Если
внедрить этот ген в американский каштан, он позволит дереву вырабатывать соб-
ственный оксалат оксидаза, обезвреживая щавелевую кислоту, производимую пато-
геном, и тем самым предотвратить вторжение грибка. Это было в 1997 году, а
одно из первых деревьев с геном 0x0 специалисты смогли высадить только в
2006-м, но оно не смогло вырабатывать достаточное количество оксалата оксида-
за и в итоге погибло. После еще десяти лет проб и ошибок, в ходе которых было
протестировано более двух десятков различных генов, взятых из китайского каш-
тана, которые либо не оправдали себя, либо были эффективны лишь частично,
Мейнард, Пауэлл и другие сообщили о первом американском каштане, устойчивом к
каштановой чуме. Ключом все-таки оказался ген 0x0.
В январе 2020 года Пауэлл и другие подали в Министерство сельского хозяйст-
ва США. петицию, занявшую почти 300 страниц, включая приложение. Она содержала
прошение одобрить к использованию генетически модифицированный американский
каштан под названием Darling 58. К этому времени группа проверила каждую час-
тичку дерева от корней до побегов, включая состав каштанов, почвенный микро-
бном, поддерживаемый корнями преобразованного дерева, и даже то, как опавшие
листья могут повлиять на головастиков. Тем не менее, процесс утверждения бу-
дет нелегким. Пауэлл и Американский фонд по спасению каштанов должны заверить
Министерство сельского хозяйства США. в том, что деревья не станут вредителями
растений; Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных
средств - в том, что плоды съедобны; Управление по охране окружающей среды -
в том, что модифицированные каштаны не вызовут хаоса в окружающей среде. Пе-
тиция получила более трех тысяч комментариев как «за», так и «против». В под-
держку выступила Кэролайн Пуфалт, представляющая американскую экологическую
организацию «Сьерра Клуб». Она написала, что, хотя любой генетически модифи-
цированный организм несет неопределенность и потенциальный риск, при «разра-
ботке с помощью достоверной, прозрачной науки и руководствуясь принципом пре-
досторожности, генная инженерия может создать организм, не представляющий уг-
розы для экосистем и приносящий пользу окружающей среде». То есть бережно
восстановить «утраченное родное дерево». Глобальная лесная коалиция подвергла
критике краткосрочный характер исследований по оценке дерева, написав, что
они «совершенно недостаточны для понимания потенциального воздействия
ГМ-дерева, которое может жить сотни лет и распространяться на большие рас-
стояния. Не будет никакой возможности отозвать их, если что-то пойдет не так,
спустя годы или десятилетия».
Если петиция будет одобрена, пройдут годы, прежде чем эти устойчивые дере-
вья пустят корни в почву, и десятилетия, прежде чем они сбросят достаточно
плодов, чтобы накормить диких животных. Главная ценность этой работы, по сло-
вам Пауэлла, заключается в спасении дерева. Если генетически модифицированный
американский каштан одобрят, патента все равно не будет, как и продажи моди-
фицированных деревьев для получения прибыли. Любой человек, желающий посадить
и размножить такой американский каштан, сможет это сделать совершенно свобод-
но , а в случае успеха наработки24, благодаря которым он стал возможен, послу-
жат делу спасения других деревьев, уничтоженных занесенными из других частей
света насекомыми и болезнями.
Американский каштан, выведенный Пауэллом и другими учеными, является транс-
генным, то есть ген из одного организма был вставлен в совершенно другой ор-
ганизм. А открытая в последующие годы система редактирования генома, получив-
шая название CRISPR/Cas9, полностью изменила подход ученых к генной инженерии
и принесла своим создательницам, Дженнифер Дудне и Эммануэль Шарпантье, Нобе-
левскую премию по химии. Революционная технология основана на иммунной защите
бактерий, использующих редактирование генома для уничтожения вирусов. Система
основана на повторяющихся шаблонах ДНК (CRISPR) и вставке белка Cas9, который
может нацеливаться на определенные участки ДНК и разрезать их. Дудна и Шар-
пантье разработали способ использования этих «генетических ножниц» для редак-
тирования генетического кода организма. С помощью CRISPR можно исправлять де-
фектные гены, включать или выключать гены, что позволяет ученым изменять ор-
ганизм без вставки чужеродных генов. Рецептор на растительной клетке, исполь-
зуемый грибом, можно отключить, лишив грибка доступа. Или можно изменить ген
иммунитета, чтобы он реагировал быстрее.
Система позволяет ученым редактировать ДНК, как писатель редактирует доку-
мент Word (с осторожностью, чтобы добиться точности). Технология настолько
нова, что ее еще не использовали для защиты деревьев от пузырчатой ржавчины,
каштановой чумы или других лесных грибков. Но она уже показала себя с лучшей
стороны относительно таких сельскохозяйственных культур, как томаты, какао,
рис, виноград, хлопок и бананы. Для модификации последних CRISPR/Cas9 может
быть использована в ближайшем будущем25. Возможно, это позволит им лучше со-
противляться болезням.
В 2017 году биотехнолог из Квинслендского университета в Австралии Джеймс
Дейл и его коллеги сообщили, что им удалось пересадить ген устойчивости к фу-
зариозному увяданию из дикого банана в сорт Кавендиш. Модифицированные расте-
ния несут единственный ген от Musa acum inata ssp. malaccensis, банана, кото-
рый появился в Юго-Восточной Азии и, по словам Дейла, вероятно, эволюциониро-
вал вместе с патогеном TR4. Ген устойчивости, названный RGA2, был сильно вы-
ражен у устойчивых диких растений, но почти не выражен у их восприимчивых
братьев и сестер. После длительных полевых испытаний был получен устойчивый к
Вот что говорит Джаред Уэстбрук: «Я думаю, что наибольшая надежда для каштана за-
ключается в сочетании традиционной селекции обратного скрещивания с привнесением не-
которых генов китайского каштана для повышения устойчивости, а также в селекции не-
которых из наших наиболее устойчивых деревьев с трансгенными линиями Darling 58 для
создания ллстекированных линий устойчивости". Добавление подходов CRISPR может дать
дополнительную надежду. Однако мы еще недостаточно хорошо знаем, как работает устой-
чивость у азиатских видов каштана, чтобы понять, какие именно изменения следует вне-
сти» .
25 Использование Cas9 может требовать или не требовать вставки чужеродной ДНК в за-
висимости от процесса, хотя в некоторых случаях, если он используется, его можно вы-
вести из конечного продукта, оставив растение, которое было модифицировано, но не
имеет чужеродных генов.
грибку банан Кавендиш. Но это все, чего удалось достичь. «Мы еще не продвину-
лись в этом направлении, поскольку линии все еще классифицируются как транс-
генные/генетически модифицированные», - говорит Дейл. До сих пор существует
политическое и общественное сопротивление генной инженерии. Но отношение ме-
няется, и редактирование генов становится все более приемлемой технологией.
Дейл работает над усилением экспрессии гена устойчивости RGA2 в бананах Ка-
вендиш с помощью CRISPR/Cas9. Ген существует в этом сорте, но он находится в
спящем состоянии, и Дейл надеется включить его. Другой подход к редактирова-
нию заключается в уничтожении генов «восприимчивости» - то есть тех, которые
обеспечивают совместимость хозяина с грибком-захватчиком. В случае успеха мо-
дифицированные растения, не содержащие чужеродную ДНК, скорее всего, не будут
считаться генетически модифицированными в нескольких странах, включая Австра-
лию, большую часть Северной и Южной Америки и Японию. Однако, как и в случае
с каштаном Пауэлла, пока неизвестно, как это растение воспримут садоводы и
потребители26.
Если (или когда) каштаны пройдут процесс утверждения на федеральном уровне,
это дерево станет первым растением, модифицированным исключительно с целью
восстановления, и первым, которое будет одобрено для интеграции в дикую при-
роду. Возвращение деревьев в естественную среду обитания - это совсем другой
проект. Как и белокорым соснам, каштанам необходимо пространство, которое по-
зволит им расти. Чтобы вытянуться и набрать высоту, им нужен свет, а значит,
необходимо, чтобы их ничего не закрывало от солнца. Раньше с этой задачей
справлялись вырубки, пожары и грозы, точно бьющие молниями в высокие деревья.
Также для успешного возвращения каштанов в дикую природу могут потребоваться
особенный уход за лесом и продуманное размещение деревьев, чтобы дать им воз-
можность процветать.
По расчетам директора по восстановлению Американского фонда по спасению
каштанов Сары Фитцсиммонс, даже если высадить миллионы устойчивых каштанов,
пройдет несколько столетий, прежде чем кто-то сможет бродить по набравшей си-
лу каштановой роще. Учитывая сколько мыслительных усилий, времени и денег уже
потрачено, и необходимо еще потратить на спасение одного вида деревьев, легко
задаться вопросом: а стоит ли вкладываться в проект, который займет две тыся-
чи лет? Почему бы не оставить лес в покое? Над этим вопросом давно размышляет
лесной эколог и писатель из Антиока, Новая Англия, Том Весселс.
По его словам, один из способов осмыслить потерю вида в лесу - это предста-
вить , что у леса есть иммунная система. Когда вид исчезает, система оказыва-
ется под угрозой - она не может функционировать и противостоять нарушениям, а
они есть всегда: новые вредители и патогены, изменение климата. С другой сто-
роны, что происходит с множеством других видов, для которых он был пищей,
убежищем, частью сообщества? От которого они зависели? Независимо от того,
озабочены ли мы краткосрочной перспективой, столетиями или десятками тысяч
лет, возвращение дерева, сколько бы времени на это ни потребовалось, сделает
лес более устойчивым к неспокойному будущему.
Некоторые из грибков, вторгнувшись в организм, не могут «просто так» исчез-
нуть. Иногда вид-хозяин сохраняет достаточное генетическое разнообразие, что-
Потребуется несколько стратегий, которые, вероятно, будут сочетаться. Одна из
них, за которую выступают Свеннен и другие, включая Покасангре, подразумевает биоло-
гический контроль, то есть добавление или культивирование бактерий и грибов, которые
обеспечивают питательные вещества или защитные химикаты или могут спровоцировать ес-
тественные защитные силы растения. Микробы, обитающие в почве в естественных услови-
ях, могут служить кладезем ферментов, которые делают питательные вещества более дос-
тупными для растений и помогают бороться с условно-патогенными микроорганизмами, по-
добно микробам нашего кишечника.
бы пережить бурю, - по крайней мере, на какое-то время. Американский каштан
этого не сделал, и никто не может знать наверняка, смогла бы белокорая сосна
сделать это без вмешательства человека. Пережила бы она еще сто или двести
лет и возродилась самостоятельно или же осталась бы томящим душу воспоминани-
ем, как американский каштан?
Одной из лучших защит для любого вида - деревьев, диких животных, сельско-
хозяйственных культур - является генетическое разнообразие их популяции. Мы
мешаем видам сохранять разнообразие: вырубаем леса, разводим и сажаем моно-
культуры, расчищаем землю для наших нужд и своими действиями вызываем потеп-
ление на планете.
Чтобы выжить, некоторым видам понадобится наша помощь. Полезные гены могут
передаваться от одного вида к другому и все чаще - от одного близкородствен-
ного вида к другому. Генетический код можно редактировать, скрывая одни гены
и открывая другие. По мере того как мы двигаемся в будущее и все больше видов
или популяций продолжают свое движение к вымиранию, нам как обществу придется
решать, как далеко мы готовы зайти, чтобы спасти дерево или сельскохозяйст-
венную культуру.
Глава 9.
Сертификация
В первой половине XIX века по Европе прокатилась волна эпидемии картофеля,
вызванная грибоподобным оомицетом Phytophthora infestans. Везде, куда бы ни
добралось заболевание, картофель сгнивал прямо в земле. Жизнь очень многих
людей зависела от этого овоща, поэтому его острая нехватка привела к тому,
что к 1845 году голод и нищета охватили Клэр, Керри, Мэйо и другие ирландские
графства. Художник Джеймс Махони был направлен изданием Illustrated London
News запечатлеть разруху, которая охватила города и деревни. Картина оказа-
лась настолько ужасной, что он написал: «Я видел, как умирающие, живые и
мертвые беспорядочно лежали рядом друг с другом, и между ними и холодной зем-
лей больше ничего не было». Среди множества факторов, вызвавших трагедию, од-
ним из самых очевидных была практически полная зависимость от картофеля, ко-
торый использовался и для питания, и для торговли. И это при том, что клубень
не является родным ни для Европы, ни для Северной Америки, где его также по-
разила болезнь. Его родина - Южная Америка. Скорее всего, картофель пересек
океан в трюме корабля, который вез конкистадоров или торговцев обратно домой
- в Европу, где в течение нескольких столетий прижился и стал своим. Фермеры
отдавали предпочтение самым разным сортам: один выращивал растения, дающие
связки мелких клубней, другой выбирал для посадки крупные крахмалистые белые
картофелины в надежде получить такой же богатый урожай (именно такой вариант
и был распространен среди ирландцев). Нежелательные и, возможно, защитные
признаки подверглись выведению, и вот монокультурой оказались заняты поля по
всей стране. Пока не появилась болезнь, проделавшая такой же долгий путь, как
и когда-то сам картофель: через Атлантику, на корабле, плывущем домой из Аме-
27
рики
Работы английского натуралиста Чарльза Дарвина радикально изменили наше по-
нимание взаимоотношений между живыми существами и роли естественного отбора и
эволюции. Также он высказывал и некоторые представления о важности географи-
ческих барьеров для жизни и появления различных видов. По мнению Дарвина, у
распространения большинства живых существ есть свой предел, и его географиче-
ские границы удерживают друг от друга виды, в том числе и те, которые мигри-
Болезнь, вероятно, распространилась из Южной Америки в Соединенные Штаты, а затем
в Европу.
руют. Именно благодаря этим ограничениям мы должны сказать спасибо за «богат-
ство жизни», которое существует в мире. Живые существа, рассеянные в свое
время по континентам, менялись, эволюционировали под естественным давлением
окружающей среды, как, например, галапагосские вьюрки и другие изученные Дар-
вином виды, которые от одного острова к другому проявляли свои отличительные
черты.
Но эти идеи об эволюции и географических границах актуальны не только для
живых существ, но и для вспышек заболеваний, включая нынешние и будущие гриб-
ковые пандемии. Животные, растения и микробы развиваются как сообщество. Их
изменения зависят от окружающей среды, а некоторые способны в ответ менять
условия, в которых живут. Так, дерево может создавать больше тени или стано-
виться для некоторых видов убежищем, а обилие водорослей, микробов или мелких
млекопитающих способно давать такое количество пищи, что она повлияет на по-
пуляцию других животных. Хищники и их добыча склонны находить баланс между
жизнью и смертью, при котором популяции обоих субъектов сохраняются и не вы-
ходят за рамки привычных циклов подъема и спада численности. Стало больше
корма - популяция хищников выросла, но как только количество пищи пошло на
спад, число тех, кто от нее зависит, тоже уменьшилось. Аналогичным образом
ведут себя и патогены, и их хозяева. Так что в то время, как Дарвин работал
над выяснением связи между живыми существами и окружающей средой, не выходя
из своего дома в лондонском Бромли, Европа испытывала на себе последствия
смешения флоры, фауны и микробов, которое образовалось из-за того, что неко-
торые виды были перенесены в места, которые не входили в их привычный ареал
обитания.
Когда на полях Европы началась эпидемия, картофель, который посадил Дарвин
на своей земле, тоже подвергся гниению. В Чили, Эквадоре и других местах, где
ему удавалось бывать, - отовсюду он привозил образцы дикого картофеля, а так-
же отправлял их друзьям-ботаникам, в том числе троюродному брату, Уильяму
Дарвину Фоксу, чтобы они тоже смогли вырастить их и изучить. Когда по всей
Европе начали гибнуть посевы, ученые задались вопросом, каким образом это
могло произойти так внезапно и причем повсеместно, а Дарвин задумался, может
ли картофель, который он привез из Чили, быть более устойчивым к болезням. В
то время некоторые ученые считали, что дикий картофель или семена картофеля,
собранные в местности, откуда он родом, могут помочь возродить урожай в Евро-
пе . Однако усилия Фокса по выращиванию чилийского картофеля не увенчались ус-
пехом - на волне эпидемии тот тоже погиб. «Боюсь, это решает вопрос о целесо-
образности получения семян напрямую из дикого растения», - написал он, рас-
строенный случившимся. Однако стоит отметить, что, несмотря на то что чилий-
ский картофель, привезенный Дарвином, погиб, недавно было обнаружено, что
другие дикие виды устойчивы к поражению болезнями28.
Вскоре Дарвин обратил свое внимание на механизмы эволюции, а другие заня-
лись изучением инфекционных заболеваний. Тот факт, что невидимая жизнь -
грибки, бактерии и другие микроскопические создания - может вызывать заболе-
вания, способные стать катастрофой для мира, еще не рассматривался наукой и
медициной. До исследований и открытий Пастера и Коха оставались десятилетия.
Считалось, что миллионы микробов, населяющих каплю гноя или крови, или мице-
лий, растущий в картофеле, не вызывают болезни, а просто являются приспособ-
ленцами, питающимися умирающей или уже умершей плотью. Поэтому, когда карто-
фельные посевы поразила эпидемия, никто не усомнился, что гниющие растения
покрыты каким-то грибком: это казалось ясным как белый день. Но ученые заспо-
Недавно происхождение P. infestans было прослежено от Южной Америки до восточной
части Соединенных Штатов, а затем до Европы. Оттуда он распространился в Африку, Ин-
дию, Китай и Австралию, скорее всего, с британскими колонизаторами.
рили о том, мог ли грибок стать причиной таких несчастий. Первым же, кто зая-
вил, что болезнь действительно вызывается грибком, который впоследствии полу-
чил название Phytophthora infestans, стал коллега Дарвина - преподобный Майлз
Беркли29. Хотя первоначально данный вид и был классифицирован как грибок,
сейчас он признан водяной плесенью - организмом, который более близок к рас-
тениям, чем к грибам, но который выглядит и ведет себя как гриб, потому что
распускает мицелий и размножается спорами. Этот микроб стал первым, который
был идентифицирован как патоген.
Phytophthora infestans.
Голод, спровоцированный эпидемией картофеля, стал деянием рук человека. Бу-
дучи неутомимыми торговцами и путешественниками, мы сделали так, что виды,
многие из которых миллионы лет жили отдельно друг от друга, разделенные океа-
нами, островами и горами, вдруг столкнулись на одном поле, в одном саду. Мы
перемешали мировую биоту, и это привело к разрушительным последствиям. Более
века назад, осознав опасность распространения патогенов и вредителей по всему
миру, энтомолог Министерства сельского хозяйства США Чарльз Марлатт добился
принятия мер, которые взяли бы под контроль этот процесс. Но с тех пор тор-
говля растениями пережила взрывной рост, увеличившись на 500 % только за по-
следние полвека. Ежегодно в наши порты прибывает более миллиарда растений или
их фрагментов, предназначенных для размножения. Многие из них упаковываются в
транспортные контейнеры и отправляются по морю на судах длиной в два и более
американских футбольных поля. Они способны перевозить более двадцати тысяч
контейнеров! Так насколько хорошо работают наши средства защиты растений? И
возможно ли вообще остановить следующую пандемию растений или культур?
Меган Ромберг работает в Службе инспекции здоровья животных и растений Ми-
нистерства сельского хозяйства США., и в ее обязанности входит идентификация
грибов, которые обнаруживаются на растениях или растительных материалах, при-
бывающих в страну водным путем. Своей работой она продолжает дело миколога
Флоры Паттерсон, выявившей пузырчатую ржавчину сосны, и Чарльза Марлатта, ко-
торый боролся за предотвращение проникновения в страну вредителей и патогенов
растений.
Ромберг считается микологом национального уровня, а таких в стране всего
два (второй - Джон Маккеми). Проводя свои дни за микроскопом, и рассматривая
29 Бигл, Ристано и Пфистер в книге What a Painfully Interesting Subject предполага-
ют, что грибок был позже подтвержден в качестве причины немецким микробиологом и ми-
кологом Антоном де Бари, который также считается одним из основателей патологии рас-
тений и современной микологии.
гифы и споры, она заглядывает в мир, который большинство из нас никогда не
увидит. Многие образцы, которые оказываются под пристальным взором Ромберг,
поступают с передовой - из портов, где специалисты Таможенно-пограничной
службы США. инспектируют срезанные цветы, скоропортящиеся фрукты и овощи, а
также растения для посадки (семена, клубни, черенки - все, что может быть ис-
пользовано для размножения конкретного растения). Хотя Таможенная служба США.
работает в каждом порту, через который осуществляется въезд в Соединенные
Штаты, специальные пункты, известные как станции инспекции растений, разбро-
саны по всей стране. В настоящее время существуют 17 таких пунктов, в которых
сотрудники Службы инспекции здоровья с особой тщательностью проверяют расте-
ния, предназначенные для посадки. Фрукты и овощи, которые будут съедены или
выброшены на помойку, - тупик для любого зазевавшегося вредителя или патоге-
на, а вот те, что окажутся в земле и получат новую жизнь, требуют особенного
контроля. Растениям из одной страны может уделяться больше внимания, чем рас-
тениям из другой, но специалисты в портах хорошо обучены искать симптомы за-
болеваний. Если инспектор подозревает грибковую инфекцию, растение передается
«специалисту по выявлению микологических заболеваний». Разнообразие импорта
огромно, как и разнообразие грибков, которые могут на нем путешествовать, од-
нако в стране всего 20 специалистов, которые углубленно занимаются их иденти-
фикацией. Это крайне небольшое число, учитывая, что в портах поисками вреди-
телей занято более сотни энтомологов. По словам Ромберг, каждый специалист по
выявлению микологических заболеваний просматривает около тысячи образцов в
год, а сама она каждую неделю находит то, чего никогда раньше не видела.
Когда Ромберг разглядывает пятно на листе, она представляет себе микроско-
пический ландшафт, покрытый спорами - длинными и тонкими, похожими на звезды
и спирали, имеющими придатки. Поскольку часто гифы или мицелий одного гриба
очень похожи на гифы или мицелий другого, споры очень полезны для идентифика-
ции. Когда специалист по выявлению микологических заболеваний оказывается в
тупике, он передает образцы Ромберг или Маккеми, и за последние пять лет им
удалось распознать более тысячи различных таксонов грибов на растени-
ях-хозяевах. Растения и части растений считаются скоропортящимися, а время
для импортеров - это деньги, поэтому большинство образцов должны быть обрабо-
таны и идентифицированы в течение одного-двух дней, и споры очень помогают в
этом процессе. Но иногда приходится принимать решение без полного подтвержде-
ния вида гриба, основываясь на данных о растении, месте его происхождения или
других факторах, которые могут помочь определить то, что невозможно увидеть.
Болезнь все равно может проскочить, и если это произойдет, то через пару лет
какой-нибудь фермер неизбежно обнаружит ее на своем поле и отправит образец
Ромберг.
Последним неприятным сюрпризом стала смоляная пятнистость на посевах куку-
рузы, вызываемая Phyllachora maydis, или кукурузная головня. В 2015 году об-
разец был доставлен из Индианы, позже появился в Иллинойсе и вскоре поразил
посевы и снизил урожайность по всему Среднему Западу. На зараженных листьях
появились приподнятые темно-коричневые пятна странной формы размером с була-
вочную головку, и каждое пятно представляло собой плодовое тело, способное
выпускать тысячи спор. В прошлом этот грибок уже попадал в порты, но был
идентифицирован, в результате чего импорт был отправлен обратно или уничто-
жен. А обнаружившись впервые на поле, он уже через четыре года распространил-
ся, заразив посевы кукурузы в трехстах округах. Тепловые карты показывают,
что грибок распространяется в стороны от места, где был впервые замечен. Со-
временная инспекция растений - это несовершенная система, имеющая дело с ог-
ромным количеством людей, но все же инспекционные группы ежегодно выявляют
сотни патогенов растений из Америки, Азии, стран Карибского бассейна, Европы
и других, и многие из этих патогенов - грибки. Каждый несет с собой одну по-
тенциальную новую вспышку заболевания пятнистости или ржавчины, которую уда-
лось остановить до того, как она смогла погубить урожай или опустошить лес.
На страже растений стоят микологи национального масштаба, такие как Меган
Ромберг, но, к сожалению, специалистов подобного уровня, которые выявляли бы
грибковые заболевания диких животных, у нас нет. Новый патоген, переносимый
древесной лягушкой или другой амфибией, может легко проникнуть в страну неза-
меченным. В 2013 году, когда популяции огненных саламандр в Нидерландах нача-
ли сокращаться, ученые установили, что причиной этого стал хитридный грибок,
тесно связанный с Bd, убийцей лягушек, который поражал полевые участки Карен
Липе в начале и середине 1990-х годов. К моменту обнаружения он оказался на-
столько вирулентен, что от первоначальной численности популяций некоторых са-
ламандр осталось всего 4 %.
Новая болезнь получила название Bsal, или Batrachochytrium salamandrivo-
rans, и она оказалась смертельной для тех популяций саламандр, которым не
хватило тысяч или миллионов лет, чтобы научиться жить рядом с грибком. Эта
новость потрясла герпетологов всего мира. Но на этот раз опыт сыграл свою
роль, и ученые быстро связали вспышку заболевания с торговлей саламандрами,
прибывшими из Азии. С территорий, для которых грибок считается эндемичным.
Несколькими годами ранее носителями были признаны азиатские тритоны, которые
ввозились в Европу. Помимо этого, грибок также был обнаружен у диких популя-
ций во Вьетнаме. Это заболевание стало еще одним примером разрушения «древних
барьеров на пути передачи патогенов», потому что мы снова заставили живые ор-
ганизмы, которые были географически разделены в течение миллионов лет, столк-
нуться друг с другом.
Новое вторжение пугает. Особенно оно тревожит тех, кто работает с саламанд-
рами в США, где горный хребет Аппалачи является домом для самого большого ко-
личества этих безобидных и пугливых существ в стране30. В Соединенных Штатах
обитает 25 % всех видов саламандр в мире, и все же каждый год мы ввозим в
страну около двухсот тысяч саламандр, выращенных в неволе, пойманных в дикой
природе, и многие из них прибывают из Азии. Bsal практически неизбежно при-
будет в страну, и у нас нет инспекторов, которые работали бы на передовой,
чтобы предотвратить это событие. Еще хуже то, что некоторые местные саламанд-
ры уже заражены Bd. Когда эколог Карен Липе воочию наблюдала вымирание лягу-
шек, его причины оставались для ученых загадкой. Но Bsal - известный враг, и
Липе надеется, что мы все-таки сможем защитить саламандр до удара, который он
нанесет.
В 2005 году, когда разрушения, вызванные Bd, стали очевидны, представители
организаций, занимающихся спасением лягушек, в том числе и Карен Липе, попы-
тались защитить все виды, какие только могли. Группа подготовила отчет под
названием «План действий по сохранению земноводных», в котором утверждалось,
что изучение, отслеживание и прогнозирование мест поражения грибком являются
важной, но недостаточной мерой. Необходимо предпринять конкретные действия.
Было бы «морально безответственно документировать сокращение численности и
вымирание амфибий, - писали они, - и не разрабатывать при этом ответные дей-
ствия, чтобы преодолеть этот глобальный кризис». В 2009 году Липе перешла на
работу в Мэрилендский университет. Благодаря этому она смогла изучать земно-
водных в регионе Аппалачей, где вместе с другими исследователями отметила
низкий уровень заражения Bd среди лесных саламандр. Неужели у них выработал-
ся иммунитет к грибку, убившему столько лягушек? Однако новое место работы не
только приблизило Липе с «горячим точкам» обитания саламандр в Соединенных
Штатах, но и открыло ей дорогу в Вашингтон - «горячую точку», где принимаются
практически все самые важные политические решения.
Сбор и содержание некоторых местных видов саламандр запрещены в части штатов.
К тому моменту, как Липе приехала в Мэриленд, проблема сокращения численно-
сти лягушек уже была на слуху у различных местных организаций. Как специали-
ста, ее часто просили рассказать о своей работе на различных городских собра-
ниях, и именно на одном из них она познакомилась с Питером Дженкинсом, кото-
рый в ту пору был директором международных программ природоохранной организа-
ции «Защитники дикой природы». Он только что закончил работу над докладом
«Разбитые экраны», который был посвящен юридическим пробелам в торговле жи-
вотными. Дженкинс сосредоточился на таких инвазивных видах, как красная ры-
ба-лев, бирманский питон и большая зеленая древесная лягушка из Австралии.
Будучи юристом по вопросам окружающей среды, Дженкинс умел решать вопросы на
самом высоком уровне, а Липе не понаслышке знала об ущербе, наносимом такой
же дикой и необузданной, как и сами животные, системой их купли-продажи. Из
них получилась бы хорошая команда. Со временем этот дуэт стал бы проводить
политику борьбы с болезнями диких животных в духе Чарльза Марлатта. И, как и
в случае с Марлаттом, их путь к успеху будет пролегать через многолетнюю тя-
желую борьбу с системой и ее приверженцами.
Впоследствии Дженкинс и Липе вместе с другими специалистами обратились в
Службу охраны рыбных ресурсов и диких животных США. - агентство, отвечающее за
ввоз в страну и вывоз диких животных, - с просьбой помочь остановить распро-
странение Bd. За кадром тем временем на помощь пришел зоолог Джордж Рабб,
специализирующийся на земноводных, и именно его участие стало ключевым в этом
процессе. Рабб почти сорок лет проработал в зоопарке «Брукфилд» в Чикаго: он
был исследователем, директором по образованию и, в конце концов, возглавил
зоопарк, что позволило ему в дальнейшем использовать свое положение и в корне
изменить отношение ко всем подобным учреждениям. Он сделал так, что из зве-
ринцев для развлечения публики зоопарки стали центрами, ориентированными на
охрану природы и образование.
Когда в конце 1980-х годов впервые заговорили об исчезновении земноводных,
Рабб помог собрать на встречу ученых со всего мира и создал целевую группу
для расследования причин сокращения численности. Службе охраны рыбных ресур-
сов и диких животных США, куда обратились Дженкинс и Липе, необходимо было
«убедиться, основываясь на рекомендованной на международном уровне сертифика-
ции , что продаваемые амфибии не содержат Bd». В своем обращении они писали об
облачных лесах Монтеверде, разнообразии земноводных в США, о том, как Bd
убивает, а также об импорте и экспорте земноводных. По сути, они просили
Службу охраны рыбных ресурсов и диких животных США объявить всех земноводных
вредными, если они не сертифицированы как свободные от болезней. Эта органи-
зация занимается в основном дикими животными, в то время как Служба инспекции
здоровья животных и растений защищает животных, выращиваемых для еды, включая
домашний скот и птицу (а также многих из тех, кто содержится как домашние пи-
томцы) .
Существует немного законов, регулирующих заболевания при импорте диких жи-
вотных, при этом законов, защищающих сельскохозяйственных животных от болез-
ней , гораздо больше. Причины такого неравенства можно проследить на примере
вспышки, которая произошла в графстве Эссекс в Великобритании. В феврале 2001
года во время планового ветеринарного осмотра на скотобойне оказалось, что 27
свиней заражены ящуром - известным вирусным заболеванием копытных животных.
Единственным способом борьбы со вспышкой ящура является забой зараженного по-
головья . К марту болезнь, вызывающая болезненные волдыри во рту и на копытах,
поразила овец и коров, угрожая экономической катастрофой всем, кто занимается
торговлей скотом и продуктами животноводства - молоком и мясом - в Европе. В
результате в огне сгорели десятки тысяч забитых туш крупного рогатого скота и
овец, а в апреле министр сельского хозяйства Великобритании заявил по телеви-
дению, что болезнь находится «под полным контролем». И это несмотря на то,
что главный ветеринар страны предупредил о том, что Великобритания находится
в эпицентре «крупной вспышки».
Число случаев заболевания продолжало расти, вирус появился во Франции, Ар-
гентине и Саудовской Аравии. В магазинах закончилось мясо. Проснулись любите-
ли теорий заговора, а все мало-мальски крупные мероприятия вроде национальных
матчей по регби, скачек, выставок собак, охоты и других любимых забав были
отменены или запрещены. Ирландия установила армейские посты на всех пунктах
пропуска через границу с Великобританией и Северной Ирландией. Туристы, стро-
ившие планы насладиться видами английской сельской местности, получили реко-
мендации о выборе других маршрутов. Поэтические прогулки по Котсуолду, Корну-
оллу или вдоль реки Кэм в Кембридже? Нет, не в этом году. Везде, где мог на-
ходиться домашний скот, людям было запрещено появляться. Ближайшие выборы в
Великобритании были отложены, зато вспыхнули протесты против забоя внешне
здоровых животных в Великобритании и Нидерландах. В итоге вспышка заболевания
обошлась Соединенному Королевству в восемь миллиардов фунтов стерлингов, а
американские скотоводы тем временем с опаской поглядывали в сторону Европы,
прикидывая, когда болезнь доберется до Соединенных Штатов и им тоже придется
убивать и сжигать свой рогатый скот.
Последняя крупная вспышка ящура в США произошла в 1914 году. Вирус поразил
3500 стад по всей стране, и владельцы ранчо потеряли десятки тысяч долларов.
Ликвидация болезни обошлась стране в 4,5 миллиона долларов (сегодня это более
100 миллионов долларов), а в 1929 году вирус ударил снова: заразились свиньи,
которых кормили мясными отходами с туристического парохода, шедшего из Арген-
тины. Было забито 3600 животных. Поэтому в 2001 году, когда вспышка заболева-
ния в Европе заняла первые полосы новостей, один из калифорнийских фермеров
заметил: «Мы находимся в одной корове от национальной катастрофы». Президент
Джордж Буш запретил импорт мяса и мясных продуктов из Евросоюза, а Министер-
ство сельского хозяйства США и Служба инспекции здоровья животных и растений
привели в состояние боевой готовности сотни экспертов по болезням животных. В
отдельных аэропортах обученные собаки обнюхивали возвращающихся пассажиров на
предмет запахов, свойственных фермам, а пассажиры, прибывшие с испачканной
обувью, отдавали ее на дезинфекцию.
Несмотря на то что в США болезнь так и не получила нового распространения,
в Великобритании она по-прежнему тревожит власти, что привело в 2018 году к
проведению «учений по реагированию» - своего рода «военной игре» против бо-
лезни. А в 2020 году Министерство сельского хозяйства США выпустило проект,
представляющий собой план реагирования на появление ящура. Проект содержит 64
страницы основного текста и еще более сотни страниц приложений. Существуют
также планы реагирования, или «Красные книги», на такие заболевания, как чума
свиней, птичий грипп и другие болезни домашнего скота, которые могут легко
распространяться и быстро вызывать хаос. Это настоящие руководства, в которых
содержатся стратегии реагирования, контроля и уничтожения для предотвращения
пандемии в пищевой промышленности. Министерство сельского хозяйства США заин-
тересовано осуществлять мониторинг и контроль за ящуром, птичьим гриппом и
другими заболеваниями домашнего скота, потому что каждая их вспышка способна
не только вызвать серьезный сбой в поставках продовольствия, а также в живот-
новодческой и птицеводческой отраслях, но и подвергнуть жизни людей опасно-
сти. Однако Служба инспекции здоровья животных и растений не обладает юрис-
дикцией в отношении дикой природы, нет полномочий проверять импортируемых
земноводных на наличие патогенов сразу после их прибытия и у Службы охраны
рыбных ресурсов и диких животных - этот пробел хорошо всем известен. Отсутст-
вие нормативных актов, требующих проверять импортируемых животных на наличие
болезней, а также скоординированного мониторинга или плана действий, состав-
ленного на случай появления совершенно нового заболевания, к сожалению, свя-
зывает руки таким людям, как Дженкинс и Липе, которые работают над защитой
дикой природы. Однако существует уникальный исторический прецедент - рыба.
К концу XIX века стало ясно, что птицы, в частности европейские скворцы и
английские воробьи, представляют собой проблему. Птицы из Старого Света были
завезены и выпущены на волю там, где им не место, - в парках и городах США.
Первыми появились домашние воробьи, которых привез орнитолог-любитель и обще-
ственный деятель Юджин Шиффелин, чтобы бороться с личинками моли, поражающими
деревья вокруг его дома в Нью-Йорке. За ними последовали другие виды, многие
из которых были завезены под эгидой Американского общества акклиматизации,
видным членом которого и был Шиффелин. Организация была создана по образцу
Зоологического общества акклиматизации, основанного французским натуралистом
Изидором Жоффруа Сент-Илером в 1854 году. Он считал, что животные податливы,
наделены способностью адаптироваться к новым условиям, и создание общества
дало возможность проверить эту способность. Яки, ламы и страусы оказывались в
клетках, а потом пересекали океаны на клиперах и шхунах, чтобы осесть в новых
краях. Так они оказывались во Франции и ее колониях, например в Алжире. В Па-
риже домом для них стал зоологический сад, принадлежащий обществу, - Jardin
d/Acclimatation; других предполагалось одомашнить. Но, к сожалению, радужные
представления о природе животных оказались далеки от реальности, и многие эк-
зотические экземпляры погибли, так и не адаптировавшись. Таким образом экспе-
римент Сент-Илера провалился, а он сам умер в 1861 году - всего через не-
сколько лет после основания своего детища. Тем не менее, его работа вдохнови-
ла другие акклиматизационные общества в Европе, Америке, Австралии, а также в
других странах. Каждое - со своими полномочиями.
В Англии один из основателей общества, собирая вокруг себя последователей,
рисовал в воображении идиллическую картину сельской местности - как «по зеле-
ным лужайкам грациозно скачут стада антилоп канн и куду». Экзотические афри-
канские животные, по его мнению, должны были стать прекрасным дополнением к
«и без того отличной пище Британских островов», а также за их пределами.
Большинство обществ считали, что делают благое дело, восполняя пробелы, суще-
ствующие в природе. В 1860 году Общество акклиматизации Британских островов
вывезло лебедей, скворцов и других птиц из Европы в отдаленные колонии. Орга-
низация в Австралии импортировала калифорнийских перепелов, дроздов и зайцев.
Австралийские сороки и опоссумы были отправлены в Новую Зеландию. Черные ле-
беди - в Калькутту. Рыбу тоже перемещали из одного ручья в другой и через
океаны. Гостья из Англии - коричневая форель - быстро вытеснила местную фо-
рель, когда ее выпустили в ручьи США. Радужная форель, обитающая на западе
США, стараниями обществ акклиматизации оказалась в водоемах Европы, Австралии
и восточной части Соединенных Штатов. В настоящее время оба вида включены в
список ста наиболее инвазивных видов, составленный группой специалистов Меж-
дународного союза охраны природы и природных ресурсов.
Несколько десятилетий такого импорта животных с целью их акклиматизации и
разведения привели ко все более очевидному выводу: подобное вмешательство в
природу как минимум влечет за собой проблемы, как максимум - губительно. На
фермах в США скворцы поедали семена только что посеянных культур и выдергива-
ли молодые ростки. Они клевали созревающие ягоды, персики и другие фрукты.
Воробьи вытеснили местные виды птиц. Это привлекло внимание защитников приро-
ды и представителя штата Айова Джона Лейси. Стремясь защитить дикие, охотни-
чьи и имеющие значение для сельского хозяйства виды и предотвратить дальней-
шее распространение экзотических птиц и животных, 30 апреля 1900 года Лейси
внес в конгресс соответствующий законопроект. «Богом природы предусмотрена
компенсация в распределении растений, птиц и животных, - сказал он во время
представления законопроекта, добавив, что катастрофические изменения служат
предупреждением, к которому следует прислушаться. - Давайте теперь покажем
пример мудрого сохранения того, что осталось от даров природы».
Месяц спустя был подписан так называемый Закон Лейси, ставший старейшим
нормативно-правовым актом в стране, направленным на защиту дикой природы.
Первоначальная его версия ставила две задачи: предотвратить ущерб сельскому
хозяйству от чужеродных видов и защитить местные виды, контролируя торговлю и
перемещение диких животных через границы штатов в спортивных, гастрономиче-
ских целях и исходя из веяний моды. В первом случае запрещался ввоз только
диких птиц и млекопитающих, а ввоз рыбы и других позвоночных животных не ре-
гулировался. Согласно новому закону, мангусты, фруктовые летучие мыши, евро-
пейские скворцы и английские воробьи были объявлены «вредными дикими животны-
ми» и запрещены к ввозу в страну. Другие виды могли быть признаны вредными по
мере необходимости. Закон также запрещал ввоз большинства других диких птиц и
животных, за исключением случаев, когда это разрешалось специальным указани-
ем. Вскоре после вступления закона в силу в него были внесены изменения, по-
зволяющие ввозить без разрешения животных, которые были признаны заведомо
безвредными. Количество необходимых разрешений для импорта стало непосильным
для соответствующего ведомства, которым в то время был отдел биологических
исследований Министерства сельского хозяйства США.
В 1948 году в законодательство были внесены более серьезные изменения. Из
него было исключено предложение «Никто не имеет права ввозить в Соединенные
Штаты иностранное дикое животное или птицу», это означало, что большинство
диких птиц и млекопитающих будут разрешены к ввозу, если не появится специ-
альный запрет. Другими словами, пишет Сьюзан Джуэлл, координатор по вредным
видам Службы охраны рыбных ресурсов и диких животных, теперь все перешло в
ведение регулирующего органа (которым как раз и стала данная организация вме-
сто Министерства сельского хозяйства; слово «США» было добавлено в 1950-х го-
дах) . Этот орган должен документально подтверждать, что тот или иной вид яв-
ляется вредным или опасным. Например, европейские кролики и зайцы, а также
несколько других видов, которые вскоре были добавлены в список вредителей,
однако основное внимание власти по-прежнему уделяли птицам и млекопитающим.
В 1960 году конгресс расширил полномочия Закона Лейси, и вместо того чтобы
распространяться исключительно на диких птиц и млекопитающих, он стал приме-
няться ко всем видам позвоночных - от рыб до земноводных и рептилий, а также
к беспозвоночным - ракообразным и моллюскам. Термин «вредоносный» теперь от-
носился к потенциальной возможности того или иного вида стать инвазивным, но
включал и упоминание о вреде другими способами. Например, закон запретил ввоз
всех живых или мертвых представителей семейства лососевых (к которому отно-
сятся форель и лосось) , а также их икринок (оплодотворенных или нет) , если
они не сертифицированы как свободные от вирусов, которым подвержены лососе-
вые. Цель была не в том, чтобы предотвратить распространение рыбы, а в том,
чтобы не допустить проникновения в Соединенные Штаты болезней, которые она
переносит. И именно в этом требовании сертифицировать рыбу, свободную от бо-
лезней, по мнению Питера Дженкинса, кроется шанс, который поможет распростра-
нить действие закона и на земноводных, которые являются переносчиками заболе-
ваний . Если импортную рыбу можно сертифицировать, то почему бы не сделать то-
го же и для земноводных?
В сентябре 2009 года «Защитники дикой природы» подали петицию в Службу ох-
раны рыбных ресурсов и диких животных США. с требованием распространить за-
прет, который наложен на импорт лососевых, и на земноводных. В петиции защит-
ники настаивали на том, что все земноводные должны быть включены в список по-
тенциально опасных диких животных, которые не могут быть импортированы, если
они не сертифицированы как свободные от грибка Bd. Пока это не будет сделано,
агентство неявно поощряет их импорт и торговлю, поскольку в соответствии с
Законом Лейси земноводные «могут быть импортированы, транспортированы и со-
держаться в неволе». «И это несмотря на то, что несколько видов, о которых
известно, что они являются носителями Bd, регулярно ввозятся в страну, как и
то, что практически все виды земноводных потенциально могут выступать в каче-
стве переносчиков или хранилищ Bd ». Дженкинс и Липе попросили не только уб-
рать пункт, поощряющий торговлю, но и включить в правила реализации закона
новую поправку, гарантирующую, что все животные, ввозимые или вывозимые из
США, свободны от болезней. «Зараженные Bd земноводные импортируются и пере-
возятся между штатами без каких-либо юридических последствий. Министерство
внутренних дел может остановить это». В конце концов, писали они, сертифика-
ция лососевых, предусмотренная Законом Лейси, оказалась относительно эффек-
тивной, но двести или около того регулируемых видов лососевых довольно просты
в управлении по сравнению с тысячами видов земноводных, к которым будут при-
меняться те же правила. Признавая серьезность ситуации, Служба охраны рыбных
ресурсов и диких животных США. взялась за поиск вариантов борьбы с хитридным
грибком. Но поскольку патоген уже настолько распространился по стране, эффек-
тивность сертификации, подтверждающей отсутствие заболевания, вызывает сомне-
ния, а значит, ее введение не имеет смысла. Что, собственно, и произошло, а
вернее - не произошло. А затем появился Bsal.
Несмотря на отсутствие успеха в защите лягушек, ни Липе, ни Дженкинс не от-
казывались от идеи предотвратить болезнь с помощью новых законов или усовер-
шенствованных правил. Когда появился Bsal, у него было одно существенное от-
личие от Bd: болезнь еще не проникла в Соединенные Штаты. На этот раз, вместо
того чтобы требовать регулирования всей торговли земноводными, они нацелились
на импорт саламандр, что было потенциально более выполнимо.
Работа над запретом началась с Липе, которая написала статью, рассказываю-
щую о Bsal и угрозе, которую он несет. Как дамоклов меч она висит над США,
но пока не рушится на головы. За день до публикации статьи Липе и Джуэлл
встретились с коллегами из Службы охраны рыбных ресурсов и диких животных
США, чтобы Липе могла представить результаты исследований. Предотвращение
вторжения грибка в американские популяции саламандр стало приоритетом для
агентства, которое немедленно приступило к разработке стратегии по защите са-
ламандр . Данную работу взялась координировать Джуэлл. Липе также позвонила
Дженкинсу, который мобилизовал заинтересованные стороны, включая Общество за-
щиты животных, «Защитников дикой природы», Международный фонд защиты животных
и другие группы, заинтересованные в сохранении земноводных. К совместным уси-
лиям присоединился и Рабб. Вместе они выступили за изменения, а не за подачу
очередной петиции, а агентство порекомендовало Липе и ее коллегам привлечь к
участию Ассоциацию зоопарков и аквариумов (или хотя бы не возражать против
этого), а если получится - то и индустрию домашних животных. Только полная
поддержка всех заинтересованных сторон сможет обеспечить соблюдение требова-
ний.
Группа также обратилась к широкой общественности, как это сделал Чарльз
Марлатт столетие назад. В 2014 году Липе и ее коллега Джозеф Мендельсон Тре-
тий написали статью, которая была опубликована в газете New York Times под
заголовком «Остановим следующий апокалипсис земноводных». В статье они поде-
лились, что в течение последних 25 лет беспомощно наблюдали за тем, как ля-
гушки умирали от Bd, и описали, как Bsal подбирается к стране через торговлю
животными. В исследовании, опубликованном через год после этой статьи, утвер-
ждалось, что за пять лет в Соединенные Штаты было ввезено около 800 тысяч са-
ламандр, большинство из которых относятся к видам, известным как носители
Bsal. Исследователи пришли к выводу: «Мы знаем, с каким убийцей имеем дело.
Глобальная сеть биологов изучает его перемещения. Правительственные агентства
находятся в состоянии боевой готовности. Давайте на этот раз все сделаем пра-
вильно» .
Служба охраны рыбных ресурсов и диких животных работала над решением про-
блемы Bsal, но, в отличие от Службы инспекции здоровья животных и растений, у
нее не было штата экспертов по сертификации заболеваний, способных проверять
животных, поступающих в порты США. Имелись и другие бюрократические препятст-
вия, одним из которых была торговля домашними животными. Данная индустрия не
хотела, чтобы все саламандры были внесены в список вредных, поэтому вместо
того, чтобы требовать чистоты ввозимых животных, в 2016 году агентство запре-
тило ввозить в США. только тех саламандр, которые представляли наибольший риск
переноса грибка. В данный список в соответствии с Законом Лэйси попал 201 вид
саламандр. После 20 лет, в течение которых Липе и ее команда пытались сдер-
жать распространение болезни среди земноводных, это стало многообещающим ша-
гом вперед. Несмотря на то, что многие из этих двух с небольшим сотен являют-
ся родными для Соединенных Штатов и не играют большой роли в торговле живот-
ными, в список включены несколько тритонов (разновидность саламандр), кото-
рые, как известно, переносят болезни и являются предметом торговли. При этом
проблема все равно не решена и вряд ли может решиться одним только списком:
независимо от того, как усердно вы ищете, всегда найдется тот, кого вы не мо-
жете найти. И этот некто будет способен вызывать болезнь. Им может оказаться
саламандра или любой другой хозяин земноводных, а может и такой вид, на кото-
рый даже подумать пока невозможно.
В 2018 году международная группа ученых исследовала саламандр и родственные
им виды на наличие Bsal на юге Китая. Они сообщили, что саламандры и родст-
венные им земноводные в этом регионе, по сути, являются хранилищами болезней
и если торговля продолжится без ограничений, то «внедрение Bsal в страны-им-
портеры, наивно полагающие, что их это не коснется, рано или поздно станет
реальностью». По крайней мере, один из исследованных видов не был внесен в
список в 2016 году (индустрия домашних животных добровольно согласилась пре-
кратить его импорт) . А из 800 тысяч саламандр, ввезенных в США несколькими
годами ранее, 98 % были родом из Азии.
Липе и ее коллеги хотят, чтобы все импортируемые земноводные проверялись
на наличие заболеваний. Однако нынешняя политика лучше, чем вообще ничего.
«До введения правила о саламандрах США импортировали 4 миллиона земноводных в
год, и ни одно из них не проверялось на наличие какого-либо заболевания, не
помещалось в карантин или лечилось. Это 4 миллиона шансов импортировать смер-
тельный патоген». На данный момент запрет в значительной степени снизил риск
проникновения в страну Bsal. В 2020 году ученые, в основном состоящие в Гео-
логической службе США, начали масштабную программу по взятию мазков и провер-
ке местных саламандр на наличие заболеваний. С 2014 по 2017 год они получили
мазки и проверили 10 тысяч животных. Ни одно из них не дало положительного
результата. Хотя исследование не было направлено на проверку эффективности
запрета, авторы предполагают, что такой масштабный мониторинг может, по край-
ней мере, пресечь любое вторжение в зародыше.
В 2018 году, всего через пять лет после того, как Bsal был обнаружен в Ев-
ропе, и через два года после того, как Служба охраны рыбных ресурсов и диких
животных включила некоторых саламандр в список вредных видов, Европейская ко-
миссия издала временный закон (который со временем станет постоянным), тре-
бующий, чтобы все саламандры, продаваемые между членами ЕС или импортируемые
на его территорию, были проверены и объявлены свободными от Bsal. Владельцы
домашних животных освобождаются от уплаты налога, если только они не занима-
ются торговлей, даже если в акте купли-продажи участвует всего лишь другой
владелец домашних животных. Заболевшие животные должны обязательно пройти
курс лечения, которое, по словам ветеринарного специалиста по микологии и
земноводным Гентского университета Фрэнка Пасманса, не слишком обременитель-
на: саламандр на десять дней следует помещать в боксы, где поддерживается
температура 25 С, - это, как правило, помогает. «Действительно ли торговцы
так поступают? - задается он вопросом. - Я не знаю». Лаборатория Пасманса
первой идентифицировала Bsal как патоген, убивающий саламандр в Нидерландах.
Поскольку болезнь настолько смертельна, у тех, кто содержит и разводит земно-
водных, есть серьезный стимул лечить своих подопечных: никому не нужна репу-
тация распространителя больных животных. При этом всегда есть исключения, на-
пример нелегальные импортеры из США. или Азии. Существуют также лазейки, через
которые грибок может проскользнуть: когда животные импортируются крупными
партиями, проверке подлежит только часть из них; не требуется и сертифициро-
вать питомцев владельцам домашних животных, даже если они их продают. Но каж-
дая мелочь помогает. После принятия закона в ЕС количество животных, посту-
пающих в коммерческую торговлю, сократилось. Пасманс полагает, что этот про-
цесс слишком обременителен и не стоит того с экономической точки зрения31. В
идеале продаваемые животные должны быть свободны от болезней, но это остается
лишь мечтой.
Коллега Питера Дженкинса Фейт Кэмпбелл относится к регулированию импорта
растений так же, как и те, кто пытается защитить дикую природу. Кэмпбелл -
политолог по образованию и имеет десятилетний опыт работы в качестве защитни-
ка экологической политики. Она делает для местных растений то же самое, что
Дженкинс, Липе и другие делают для земноводных, - защищает от инвазивных бо-
лезней, которые неизбежно проникают сквозь существующие карантины и инспек-
ции. Уйдя на пенсию из Управления охраны природы, где она была старшим пред-
ставителем по вопросам политики, Кэмпбелл теперь работает вместе с Дженкинсом
в небольшой некоммерческой организации под названием «Центр профилактики ин-
вазивных видов». Когда у нее появляется такая возможность, она продолжает
встречаться с людьми, которые могут влиять на политику, включая чиновников из
Службы инспекции здоровья животных и растений США., ученых из Лесной службы и
членов конгресса. Но, как она отмечает, «найти союзников становится все труд-
нее». Как объясняет Кэмпбелл, большинство болезней, попадающих в страну, как
правило, распространяются на живых растениях. Нынешние специалисты по их вы-
явлению трудятся не покладая рук, но их работа практически невыполнима. Мы
импортируем большое количество растений, и Служба инспекции здоровья животных
и растений США проверяет небольшую их часть, например те грузы, которые счи-
таются наиболее опасными, исходя из размера партии, количества растений и их
вида. При этом Кэмпбелл не выступает за увеличение числа проверок, вместо
этого она хочет, чтобы существовала обязательная сертификация, подобная той,
что распространяется на импортируемых лососевых рыб. Программа, в рамках ко-
торой иностранные поставщики гарантируют, что поступающие растения «настолько
чисты, насколько только могут захотеть ученые», перекладывает хотя бы часть
ответственности за пределы США. Покидая магазин, растения должны быть макси-
мально свободны от болезней, чтобы их можно было высадить в наших дворах или
на полях.
Прецедент уже есть. Служба инспекции здоровья животных и растений США те-
перь требует, чтобы импортируемая герань проходила сертификацию. Эти растения
могут быть заражены бактерией, которая также поражает картофель, томаты и
баклажаны, вызывая их увядание и гниение. При поставке растений, прибывающих
в Соединенные Штаты, должно быть подтверждено, что они прошли проверку и сво-
бодны от болезни. Герань «выращивается в Южной Америке гигантскими партия-
Как и в Соединенных Штатах, Bd уже является эндемиком в Европейском союзе, и по-
этому , по мнению Европейской комиссии, его трудно предотвратить. До сих пор грибок
не был столь проблематичным в больших частях Европы, потому что циркулирующие штаммы
не столь вирулентны. Это также делает население уязвимым для высоковирулентных штам-
мов, которые могут попасть в Европу в результате торговли.
ми, - утверждает Кэмпбелл, - и в большинстве случаев программа работает, хотя
иногда случаются промахи. Бактерия появилась на растениях весной 2020 года,
но она была поймана достаточно рано, чтобы остановить ее распространение».
Более серьезной проблемой в случае с растениями и животными является отсут-
ствие активного регулирования ввоза. Если бы существовала программа сертифи-
кации для импортеров, она могла бы значительно облегчить работу инспекторов в
портах. Кэмпбелл утверждает, что такая программа могла бы напугать импортеров
и поставщиков, заставив их соблюдать правила. «Другой вариант - запретить лю-
бой ввоз. Просто сказать нет». Перемещение болезней - это проблема не только
импортных растений, но и внутренней торговли растениями, которая имеет колос-
сальные масштабы, при этом именно межгосударственная торговля ответственна за
крупные вспышки заболеваний в прошлом и настоящем. Включая вспышку внезапной
гибели дуба, которая произошла в 2019 году.
Грибок Phytophthora ramorum начал уничтожать калифорнийские камнеплодники и
дубы в середине 1990-х годов. Как и Phytophthora infestans, вызывающий пора-
жение картофеля, этот патоген является водяной плесенью. Данный оомицет зара-
жает более ста видов растений из 37 различных семейств, многие из которых яв-
ляются эффективными переносчиками, что способствует распространению болезни.
К моменту обнаружения вспышки заболевания в 2019 году 1600 потенциально зара-
женных растений были отправлены как минимум в 12 штатов, одним из которых был
Огайо. Там патоген был обнаружен на сирени и рододендронах только после того,
как они попали в магазины Walmart и Rural King. Чтобы предотвратить распро-
странение заболевания, домовладельцев, купивших эти растения, попросили вы-
дернуть их с корневым комом, сжечь или упаковать в двойной пакет, а также
продезинфицировать все садовые инструменты.
Phytophthora ramorum на дубе.
Надежду растениям подарила программа, обеспечившая системный подход к сер-
тификации питомников. Она предусматривает, что государственные органы должны
сотрудничать с питомниками растений, чтобы последние можно было перемещать в
границах страны и за ее пределами. Это программа сертификации, которая гаран-
тирует, что питомники будут чистыми от болезней и смогут взаимодействовать с
государственными фитосанитарными органами по четкой и понятной схеме, что по-
высит требования и контроль за их выполнением.
В конечном счете это также маркетинговая стратегия. Питомники выбирают бо-
лее строгое регулирование и контроль и таким образом могут показать своим по-
купателям, что они сделали все возможное, чтобы гарантировать: продаваемые
ими растения менее подвержены риску передачи болезней и вредителей. Пилотная
программа началась около десяти лет назад с участием примерно дюжины питомни-
ков и в настоящее время осуществляется под эгидой Национального совета по
растениям - некоммерческой организации, объединяющей государственные органы
по контролю за вредителями растений. К концу работы программы 14 питомников
получили необходимый сертификат, а в январе 2021 года эта инициатива стала
доступна всей отрасли, и именно такой вариант Кэмпбелл хотела бы видеть в
сфере импорта растений. Требование, чтобы вновь прибывающие растения были
сертифицированы как свободные от болезней, в теории несильно отличается от
требований правительства, чтобы путешественники, рабочие и студенты проходили
тест на COVID-19. Экспресс-диагностика - ключ к сертификации, подтверждающей
отсутствие болезней, тем более что быстрые тесты, чувствительные к болезням
растений, уже существуют, но пока не получили широкого распространения и не-
доступны в масштабах страны. Теперь мы знаем, как быстро болезнь распростра-
няется между влюбленными, соседями, покупателями, путешественниками по всему
миру. Понимаем и то, что болезнь может переходить от одного вида к другому:
от летучей мыши, панголина, птицы или домашней собаки. Ученые-экологи надеют-
ся, что этот импульс поможет продвинуть политику защиты дикой природы и ради
нашего собственного здоровья, и ради самой природы. Но если мы собираемся от-
слеживать болезни животных, то сперва, похоже, должны научиться качественно
определять болезни, которым подвержены мы сами.
Если усилия страны по профилактике заболеваний, подготовке плана реагирова-
ния, осуществлению эпидемического надзора потерпят наудачу, новая глобальная
пандемия изменит нашу жизнь на многие годы вперед. Когда вирус SARS-CoV-2 за-
хватил больницы и дома престарелых, произошло кое-что еще. Болезни, которые
до этого момента находились под тщательным наблюдением, внезапно начали выхо-
дить из-под контроля, а бактерии и грибы, развившие устойчивость к лекарст-
вам, обнаружили прямо у нас под носом лазейку, сквозь которую смогли незамет-
но проскользнуть. Одним из первых стал грибок Candida auris, знакомые нам
дрожжи, которые Центр по контролю и профилактике заболеваний отслеживал еще
до появления вируса. В 2016 году его руководством было инициировано создание
сети лабораторий, которые занялись изучением устойчивости микробов к антибио-
тикам. Число таких болезнетворных микроорганизмов значительно возросло, и це-
лью лабораторий стало изучить каждый конкретный случай в стране и предотвра-
тить распространение устойчивости.
Candida auris была включена в систему из-за опасений по поводу Candida
albicans - грибка, который смог развить способность противостояния лекарст-
вам. В настоящее время в этот список включен и Aspergillus, поскольку некото-
рые его штаммы также нашли способ противостоять азольным препаратам. Система
отслеживания таких явлений помогает Центру по контролю и профилактике заболе-
ваний быстро оказывать помощь домам престарелых, учреждениям длительного ухо-
да и другим, где может появиться С. auris, а также сдерживать новое заболева-
ние и более эффективно его контролировать. Учреждения отправляют образцы в
лаборатории, которые с помощью полимеразной цепной реакции могут быстро опре-
делить или подтвердить диагноз. Затем грибок выращивается в лабораторных ус-
ловиях, а после ученые определяют, как он реагирует на противогрибковые пре-
параты. Поскольку некоторые образцы растут медленно, весь процесс может за-
нять несколько дней или недель, но в настоящее время это единственный способ
выявления устойчивых к лекарствам грибков.
В тех учреждениях, где были обнаружены колонии С. auris и произошло зараже-
ние людей, усилили меры гигиены для предотвращения дальнейшего распростране-
ния грибка. Поскольку дрожжи могут колонизировать больничные палаты и обору-
дование и переходить от одного пациента к другому на рукаве больничного или
лабораторного халата, персонал знает, что после посещения зараженных необхо-
димо с особой тщательностью проходить дезинфекцию.
Затем появился COVID-19, и медицинские работники, столкнувшиеся с нехваткой
средств индивидуальной защиты, стали использовать то, что у них было. Помеще-
ния обеззараживались таким образом, чтобы уничтожить вирус, но не обязательно
грибок, который гораздо сложнее вывести. Таким образом, в гонке на опережение
медики пытались обогнать вирус, совершенно не обращая внимания на других со-
перников, среди которых был и С. auris. Необходимость обследовать пациентов
на его наличие была попросту отложена в долгий ящик как менее важная, и это
сыграло свою трагическую роль. Учитывая, что данный грибок предпочитает пожи-
лых и людей с ослабленным иммунитетом - группы населения, на которые был на-
целен и вирус, - грибок, оказавшийся в тени незамеченным, неожиданно расцвел.
Он стал появляться не в учреждениях длительного ухода, в больницах неотложной
помощи; не у тех пациентов, которые могли бы заразиться от контакта с носите-
лями грибка, а у совершенно не связанных с ними людей. До появления C0VID-19
общее число случаев заболевания С. auris составляло 3105. Только в 2020 году
оно составило 2066, а к 2021 году ежегодное число случаев увеличилось до
5512, почти вдвое превысив доковидный показатель. Зараженными были признаны
тысячи пациентов, и если из этого и можно вынести какой-то урок, то он заклю-
чается в том, что тестирование и наблюдение работают, но проводятся недоста-
точно часто.
Том Чиллер как руководитель отделения микологических заболеваний Центра по
контролю и профилактике заболеваний знает, что одна из самых сложных задач -
отслеживание болезней по всей стране: «На протяжении большей части моей жизни
только один грибок находился под постоянным наблюдением - Coccidioid.es, вызы-
вающий долинную лихорадку». Этот грибок отличает способность вызывать заболе-
вание у здоровых людей при вдыхании. Он классифицируется как «подлежащий ре-
гистрации» примерно в двух десятках штатов (каждый штат определяет свой набор
заболеваний и состояний, о которых необходимо сообщать в департамент общест-
венного здравоохранения). Долинная лихорадка считается эндемичной для пустын-
ного Юго-Запада и более южных районов, но в последние годы она стала распро-
страняться и на другие территории, расширяя свою географию. Некоторые ученые
считают, что это связано с изменением климата. Центр по контролю и профилак-
тике заболеваний пытается отслеживать появление лихорадки через свою Нацио-
нальную систему наблюдения за регистрируемыми заболеваниями: когда у пациента
диагностируется любая из 120 подлежащих регистрации болезней, включая инфек-
ционные, передающиеся половым путем, относящиеся к биотерроризму и другие,
штат может информировать об этом, и тогда в центр поступит соответствующий
отчет. При этом Чиллер говорит: «Мы не можем требовать, чтобы штат сообщал о
чем-то».
Именно благодаря этой системе наблюдения Центру по контролю и профилактике
заболеваний стало известно, что число случаев заболевания С. auris выросло во
время пандемии. Но Чиллер беспокоится, о скольких случаях все-таки не было
сообщено: «Каждый день в штатах происходят события, о которых нам ничего не
известно. Мы действительно не держим руку на пульсе и не знаем, что делать».
Людям явно необходимо переосмыслить, каким образом предотвращаются пандемии,
и неважно - среди людей, растений или диких животных. Необходимо пересмот-
реть , как мы реагируем на настолько масштабные вызовы.
В январе 2020 года коалиция политиков и научно-технических групп в США. за-
пустила так называемый «Проект первого дня». Его цель - дать возможность мыс-
лителям из разных областей науки и техники представить свои «действенные» за-
думки о том, как «улучшить жизнь всех американцев». По сути, это «питч-фест»,
или огромная ярмарка идей по решению некоторых из наших насущных проблем, в
которой может поучаствовать любой желающий. Лучшие предложения будут усовер-
шенствованы и окажутся в Вашингтоне, где самые опытные политики смогут про-
двигать их к реализации.
В октябре 2020 года Карен Липе представила предложение под названием «Как
улучшить на федеральном уровне управление перемещениями диких животных и воз-
никающими инфекционными заболеваниями». По ее словам, пандемия C0VID-19 вы-
явила уязвимые места в этом вопросе, а у нынешней администрации есть возмож-
ность исправить ситуацию, создав целевую группу по борьбе с инфекционными за-
болеваниями. Это позволит принять меры по защите как граждан США. от болезней,
переносимых животными, так и местной дикой природы, которая также очень уяз-
вима перед инфекционными вызовами. Липе предложила, чтобы среди прочего аме-
риканские агентства, занимающиеся импортом и торговлей животными, координиро-
вали свои действия друг с другом и с международными организациями для решения
проблемы глобального распространения инфекционных заболеваний животных.
В Закон Лейси могут быть внесены поправки, которые предоставят Службе охра-
ны рыбных ресурсов и диких животных США. больше полномочий для выявления у жи-
вотных, живущих в естественных условиях, болезней и последующей борьбы с ни-
ми. Также поправки хорошо было бы внести и в конвенцию о международной тор-
говле видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой исчезновения, а
Всемирная организация здравоохранения животных могла бы расширить сферу своих
интересов в этой области за пределы животноводства и разработать «общедоступ-
ную, централизованную и курируемую систему мониторинга глобальной заболевае-
мости и распространения патогенов диких животных, чтобы способствовать ранне-
му обнаружению болезней и документировать их распространение», - написала в
своем предложении Липе.
Одним словом, политикам необходимо серьезно отнестись к тому, насколько
связаны между собой здоровье человека, животные и окружающая среда, а также
оценить нашу роль в возникновении и распространении болезней. Когда мы стал-
киваем патогены и новых хозяев, отрицая их географическое происхождение, то
подвергаем риску самих себя. Необходимо более осторожно подходить ко всему,
что делается нашими руками. Каждый из нас - потенциальный носитель чего-то
чужого. И теперь, когда мы знаем это и понимаем, к чему может привести выше-
описанное, если игнорировать проблемы, мы можем принять на себя ответствен-
ность за то, как действуем каждый в отдельности и все вместе в этом мире и за
его пределами. Если мы это сделаем, то решение прекратить торговлю дикими жи-
вотными окажется не за горами, потому что оно будет нашим - индивидуальным и
общим, абсолютным и беспрекословным. Любители живой природы (и потребители)
согласятся покупать только тех животных, которые были выращены в неволе. Со-
блюдение протоколов тестирования будет обыденностью, а так как они становятся
все более доступными и могут выявлять достаточно большой спектр заболеваний,
это поможет сдержать грибковую угрозу. Путешествуя, мы будем более вниматель-
ны к тому, куда направляемся, и лишний раз задумаемся, стоит ли класть в рюк-
зак понравившееся растение - не вызовет ли оно следующую пандемию в тех кра-
ях, куда мы его привезем? Грязь на наших ботинках больше не будет пустяком,
потому что мы будем понимать, какие незримые попутчики могут вместе с ней от-
правиться в дорогу к новому дому. Если у нас есть желание и ресурсы сохранить
то, что мы любим, предотвратить следующую грибковую пандемию реально.
Глава 10.
Ответственность
Проблема плесени настолько распространена, что в 1998 году с ней столкну-
лись на российской космической станции «Мир». Грибок, облюбовав оконные уп-
лотнители, панели управления и провода, занимался тем же, чем занимаются все
грибки на Земле, - разлагал материю. Критически важные системы на борту стан-
ции оказались под угрозой выхода из строя. Поскольку грибок, вероятно, жил на
станции более десяти лет - столько же, сколько она была обитаема, - некоторые
опасались, что высокая космическая радиация может вызвать в нем мутационные
процессы. В 2001 году станция была разрушена, и большая ее часть сгорела при
входе в атмосферу планеты, а остатки разбросало по южной части Тихого океана.
На тот момент это был самый большой космический аппарат, когда-либо падавший
на Землю. Спустя годы появились снимки с Международной космической станции, и
на них мы увидели то же самое: темные разводы плесени, покрывавшие стену с
тремя поручнями для полотенец. Несмотря на воздушные фильтры и постоянную
уборку, повторения ситуации на МКС избежать не удалось: стена выглядела как
стена любой другой ванной комнаты на планете. Влага в сочетании с температу-
рой окружающей среды на космической станции, которая в среднем колеблется ме-
жду 21 и 23 С, создала рай для грибков. Исследование микроорганизмов на стан-
ции, опубликованное в 2006 году, выявило десятки видов бактерий и грибков.
Недавно ученые предположили, что плесень может выжить и на внешней поверхно-
сти космического корабля.
ее .
I Л
Плесень на МКС.
Куда бы мы ни отправились, мы живем в облаке микробов, подобно Пиг-пену,
герою комикса «Арахис», которого художник нарисовал в окружении множества пы-
линок. Мы ничем не отличаемся от растений и животных, которые переносят гриб-
ки и другие микробы, позволяя им (с нашей помощью) перемещаться на огромные
расстояния. А теперь мы перенесли земные микробы за пределы нашей планеты.
Более полувека назад лауреат Нобелевской премии по генетике микроорганизмов
Джошуа Ледерберг забеспокоился о том, какие последствиях могут наступить, ес-
ли микробы будут перемещаться все дальше от дома. В октябре 1957 года он был
в Австралии и оттуда наблюдал за тем, как в ночное небо поднимается первый
искусственный спутник Земли. Тогда еще не было научных доказательств наличия
или отсутствия жизни где-либо в Солнечной системе, но Ледерберг верил, что
она может существовать, и был обеспокоен тем, что мы можем испортить первый
контакт. Возможно, наши исследования даже приведут к уничтожению какой-нибудь
формы жизни - у него было много причин для беспокойства, ведь на его век при-
шлись вымирание американских каштанов и другие потрясения. Умирали вязы, а
люди страдали от множества болезней, переносимых из одной страны в другую.
Через несколько лет после запуска «Спутника-1» Ледерберг представил доклад на
первом Международном симпозиуме по космической науке в Ницце. Он предупредил,
что «история показывает, как эксплуатация вновь найденных ресурсов обогащает
человеческий опыт; столь же часто мы видим огромные потери и ненужные страда-
ния, вызванные бездумным распространением болезней и другими экологическими
нарушениями». Ледерберг задавался вопросом: если какой-нибудь микроб отпра-
вится с Земли на Луну, Марс или еще куда-нибудь и случайно найдет там благо-
приятные условия без хищников или других экологических ограничений, что удер-
жит его популяцию от взрыва?
Наши действия или бездействие, считал он, однажды могут отразиться и на на-
учном прогрессе страны. Если бы мы исследовали космос и оставили след земной
ДНК в виде микробов, если бы жизнь, основанная на ДНК, существовала, узнали
бы мы разницу? И какова наша ответственность? «Не будем ли мы сожалеть о без-
думном вторжении в другие системы жизни?»
Его современник сэр Бернард Ловелл, профессор радиоастрономии Манчестерско-
го университета, тоже задавался вопросом о нашей ответственности перед вне-
земной жизнью. Ракеты с земными организмами, писал он, могут привести к «мо-
ральной катастрофе, потому что человек присвоит себе право вводить собствен-
ный загрязненный материал во внеземную среду, где, возможно, идет органиче-
ская эволюция». Другие ученые высказывали эгоистичные опасения: что, если не-
которые новые «местные организмы» однажды принесут нам пользу? Например, по-
могут открыть новый антибиотик. «Было бы опрометчиво слишком узко предсказы-
вать , каким образом нетронутые поверхности планет, их местные организмы или
молекулярные ресурсы могут в конечном счете служить потребностям человека», -
писал Ледерберг.
В начале 1960-х годов Национальная академия наук США, руководствуясь этими
и другими соображениями, обратилась к Международному совету научных союзов с
просьбой разработать комплекс мер по защите других планетарных и межпланетных
тел. Совет был неправительственной организацией, которая признавала общест-
венную пользу от научного сотрудничества и взаимодействия между различными
дисциплинами, несмотря на политические, социальные и экономические различия
(сейчас он является частью Международного научного совета). Энди Спрай, уче-
ный из Института SETI и консультант Управления по координации планетарной
обороны NASA, говорит, что в середине 1960-х годов, в эпоху холодной войны,
«две крупные земные сверхдержавы того времени признали, что хорошей идеей бу-
дет не испортить планетарную науку прежде, чем мы ее поймем». Для этого было
принято решение обеззараживать все космические корабли, собирающиеся отпра-
виться на Луну и еще дальше, настолько, насколько это может сделать человек.
С тех пор защита планеты остается руководящим принципом международных межпла-
нетных космических исследований. Прежде чем «Викинги» - посадочные аппараты
NASA - отправились к Марсу в 1970-х годах, их очистили от микробов, а затем
закалили при температуре более 110 С.
С самого начала лучшими технологиями, позволяющими убедиться, что космиче-
ские аппараты действительно обеззаражены, были взятие мазков, выращивание
культур и подсчет колоний - все, как столетие назад, при Луи Пастере. Индика-
торной бактерией стала спорообразующая Bacillus subtilis - относительно без-
вредная бактерия, способная создавать прочные споры. Логика такова: если спо-
ры не выживут, то не выживет и все остальное. Культивирование микробов может
занять несколько дней, и в нашем быстро меняющемся мире это большой минус,
если полагаться на метод столетней давности. Но Спрай утверждает, что все хо-
тят чего-то более быстрого, однако, несмотря на достижения в технологиях
ДНК-тестирования, лишь немногие альтернативы имеют такую же чувствительность
и специфичность, как культивирование. Спустя полвека после «Викингов» аппарат
«Персеверанс» и космический корабль, который должен доставить его на Марс,
собирались в чистом помещении. Их прочные детали были закалены при температу-
ре 150 С, а наиболее чувствительные - стерилизованы при значительных низких
температурах или с помощью паров перекиси водорода, после чего все это было
подвергнуто тотальной проверке на наличие микробов.
Небольшое количество спор всегда останется, а требуемый уровень чистоты за-
висит от конкретной миссии. Например, на Марсе есть точки, для которых дейст-
вуют разные требования, касающиеся чистоты опускающихся аппаратов. Миссии по
обнаружению жизни, а также связанные с работами в «особых регионах» (места,
где наши земные организмы могут размножаться) требуют самых высоких стандар-
тов. Когда в июле 2020 года «Персеверанс» отправлялся на Марс, согласно поли-
тике NASA, на весь полезный груз было разрешено использовать 500 тысяч спор,
а на сам марсоход - около 41 тысячи.
Микроб может выжить после стерилизации, но он не будет представлять угрозы
заражения, если не переживет космическое путешествие. За пределами земной ор-
биты существует почти абсолютный вакуум, в котором нет кислорода и других ве-
ществ . В вакууме разы расширяются, а жидкости быстро выкипают. Кроме того,
здесь присутствуют взрывы космической и солнечной радиации. Ионизирующее,
ультрафиолетовое излучение и тяжелые ионы, остатки образования сверхновых и
других событий создают постоянную радиационную опасность для космических пу-
тешественников и их транспортных средств. «Большинству организмов, - говорит
Спрай, - это не нравится». Но если, скажем, гриб переживет все это и высадит-
ся на Марсе, у него возникнут другие проблемы. В отличие от Земли, на Марсе
нет атмосферы, которая защищает поверхность планеты от более энергичных ульт-
рафиолетовых лучей Солнца (UVC). Более привычные лучи UVA и UVB все еще пред-
ставляют проблему, но в меньшей степени. Незащищенный человек на поверхности
Марса получит солнечный ожог за считанные секунды, а прямое воздействие на
поверхность будет смертельным для всех известных микроорганизмов, «даже таких
относительно устойчивых к ультрафиолетовому излучению, как черная плесень».
Но все это остается для нас неизведанной территорией.
В 2020 году Марта Кортесао, аспирант Немецкого аэрокосмического центра в
Кельне, и ее коллеги опубликовали любопытные результаты. Облучив споры плесе-
ни высоким уровнем радиации, они пришли к выводу, что некоторые грибковые
споры могут выдержать путешествие на Марс. Годами ранее, когда появились но-
вости о развитии плесени на космических станциях, люди начали задаваться во-
просом: могут ли споры выжить вне Земли? Кортесао утверждает, что радиация
является ограничением номер один для космических путешествий: «Здоровье чело-
века , материалы, связь - все зависит от космической радиации».
Грибок Aspergillus niger растет на фруктах и овощах (а также может поражать
легкие, хотя и в меньшей степени, чем обычный грибок Aspergillus fumigatus).
Большинство из нас знают его как обычную черную плесень. Ее цвет обусловлен
меланином - той же молекулой, которая защищает нашу кожу от ультрафиолетового
излучения солнца. Известно, что темные плесени устойчивы к радиации, но смо-
гут ли они пережить космическое путешествие? Кортесао и ее коллеги хотели по-
нять, как споры грибов A. niger соотносятся со спорами бактерий Bacillus
subtilis и устойчивыми к радиации бактериями-экстремофилами, такими как
Deinococcus radiodurans. Кортесао говорит: «Мы подвергали их огромному коли-
честву радиации, тестируя дозы до 1000 грей». В греях измеряется количество
энергии излучения, которое поглощается на массу ткани. «Это эквивалентно мно-
гим, многим годам в космосе». Люди, по словам Кортесао, могут выдержать пять
грей, но «мы будем полностью уничтожены». Помимо радиации, любому межпланет-
ному путешественнику придется столкнуться с вакуумом космоса и экстремальными
температурами, и все же некоторые земные организмы могут выжить. В условиях
эксперимента Кортесао споры грибов выдерживали высокие дозы ионизирующего из-
лучения и переносили ультрафиолет лучше, чем споры бактерий. Споры
Aspergillus, вероятно, могли бы выдерживать радиацию в течение нескольких лет
в реальном космосе, если бы были защищены слоями компонентов клеточной стен-
ки, других клеток и прочих физических средств защиты.
«Слои подобны механической защите, - объясняет она, - как скафандр космо-
навта» . Меланин, окружающий клеточную стенку споры, тоже защищает. Нынешние
руководства по планетарной защите не учитывают грибковые споры. Может быть,
зря.
Aspergillus niger.
Спрай при этом не беспокоится о грибах-попутчиках, хотя и признает, что
есть такие, которые нам пока не известны. «Корда вы спрашиваете, может ли му-
равей пересечь реку, - говорит он, - ответ будет ЛЛнет". Но пересекают ли му-
равьи реки? Да. Может ли ничем не защищенная грибковая спора выжить в космо-
се? Скорее всего, нет». Но он согласен, что под слоями защиты отдельные мик-
робы , возможно, и выживут. Однако вероятность того, что они окажутся в доста-
точно теплом и влажном месте, где смогут устроить себе дом, будет невелика.
Есть и еще одно подспорье для путешествующих микробов - это люди. С самого
начала космической эпохи предполагалось, что именно люди будут заниматься ис-
следованиями за пределами нашей орбиты, а значит, они проследят за тем, чтобы
не произошло вредного загрязнения. Но исследования в любом случае оставят по-
сле себя следы. На кораблях и других космических аппаратах хорошо работают
методы стерилизации, но людей стерилизовать все равно невозможно. Куда бы мы
ни отправились, мы возьмем с собой наш земной микробном, даже на Марс.
На заре освоения космоса существовала еще одна проблема, которая тревожила
больше, чем загрязнение людьми новых миров. В то время как внимание всей пла-
неты было приковано к немыслимым достижениям и астронавтам, подвергавшим свои
жизни опасности, некоторые беспокоились о другом. Что, если исследователи,
которые ступили на Луну, по возвращении принесут на Землю инопланетные микро-
бы? Мысль о том, что космические корабли или астронавты могут заразить Землю
неизвестными микробами, была пугающей. «Большинство ученых были согласны с
тем, что вероятность существования жизни на Луне невелика. Но они сильно ра-
зошлись во мнениях, какими будут последствия для Земли, если лунные организмы
все-таки существуют и какой-нибудь из них прибудет с возвращающимися астро-
навтами», - говорилось в статье в Time в июне 1969 года. Но у NASA были тща-
тельно проработанные планы на случай так называемого обратного заражения.
Агентство подготовило карантинные помещения и построило Лунную приемную лабо-
раторию, предназначенную для содержания лунных микробов. Это предприятие
обошлось в десятки миллионов долларов, а еще столько же было потрачено на
эксплуатацию объектов. Врач NASA Чарльз Берри, отвечавший за полет и возвра-
щение астронавтов «Аполлона-11», вспоминал: «Через что мы только ни прошли... У
нас был человек в биологическом изолирующем костюме, который подошел к двери,
и мы открыли ее, чтобы бросить внутрь три биологических изолирующих костюма и
экипаж мох1 выйти. Но он открыл этот люк, а когда вы это делаете, в воздух,
без всяких сомнений, вылетают микробы. Если бы это была лунная чума, не знаю,
что бы произошло. Я не верил, что у нас будет лунная чума, но не мох1 исклю-
чить эту возможность. Я имею в виду, что было приложено много усилий, чтобы
предотвратить это».
Как написал историк науки Дахюмар Дегрут в эссе для журнала Aeon полвека
спустя, если бы «Аполлон» все-таки доставил к нам внеземную жизнь, ее не уда-
лось бы сдержать в замкнутом пространстве, несмотря на принятые меры предос-
торожности и ограничения космических кораблей. Микробы могли бы заразить ас-
тронавтов, попасть в капсулу «Аполлона» или вырваться наружу после нарушения
ее герметичности. И дело даже не в том, что NASA проявило некомпетентность, а
в том, что сама задача сдержать внеземные микроорганизмы была невыполнима. В
свое время ученые NASA планировали полностью загерметизировать возвращаемую
космическую капсулу с астронавтами, но потом поняли, что при определенных
сценариях они могут задохнуться. Агентству пришлось искать баланс между безо-
пасностью астронавтов и достигнутым уровнем герметичности. Изучив все трещины
в системе «Аполлона», Дегрут пришел к выводу: «Опасный патоген, доставленный
на Землю из космоса, неизбежно вырвался бы наружу. Вопрос был только в том,
когда именно». Но даже в этом случае сбой в системе локализации не обязатель-
но привел бы к распространению чумы, способной уничтожить мир. Как отмечает
Энди Спрай, «для этого должно произойти заражение. Кроме того, после помеще-
ния в защитную среду высокой надежности можно провести стерилизацию, чтобы
гарантировать, что "выброс опасного патогена" никогда не произойдет».
Прошло полвека, и Луна теперь считается совершенно точно лишенной жизни.
Однако продолжаются исследования астрономических тел, на которых, хотя это и
маловероятно, жизнь может существовать в том виде, в каком мы ее знаем. За
десятилетия, прошедшие с момента первых исследований спутника Земли, защита
нашей планеты только выиграла благодаря технологическому прогрессу во всех
областях науки. В сентябре 2021 года марсоход NASA «Персеверанс» начал буре-
ние марсианских пород, собирая образцы и герметично запечатывая их в титано-
вых трубках. Когда через несколько лет они прилетят на Землю, то будут поме-
щены в другой надежно запечатанный контейнер, предназначенный для хранения
всего марсианского материала. В конце концов, перед возвращением на Землю
контейнер будет простерилизован снаружи, чтобы гарантировать, что он не дос-
тавит на Землю никаких неизвестных захватчиков. По возвращении образцы также
пройдут глобальную обработку и будут доставлены в специальный карантинный
центр. Все взаимодействие с ними будет выстроено с учетом мер предосторожно-
сти, как если бы на образцах мог содержаться след потенциальной чумы (даже
если мы знаем, что это маловероятно) . Карантинный центр, в котором им надле-
жит пробыть, имеет высочайшие возможности биоконсервации, подобно лаборатори-
ям четвертого уровня, одобренным для изучения самых смертоносных вирусов, ко-
торые известны на Земле. Полученные с таким трудом образцы также будут защи-
щены от земного загрязнения. Несмотря на крайне малую вероятность возникнове-
ния какой бы то ни было инопланетной чумы, усилия, которые ученые собираются
предпринять, чтобы обезопасить людей, огромны. Чего не скажешь о безалаберно-
сти, с которой мы подходим к предотвращению следующей пандемии, поджидающей
нас на крыльях птицы, спине лягушки, на опушке леса и в поле. Такие разные
подходы просто поражают. Вероятность того, что лунная или марсианская чума
может быть доставлена на Землю в банке с образцами или на космическом кораб-
ле, катастрофически мала, а вот то, что голову от земли поднимет вирусная,
бактериальная или грибковая болезнь, которая уничтожит миллионы живых су-
ществ, - определенно вопрос времени.
Мы путешествуем, высаживаем миллионы гектаров монокультур, торгуем расте-
ниями и животными. При этом мы не просто открыли ящик Пандоры, а потрясли его
и вытряхнули содержимое. Если грибок поселился в этом ящике, то пути назад
уже нет, потому что он не похож на вирус. Как говорит Мэтью Фишер, «вирусы
маленькие и простые, они похожи на огненные вспышки». Грибы же, будучи эука-
риотами, устроены гораздо сложнее: они «очень хорошо умеют лавировать, как
дельцы на бирже, использовать альтернативных хозяев и маскироваться». Это
очень сложные, биологически умные организмы, которые могут жить практически в
любом виде растения или животного в ожидании подходящего хозяина. Могут дре-
мать в почве месяцами и даже годами. Синдром белого носа продолжает распро-
страняться среди популяций летучих мышей. Случаи заболевания Candida auris,
Aspergillus и долинной лихорадкой регистрируются все чаще и совершенно точно
продолжат колебать статистику в обозримом будущем. Каштановая чума сегодня
представляет такую же угрозу для деревьев, как и сто лет назад. Как и гол-
ландская болезнь вязов. Эта поразительная живучесть отчасти объясняет, почему
некоторые грибки смогли довести целые виды растений и животных до вымирания.
Когда люди только начали нарушать географические границы видов, вырубать ле-
са, расширять сельскохозяйственные угодья, о планетарной защите не было и
мысли. Теперь мы знаем об опасности грибков значительно больше.
Грибы могут становиться монстрами, но чаще всего только тогда, когда мы да-
ем им такую возможность: предоставляем новый источник пищи, постоянно расту-
щую популяцию людей с ослабленным иммунитетом или потепление окружающей сре-
ды , которое заставляет грибы эволюционировать или вымирать. Рецепт создания
высоковирулентной инфекции прост: необходимо взять два компонента - грибок и
восприимчивого хозяина, то есть дерево, летучую мышь или лягушку, а потом по-
зволить заражению произойти. Если бы у лягушки или растения был шанс эволю-
ционировать вместе с конкретным грибком, последствия могли бы быть скорее не-
удобными, чем фатальными. Но когда потенциальный патоген попадает в новую по-
пуляцию хозяев, последние страдают в первую очередь. В истории про ящик Пан-
доры есть еще одна часть, о которой мы забываем. Когда Пандора открыла ящик и
зло вырвалось наружу, она захлопнула его, заперев внутри Элпис - дух надежды.
Некоторые говорят, что, оставшись без веры в хороший исход, человечество ока-
залось один на один с миром, полным болезней, да и сама надежда тоже является
злом, особенно ложная. Другие же полагают, что это сыграло нам на руку, пото-
му что мы все равно смогли выжить. Если мы предпочтем верить во второй вари-
ант , то надежда, запертая в ящике, продолжит делать нас сильнее. Сохранив ее
глубоко внутри, мы можем использовать надежду как стимул исправить свои ошиб-
ки.
Одна из лучших стратегий защиты от будущих опасностей - профилактика. Мно-
гие ученые участвуют в глобальной инициативе под названием «Единое здоровье»,
которая признает, что нельзя защитить от болезней всего какую-то одну часть
мира - людей, растений или животных. Все взаимосвязано, и здоровье одной по-
пуляции влияет на жизнь другой и так далее, пока не смыкается вокруг всей на-
шей планеты, которая зависит от состояния и действий каждого из нас. В рамках
этого движения происходит объединение научных дисциплин, которые за последнее
столетие только отдалялись друг от друга, становились все более самостоятель-
ными. Между ними прокладывались самые разные границы: языковые, методологиче-
ские, финансовые, отраслевые и многие другие, - и теперь мы можем наблюдать
обратный процесс.
Сначала инициатива «Единое здоровье» сосредоточилась на том, чтобы проло-
жить связь между человеческой медициной, ветеринарией и передачей зоонозных
заболеваний от животных к человеку через прямой или косвенный контакт. Затем
в 2004 году Общество охраны дикой природы организовало симпозиум, в котором
приняли участие эксперты в области здравоохранения со всего мира, что смести-
ло разговор с преимущественно антропоцентрических проблем здоровья человека к
проблемам всей жизни на Земле. Одним из результатов стал призыв идти по ново-
му пути: «Ни одна нация не способна повернуть вспять процесс утраты среды
обитания и вымирания, которые могут и действительно подрывают здоровье людей
и животных. Только разрушив барьеры между организациями, отдельными людьми,
специальностями и секторами, мы сможем высвободить инновации и опыт, необхо-
димые для решения многих серьезных проблем, связанных со здоровьем людей, до-
машних и диких животных, а также с целостностью экосистем. С помощью вчераш-
них подходов невозможно решить сегодняшние угрозы и завтрашние проблемы. Мы
вступаем в эпоху "Один мир - одно здоровье" и должны разработать адаптивные,
перспективные и междисциплинарные решения проблем, которые, вне всякого со-
мнения , ждут нас впереди».
Тринадцать лет спустя, признав всеобщую угрозу, исходящую от грибковых па-
тогенов, десятки ученых поучаствовали в публикации отчета очередного междуна-
родного семинара «Единое здоровье: грибковые патогены человека, животных и
растений». В нем содержится ряд рекомендаций, которые, как они надеются, по-
могут снизить угрозу будущих грибковых пандемий. Рекомендации включают в себя
разные аспекты: улучшение отчетности и отслеживания заболеваний, поиск лучших
способов профилактики и лечения, а также разработку новых противогрибковых
препаратов. Чтобы выполнить эти рекомендации, необходимо провести глобальную
перепись всех известных видов грибов в окружающей среде и нашем собственном
микробиоме, а также создать базу данных геномов грибов. Все это будет способ-
ствовать лучшему пониманию вспышек по мере их возникновения.
В связи с последним пунктом ученые пишут, что наше воздействие на планету
способствовало появлению грибковых патогенов. Среди них есть виды, которые
раньше не вызывали проблем, - от Cryphonectria parasitica у каштанов и
Candida auris у людей до Pd у летучих мышей и Bd у лягушек. Грибки требуют
нашего внимания, и если мы хотим сохранить жизнь на планете в том виде, в ко-
тором мы ее знаем, то должны обратить его на них. Недостаточно просто осозна-
вать, что и как мы делаем, когда потребляем энергию, едим или путешествуем.
Но каждый из нас может внести свой небольшой вклад в общее дело.
Представьте себе будущее, в котором на полках супермаркетов будут лежать не
только привычные нам длинные тонкие бананы желтого цвета, но и десятки других
- короткие и колючие, синие и красные. Они могут быть более крахмальными или
сладкими, выращиваться на больших и малых плантациях вперемешку с папайей и
другими растениями. Большинство из них имеют отметку «выращенные устойчивым
методом», поскольку благодаря новым сортам и более экологичным методам веде-
ния хозяйства значительно сократилось количество применяемых пестицидов и
фунгицидов. А поскольку крупные производители переходят от выращивания только
хлебной и твердой пшеницы к выращиванию других злаков, таких как амарант,
тефф и гречиха, потребители не только принимают различные вкусы и текстуры,
но и требуют разнообразия в зерне, овощах и фруктах.
Представьте себе будущее, в котором целый ряд микробов - от вирусов до
грибков - можно моментально диагностировать с помощью секвенирования ДНК.
Лесники, которые могут быстро проверять существующие деревья и растения на
наличие болезней, предотвратят новые вспышки заболеваний еще до того, как они
начнут распространяться. Проверка растений, семян и фруктов на наличие вред-
ных микробов и насекомых станет легким делом для самих экспортеров, а импор-
теры будут сами брать мазки и тестировать биологические товары. Что, если
торговля дикими животными - лягушками, саламандрами, рыбами, птицами - пре-
кратится, а вместо этого любители будут останавливать свой выбор на питомцах,
выращенных в неволе, и обязательно требовать сертификат, подтверждающий, что
они здоровы? Что, если мировая общественность признает: выпуск животных в ди-
кую природу из неволи, независимо от того, насколько благие намерения лежат в
его основе, часто приносит больше вреда, чем пользы? А если мы, путешествуя
по миру, будем задумываться о последствиях наших перемещений? Не повезем до-
мой фрукты, овощи и растения из другой страны, почистим грязные ботинки и са-
поги после прогулки по экзотической местности, а также сами пройдем проверку
на отсутствие заболеваний - что, если все это будет частью нашего настоящего?
Каждый из этих маленьких шагов можно рассматривать как воплощение надежды в
действии. Мы уже так много знаем об окружающем мире и том, как он устроен,
способны заботиться о нем, верить, действовать и поддерживать работу ученых и
политиков, которые предпринимают более масштабные шаги по его защите. Это лю-
ди, работающие над сохранением генетического разнообразия видов - от сельско-
хозяйственных культур до диких животных. Те, кто добивается принятия законов
для того, чтобы лучше защищать природу. Кто занимается выведением более ус-
тойчивых видов, несмотря на противодействие общественности, стремится понять
генетические и экологические основы выживания видов, чтобы однажды мы могли
обезопасить богатый природный мир от нас самих. К сожалению, именно мы явля-
емся прямой и косвенной причиной вымирания видов и разрушений, которые вызы-
вают грибы. Мы все: сосны, летучие мыши, лягушки и множество других видов -
живем в одной маленькой лодке, которая называется «Земля». И наш моральный
долг - остановить дальнейшее вымирание биоразнообразия планеты. Спасая дру-
гих, мы спасаем и себя.
Литпортал
РАССКАЗЫ И ПОВЕСТИ
ВИНСЕНТ ВАН ГОГ1
Гансовский С.
Нравится, да?.. Ну, правильно, конечно. Не просто нравится, а открывает ка-
кой-то другой мир, позволяет увидеть все вокруг свежими глазами. Материя жи-
вет, чувствуешь, как в ней кипят атомы и частицы. Предметы, явления раскрыва-
ют свою суть, все связывается со всем, начинают просвечивать грани иных изме-
рений. Не правда ли, один из первых живописцев Голландии не уступает тем ста-
ринным, вроде Рубенса или Ван Дейка. Я с ним, между прочим, был довольно хо-
рошо знаком. Встречался в разные периоды его жизни, нырял к нему, знаете ли,
из последнего десятилетия нашего XX в предпоследнее десятилетие XIX века. Вся
штука началась после того, как прошли эти Законы насчет путешествий во време-
ни, помните?.. Хотя откуда вам помнить, вы этого вообще не знаете.. Да вы са-
дитесь, садитесь вот здесь — на этот стул можно, он не музейный. Просто я его
приношу с собой, чтоб кто-нибудь мог отдохнуть.
Так о чем мы начали — о путешествиях во времени? Понимаете, когда политиче-
ские деятели сообразили, что прошлое лучше не ворошить, и отступились, в Ка-
меры, во Временные эти Петли, хлынул другой народ. Ученые, художники, коммер-
санты, вообще черт знает кто. Публика ринулась во все века, в самые отдален-
ные эры, вплоть до каменноугольного периода. Везде суетятся, путаются под но-
гами, лезут с советами. Запакостили всю историю, житья никому нет. Особенно
1 В сокращенном виде.
везде приелся тип всезнайки — бывают такие дурачки, которые, если смотрят в
кинотеатре детектив второй раз, никак не могут удержаться, чтоб не испортить
окружающим удовольствие, подсказывая, что дальше будет. Приходит, например, в
Италию 1455 года к великому Клаудио Мадеруцци этакий самодовольный дуб и со-
общает : так, видите ли, и так, умирать вам все равно в нищете. Клаудио, нату-
рально , расстроен, лепить, рисовать бросает. Пошел по кабакам — и на тебе,
итальянское Возрожденье уже не имеет Мадеруцци, а только одного Леонардо да
Винчи, который в прежнем-то варианте был названным братом Клаудио и с ним
вдвоем даже написал несколько картин... При этом не только прошлое стало
страдать, а и наш 1995 год, потому что сюда тоже зачастили из более отдален-
ных будущих. Только начнешь что-нибудь делать, тебе такого наговорят, что ру-
ки опускаются. И вот, когда всем уже стало невмоготу, собрались правительства
стран, имеющих Временную Петлю, установили связь с путешественниками из дру-
гих будущих веков и вынесли решение, чтоб все эти номера прекратить. Хочешь
смотреть прошлое, смотри, но не вмешивайся. Издали Временный Закон об Охране
Прошлого — пускать только таких, кто, хоть умри, не признается, что он из бу-
дущего , и тем более мешать никому не станет. Все эту конвенцию подписали, а
перед тем как разъехаться, сдернули некоторые самые вопиющие завитки. Вос-
становили, например, Колумба, потому что был уже такой вариант, когда совсем
не Колумб открыл Америку. К нему тоже, знаете, явился какой-то болван и с
планом в руках доказал, что, следуя через Атлантику на запад, в Индию тот не
попадет. «Ах, не попаду,— говорит тогда Колумб,— ну и пусть, не стану мучить-
ся» . В результате Америка так и осталась, и открыли ее только еще через сто
пятьдесят лет, когда просто стыдно было не открыть...
Что вы сказали, «Будущее уже существует»?.. Да, естественно, существует.
Вместе со всей суммой времен от первого мига в бесконечность. И прошлое и бу-
дущее — все существует одновременно и при этом каждое мгновенье меняется. Как
раз поэтому у нас нет настоящего, которое было бы статикой, неподвижностью.
Верно же, нету? Куда ни посмотришь, все либо уже прошлое, либо еще будущее...
Впрочем, это философские вопросы, в которые я забираться не стану. Вернемся к
тому, с чего мы начали, то есть к Винсенту Ван Гогу. Если хотите знать, толь-
ко благодаря мне вы и можете видеть тут в Лувре его произведения. Не пожалей
я в свое время этих картин...
Короче говоря, с 1995 года эти поездки поставили под строжайший контроль.
Каждый кандидат проходит двадцать всевозможных комиссий, представляет харак-
теристики о нравственной устойчивости, начиная чуть ли не с ясель. Да еще до-
кажи, что действительно надо, продемонстрируй, как будет достигнута полная
незатронутость. В Лондоне, например, целый год готовились, чтобы сделать ко-
ротеньким телефильм о Генрихе VIII, и им разрешили снять с воздуха пир рыца-
рей, только когда было доказано, что эти аристократы никогда не смотрели
вверх, в небо — бывают ведь такие люди, что с определенного возраста всю ос-
тальную жизнь уже никогда не поднимают голову, чтобы глянуть на облака, си-
неву или звезды. Таких, в общем, наставили рогаток, что пробиться никто не
мог, и эти Временные Петли чуть ли не постоянно бездействовали.
Но как вы знаете, закон на то и закон, чтоб его обходить. Свои подписи на
торжественном документе поставили полномочные представители нескольких госу-
дарств, но отнюдь не всякие там сторожа, техники и мелкие администраторы, ра-
ботающие при этих Камерах. Одним из таких техников оказался в 96 году некий
мой знакомый с детства. Подчеркиваю, именно знакомый, а не друг — друзей я в
ту пору вообще не заводил, потому что и один себя прекрасно чувствовал. Все
мое было при мне. Два метра росту, широкие плечи, острый взгляд и быстрая ре-
акция . Мне тогда как раз исполнилось двадцать пять. В небо я с младенчества
не смотрел, находя на земле все, что мне нравится. И вот однажды, под осень,
попадается мне возле Ипподрома этот Кабюс и сообщает, что работает при Вре-
менной Петле. Глаза у меня сразу загорелись, спрашиваю, неужели все-таки кто-
нибудь ездит потихонечку в прошлое. Он отвечает, что ездят, почему бы не ез-
дить, если с умом, но требуется большая затрата энергии, которую, чтоб в Ин-
ституте ничего не заметили, нужно покупать где-то на стороне и перекачивать.
Я выражаю согласие вложить капитал, и мы задумываемся, что же, собственно,
привезти из прошлого. Золото или там драгоценные камни отпадают, поскольку и
то и другое изготовляется синтетически. Остаются произведения искусства и, в
частности, произведения выдающихся художников. Начинаю наводить справки и уз-
наю, что один из самых ценимых живописцев минувшего столетья — Ван Гог. Иду в
Национальную библиотеку, поднимаю материал и убеждаюсь, что нескольких лет не
хватило бы, чтоб прочесть все о нем. Винсент Биллем Ван Гог родился в 1853
году, то есть почти за полтора века до нашего времени. Любил и был отвергнут.
Отдался искусству. Живя в нищете, написал около семисот картин. Измученный
бедностью и непризнанием, сошел с ума и в возрасте тридцати семи лет покончил
самоубийством, выстрелив себе в грудь. Слава пришла к нему только после смер-
ти, когда была опубликована его переписка с братом Теодором и другими людь-
ми. . . Ну что же, все это мне очень нравится — типичная биография для гения,
лучшего и желать нельзя. Для последней проверки отправляюсь в лучший худо-
жественный магазин в Париже на бульваре Сен-Мари. Останавливаю первого попав-
шегося сотрудника и говорю, что хотел бы предложить подлинник Ван Гога. В за-
ле сразу воцаряется тишина.
- Ван Гога?.. Подлинник?
- Да, именно.
Посетители смотрят на меня. Продавец просит обождать, уходит, возвращается
и предлагает пройти к владельцу салона. Поднимаюсь на антресоли. Лысый эле-
гантный господин здоровается, ставит на стол чашечку кофе. Он взволнован, но
старается этого не показать. Спрашивает, что у меня есть. Говорю, что рису-
нок. «Какой именно?» Да так, отвечаю, мелочь — пастух с овцами.
Винсент Ван Гог «Пастух с отарой овец», 1884.
Господин нажимает кнопку звонка, в кабинет входит согнутый старик с седыми
усами, как две сабли. Владелец салона вводит его в суть разговора, старик вы-
прямляется, усы вскакивают торчком. Какой пастух — палку он держит в правой
или левой руке? Что за местность кругом — деревья или голое поле? Темное ли
небо, и есть ли на заднем плане башня? Вижу, что передо мной их главный спе-
циалист по Ван Гогу. Отвечаю наобум, что пастух вообще без палки, нет ни по-
ля, ни деревьев, а небо не темное, не светлое, а серое с белой дыркой посре-
дине . Старик закусывает губу, нахмуривается, а затем начинает шпарить, как по
писанному дрентский период, рисунок задуман тогда-то, сделан тогда-то. Мне
все это неинтересно, я затыкаю фонтан, напрямик спрашиваю, сколько можно за
такую вещь получить. Элегантный господин думает, затем осторожно говорит, что
средне сохранившийся рисунок Ван Гога идет, мол, сейчас по одной, а хорошо
сохранившийся — по две тысячи ЕОЭнов при условии проверки на молекулярном
уровне. Чтоб было понятно, скажу, что, располагая в 1996 году сотней, напри-
мер, тысяч Единиц Организованной Энергии, вы могли воздвигнуть себе небольшой
индивидуальный остров в Средиземном море — даже в глубоком месте насыпать со-
ответствующее количество земли, насадить парк, построить дом и провести доро-
ги . . . Очень хорошо, очень приятно. На этом я удаляюсь, рассказываю все Кабю-
су, и мы решаем, что, если такое дело, надо брать из прошлого побольше. Я
предлагаю спуститься в Париж столетней давности, то есть в 1895 год, когда
художник уже умер, а его картины, пока еще ничего не стоящие, хранятся у вдо-
вы брата — Иоганны.
Начинаем готовиться. Кабюс берет у меня пятнадцать тысяч ЕОЭнов и добавляет
пять своих. Я приобретаю у нумизматов деньги той эпохи. Заказываю себе костюм
— мешковатые длинные брюки в полоску, пиджак без плеч, черный цилиндр с мяг-
кими, изгибающимися полями. Проходит две недели, приготовления закончены, по-
гожим вечерком мы отправляемся в Институт на Клиши. Сонному охраннику Кабюс
объясняет, что я приглашенный на ночь хроноспециалист. Коридоры, повороты,
коридоры, нигде ни души. Кабюс открывает своим ключом дверь во Временную Ка-
меру. Техника была такая: указатель ставится на нужный год, месяц, число и
час. Затем включение на полсекунды, чтоб бросить взгляд вокруг, еще одно, на
две секунды, для более детального осмотра, и окончательный перенос. Эти пред-
варительные включения начали практиковать после того, как одного знаменитого
палеонтолога перематериализовали за сто тысяч лет назад в каменный век прямо
перед разинутой пастью пещерного льва.
У меня все прошло нормально. Оглянулся один раз, огляделся другой, и вот я
уже в Париже 10 мая 1895 года в полдень воскресенья.
Забавная, скажу вам, штука — попадать в чужое время. Первое, что всегда по-
ражает, — тишина. Если взять город моей современности или, к примеру, вот
этой, 1970 года, то, несмотря на борьбу с шумом, дай бог услышать, что в двух
шагах от тебя делается. У нас ближние звуки забивают все дальние. А тут явст-
венно раздавались не только шаги прохожего неподалеку, но стук кареты за уг-
лом и даже слабенький звоночек конки квартала за три. Ну, потом, конечно, от-
сутствие автомобилей, чистое небо, свежий воздух, из-за чего создавалось впе-
чатление , будто все обитатели этого мира прохлаждаются на курорте.
Возник я тут же, на старом бульваре Клиши — собственно на том месте, где
была Камера. Ну и побрел — приличный молодой человек, хорошо одетый, с тро-
стью и большим саквояжем. Должен признаться, что меня одолевала странная, су-
масшедшая радость. С трудом сдерживался, чтоб не выкинуть какую-нибудь штуку
— разбить, скажем, стекло в витрине, перевернуть карету или дернуть за нос
разряженного щеголя, важно шествующего навстречу. Мой рост по сравнению с
другими прохожими делал меня просто гигантом, я чувствовал, что при любой вы-
ходке могу остаться безнаказанным. Тут ведь еще не слыхали о том, что стомет-
ровку можно пробегать за восемь с половиной, а в длину прыгать на девять и
восемь.
Посмеиваясь про себя, прошагал одной улочкой, другой, миновал небольшое
кладбище, подъехал одну остановку конкой, плутал некоторое время в переулках
и добрался до номера 8 по улице Донасьон.
Домик, крылечко, садик, клумбочки с цветами — все маленькое, игрушечное,
дробное, не такое, как в нашем или в вашем времени. Дергаю ручку проволочного
устройства со звоночком — тишина, только пчелы колдуют над желтыми лилиями.
Дергаю снова, внутри в домике какое-то шевеление, и на крыльцо, наконец, вы-
ходит женщина средних лет — глаза чуть навыкате, выражение лица испуганное.
За ней старушка служанка. Здороваюсь через забор и объясняю, что я иностра-
нец, слышал о произведениях Винсента Ван Гора, которые здесь хранятся, хотел
бы их посмотреть.
Хозяйка, эта самая Иоганна, несколько успокаивается. Старушонка отворяет
калитку, поднимаюсь на крыльцо. Дом состоит из трех комнаток. В первой что-то
вроде гостиной, вторая вся завалена папками и бумагами, третья, как я догады-
ваюсь , служит спальней для мадам и для служанки. Обстановочка в целом бедная.
Хозяйка спрашивает, от кого я слышал о картинах Винсента, я называю какие-то
вычитанные в справочниках и монографиях имена. Она удовлетворена, на лице по-
являются оживленье и даже сдержанная скромная радость. Ведет меня на второй
этаж в мезонин или, вернее сказать, на чердак. Темновато, тесно, и здесь на
грубых стеллажах расположены работы Винсента Ван Гора.
Подлинники.
Берусь их просматривать, и вдруг мною овладевает глубокое недоумение. Поче-
му он считается великим художником? В чем его гениальность? Понимаете, когда
я смотрел репродукции в роскошно изданных альбомах и читал всевозможные сла-
вословия , это было одно. Но теперь картины передо мной на чердаке, у меня
есть возможность увидеть их напрямую, а не через облагораживающую призму вре-
мени, и становится ясно, отчего ему удалось за всю жизнь продать только одно-
единственное произведение. На пейзажах деревья — двумя-тремя мазками, дома —
грубыми пятнами. Если он делает, например, огород, то не разберешь, что там
посажено — капуста или салат. Нигде нет отделки, этакой, знаете, старательно-
сти , повсюду поспешность, торопливость, небрежность. Впечатление, будто все,
что он видел, ему хотелось огрубить, исказить, искорежить. Я начинаю догады-
ваться, что слава большинства знаменитых художников, а может быть, и поэтов —
не столько их заслуга, сколько результат шумихи, которую позже поднимают вся-
кие критики и искусствоведы. Каждому из нас с детства попросту вколачивают в
голову, что, скажем, Шекспир и Микеланджело — это гении, а без такого вкола-
чивания мы бы их ни читать, ни смотреть не стали... Все это проносится у меня
в мыслях, но вида я, естественно, не подаю и говорю себе, что мое дело ма-
ленькое, раз за Ван Гога будут платить такие ЕОЭны.
Повертел в руках одну вещь, вторую, обращаюсь к хозяйке дома — служанка
торчит здесь же в дверях — и говорю, что мох1 бы купить, если не все, то хотя
бы главное. Холстов этак двести. Иоганна Ван Гор поднимает на меня свои блед-
ные глаза: «Купить?». Да, именно купить и заплатить наличными любую цену, ко-
торую она назначит. При этих словах вынимаю из кармана пачку тысячефранковых
билетов, развертывая их веером. И что же я получаю в ответ? Представьте себе,
что глаза выкатываются еще больше, увядшая дама склоняет голову и тихим, но
твердым голосом сообщает мне, что картины непродажные. Она, видите ли, увере-
на, что брат ее покойного мужа Винсент Ван Гор сделал очень много для искус-
ства, в будущем он должен принадлежать человечеству, и поэтому она не считает
себя вправе продать его произведения частному лицу. Она намерена издать его
переписку — та самая комната, заваленная бумагами,— и надеется, что после
этого люди поймут, каким прекрасным человеком и гениальным художником Винсент
был. Продать она ничего не может, но, поскольку мне нравятся его вещи, она
готова подарить несколько рисунков.
Я выслушиваю все это вежливо, притворяюсь, будто обиделся, и говорю, что
либо все, либо ничего.
Штука-то в том, что мной был учтен и этот вариант. За день до отъезда я за-
глянул к знакомому аптекарю и выудил у него особый пузырек, который в нашей
эпохе употреблялся для перевода диких зверей из одного заповедника в другой.
Вы надавливаете кнопку, задерживая при этом дыхание секунд на сорок, а все
живое в тридцатиметровом радиусе погружается в глубокий сон. Пожимаю плечами,
сую деньги в карман и нащупываю там пузырек. Обе женщины тотчас начинают зе-
вать, тереть глаза и через полминуты опускаются там, где стояли. Я же извле-
каю из саквояжа второй, поменьше и неторопливо принимаюсь отбирать картины.
Помню, что взял «Башню Нюэнен», «Подсолнухи», «Кафе в Арле» — около двух со-
тен холстов и картонов.
Ван Гор «Башня Нюэнен», 1885.
Винсент Ван Гог, «Ночное кафе в Арле», 1888.
Винсент ван Гог, «Подсолнухи», 1888.
Заглянул еще в комнату на втором этаже и прихватил две папки с письмами.
Набил, короче говоря, до отказа обе свои емкости, вышел, нанял карету и спо-
койненько доехал на бульвар Клиши. С Кабюсом мы договорились, что он выдернет
меня через сутки, для чего мне следовало быть в назначенное время на том же
самом месте, где я перематериализовался. Переночевал в маленьком отеле, к по-
лудню вышел на улицу, поднял повыше оба саквояжа. Секунды бегут на ручных ча-
сах, мгновенное небытие (нулевое состояние) — и я уже во Временной Камере, в
Институте нашего века, а все, только что происходившее, откатывается на сто
лет назад. Поворачивается ключ в замке, передо мной лисья мордочка Кабюса.
Тотчас замечаю, что мой приятель стал чуть поменьше ростом и еще длинноносее,
чем раньше.
Он оглядывает саквояжи.
— Привез?
— Привез. Почти что весь Ван Гог.
— Что за Ван Гог? Мы же договаривались насчет Паризо.
— Какой Паризо?
Не можем, одним словом, друг друга понять. Но спорить некогда, надо выно-
сить саквояжи из Института. Благополучно минуем охрану. Кабюса я завез домой,
сам еле дождался утра, беру несколько холстов и мчусь в тот художественный
салон. Поднимаюсь сразу наверх и говорю лысому владельцу, что могу предложить
Ван Гога. Тот поднимает брови.
— А кто это такой?
— Как кто?
Хозяин салона нажимает кнопку, появляется тот старикан с усами. Хозяин
спрашивает, знает ли он Ван Гога. Старикан заводит взор к потолку, мнется.
Да, действительно, был в прошлом веке такой малозначительный художник. О нем
есть упоминание в одном из писем Паризо.
Элегантный владелец салона смотрит на меня.
— Послушайте, вы же у нас были две недели назад и обещали принести подлин-
ный рисунок Паризо.
— Я?.. Паризо?..
— Ну, конечно. «Качающиеся фонари в порту».
Бегу в библиотеку, принимаюсь листать справочники по искусству. Нигде нет
даже упоминания о Ван Гоге, ни единой строчки, но зато повсюду красуется Па-
ризо.
Думаю, вы уже догадались, в чем дело. С нами сыграл шутку этот самый «эф-
фект Временной Петли», о котором мы с Кабюсом и представленья не имели. Пони-
маете, что получилось с этими Петлями. Первыми возможность путешествовать по
времени открыли французы в 1994 году. Потом последовали Советский Союз, Кана-
да, совместный итало-американский проект и так далее. Знаете, как бывает —
наука подошла к определенному барьеру, топчутся, топчутся, а затем начинают
брать все подряд. В разных местах построили шесть Петель, откуда можно было
прыгать в прошлое. Тут же выяснилось, что прошлое влияет на настоящее, и
этим, как положено, сразу воспользовались политики. Прикинули, что у каждого
неприятного современного происшествия есть корни во вчерашнем дне, и если
корни подрезать, не будет и самого происшествия. Вспомнить хотя бы войну меж-
ду Бразилией и Аргентиной в 1969 году. Бразильцы на заставе, в глуши, возле
Игуасу, праздновали день рожденья какого-то там капрала. Заложили за ворот-
ник, начали салютовать из автоматов. На другой стороне подумали, что их об-
стреливают , дали ответный огонь. Бразильцы спьяну бросаются вперед, завязыва-
ется схватка — народ-то, знаете, горячий, эти латиноамериканцы, питаются чуть
ли не одним перцем. Бразилия захватывает три километра аргентинской террито-
рии, натыкается на летний лагерь танкистов. Те тоже рады случаю размяться,
наносят контрудар и вторгаются к соседям на сорок километров. Срочное заседа-
ние Президентского Совета Бразилии, внеочередная сессия аргентинского Народ-
ного Собрания. Пока в Женеве раскачиваются и создают комиссию, бразильские
«боинги» совершают налет на Буэнос-Айрес, а аргентинский воздушный флот сыпет
бомбы на Рио-де-Жанейро. Обе столицы в пожарах, на улицах трупы и скрученные
трамвайные рельсы. Франция вступается за Бразилию, США. автоматически начинают
интриговать за Аргентину. Конфликт принимает глобальный характер, а началось-
то с пустяков. Для нашего 1995 года все это было уже глубокой историей, но
только что построили эти Временные Петли и подумали, отчего бы не облегчить
людям жизнь там, в прошлом. Отрядили специального человека еще на двадцать
лет назад раньше, то есть в 1949 год. Он приезжает в Рио-де-Жанейро, разыски-
вает будущую мать злополучного капрала — ее зовут Эстрелья, она с будущим от-
цом еще не знакома. Посланец нашего времени берет девушку из кафе, где она
моет посуду, и устраивает стюардессой на авиалинию Рио-де-Жанейро — Осло. В
норвежском порту красавица-бразильянка заходит в буфет, ей на ногу наступает
неуклюжий белобрысый таможенник Гануссон. Любовь с первого взгляда, домик в
Арендаль-фьорде, пятеро детишек, все безумно счастливы...
Что вы сказали? «Не было никакой войны между Аргентиной и Бразилией в про-
шлом году»... Ну, естественно, не было — я же вам объясняю, почему. Просто не
родился тот капрал, а раз так — не праздновали дня рожденья со всеми вытекаю-
щими последствиями. Осуществился другой альтернативный вариант будущего. Сна-
чала был тот, с войной, а когда слазили назад и переделали, реальностью стал
другой. С этими вариантами очень интересно. Понимаете, любое изменение в про-
шлом вызывает новую последовательность событий, и сеть изменений тотчас рас-
пространяется по всей линии времен вплоть до момента, с которого вы совершали
прыжок в прошлое. Вся история мгновенно в нулевое время перестраивается, а
людям кажется, что всегда так и было. Вот это, кстати, самое главное. Именно
людям кажется, но не человеку, который сам путешествовал и помнит прежнюю си-
туацию.
Возьмем ту же войну 1969 года. Некто ездил в прошлое, хлопотал там, а когда
вернулся, вся история с пограничным инцидентом, вызвавшим всемирный конфликт,
любому здравомыслящему человеку представляется совершенно невероятной. «Какой
капрал? — толкуют нашему страдальцу. — Никакого капрала не было, и вообще эта
граница всегда славилась превосходными отношениями».
В результате таких вот номеров политические деятели поняли, что всякий вме-
шивающийся в прошлое обязательно попадает впросак. Они отдали тогда простым
гражданам возможность путешествовать в другие века, а потом уже началась та
заваруха, после которой прошел Закон об Охране Прошлого. Но теперь представь-
те себе, что мы-то об этом не знали, как и подавляющее большинство населения
Земли. Планета жила себе и жила, варианты сменялись, а человечеству всякий
раз казалось, что всегда так и было. Вот что лично я знал к этому моменту о
Временных Петлях? Ну, читал, естественно, в газетах, что они созданы, видел
по телевизору несколько коротеньких, из-за угла снятых фильмов — «Пир Генриха
VIII», «Лагерь Спартака» и в таком духе.
Будь мы с Кабюсом поумнее, нам следовало бы прикинуть, что, если я извлеку
из прошлого какие-то картины Ван Гога, они соответственно исчезнут в нашем
настоящем из музеев и частных собраний. Но мы даже как-то и не задумались —
ему двадцать девять лет, мне еще на четыре года меньше. Ажиотаж, воспаленное
воображение, чудятся миллионы и даже миллиарды ЕОЭнов.
А последовательность событий в результате моей дурацкой эскапады получилась
такая. Я, можно сказать, изъял Ван Гога из обращения. Унес основной фонд его
картин, да еще прихватил значительную часть писем. Поэтому вдова брата не
смогла ничего издать, и Винсент Ван Гог практически вычеркнулся из истории
искусства. Позже, на рубеже XIX и XX веков возник другой талант примерно того
же направления — Паризо. Когда изменения по сети времен дошли до нашей эпохи,
родился я, встретился с Кабюсом, стал наводить справки о живописцах, узнал о
Вальтере Паризо и именно его захотел вынести из прошлого. Поэтому Кабюс, ко-
гда я вышел ночью из Временной Петли, и сказал, что речь у нас шла о Паризо.
Но что же в итоге? На руках у меня два саквояжа с картинами Ван Гога, но я
же и являюсь единственным во всей Вселенной существом, которое знает, что та-
кой художник вообще есть. Подумал я, подумал и решил сдернуть завиток. Истра-
ченных на путешествие ЕОЭнов это не возвращало...
«Сдернуть завиток».. — Ах, да! Я же вам не объяснил. Дело в том, что сразу
после создания Временных Камер выявилась возможность исправлять наиболее не-
удачные шаги. Этот маневр назвали «снять Петлю» или, попроще, «сдернуть зави-
ток». Допустим, вы побывали в XV веке либо в V, а вынырнув в XX, убеждаетесь,
что последствия вашего путешествия выглядят уже слишком непривычно. Тогда на-
до влезть еще раз в Камеру, повторно поставить указатель на тот же момент и
тут же шагнуть обратно, не предпринимая ничего. В этом случае все возвращает-
ся на свои места, будто вы и не путешествовали. Правда, указатель никогда не
встает точно, и поэтому разные мелкие изменения все же могут прорываться,..
Что?.. Колумб?.. Как узнали, что в основном варианте был Колумб? Да просто
потому, что не один тот болван находился в это время в прошлом, а еще доволь-
но много народу. Их не затронули изменения, они, когда повозвращались, и под-
няли скандал. Вообще, конечно, не все удалось восстановить в прежнем виде.
Очень может быть, что тот вариант прошлого, результатом которого мы сами яв-
ляемся , вовсе не первоначальный. Про Клаудио Мадеруцци я вам уже рассказывал.
Беда в том, что в таких случаях нужно посылать того же человека в тот же мо-
мент . Но олух, который предсказал Мадеруцци его печальный конец, погиб на
третий день после того, как вернулся в нашу эпоху. Поехал развлекаться в Еги-
пет и там на персональном самолете врезался в пирамиду Хеопса — западную сто-
рону потом несколько дней отскребали от гари, образовавшейся при взрыве. Ду-
маю, что Клаудио, скорее всего, не одинок в своем несчастье. Наверняка таким
же образом для нас пропало еще много художников, ученых, изобретателей. Но
зато, пожалуй, появилось и много новых.
Вернемся, однако, к Ван Гору, то есть к нам. Проникли мы опять ночью в Ин-
ститут — оба саквояжа я принес с собой — и сдернули Петлю. Наутро я опять по-
бежал в библиотеку и убедился, что все в порядке. Ван Гог восстановился, каж-
дая энциклопедия уделяет ему не меньше полстраницы, статей и даже монографий
просто не сосчитать. А беднягу Паризо как корова языком слизнула. Посовето-
вался с Кабюсом и пришел к выводу, что не надо роняться сразу за всем, а луч-
ше привезти одну, но достаточно ценную вещь. Остановился на «Едоках картофе-
ля» , которая в нашем времени оценивалась в целых двести тысяч. Ход моих рас-
суждений был таков. Я опускаюсь в прошлое, приобретаю у художника первую из
его крупных картин и об этом он, несомненно, сообщит брату как о замечатель-
ном успехе. В нашей современности произведение, само собой разумеется, мгно-
венно исчезнет не только из галереи, где сейчас находится, но изо всех альбо-
мов и книг с репродукциями. Однако в истории искусства оно остается как утра-
ченное. Его будут упоминать все исследователи, сожалеть, что оно было кем-то
куплено и с той поры пропало. Я же, вернувшись в наш век, сочиню сказку, буд-
то нашел «Едоков» на старом чердаке в доме дальних родственников.
Ван Гог «Едоки картофеля», 1885.
Кабюс возражать не стал, он взял у меня еще пятнадцать тысяч, сложил их со
своими, чтобы в течение ближайших недель создать избыток в энергетическом ре-
зервуаре Института, а я уселся поплотнее за изучение материала. Приобрел одно
из последних изданий «Писем Ван Гога» и убедился, что с «Едоками картофеля»
все должно кончиться хорошо. С точки зрения биографии художника это был один
из наиболее тяжких периодов. За плечами Ван Гога осталось уже тридцать лет
прожитой жизни, за которые он ничего не добился. У него, вполне взрослого
мужчины, нет ни семьи, ни женщины, ни друзей, ни своего угла и вообще никакой
собственности. Он пробовал стать продавцом в художественном магазине, но его
выгнали, пытался сделаться священником, но католический капитул маленького
шахтерского городка Боринаж пришел в ужас, услышав его проповеди. Девушка,
его первая любовь, переехала в другой город, как только он признался ей. Об-
щество заклеймило его в качестве ничтожества и неудачника. Родные стыдились
его, старались держать подальше от себя. 1883 год застает Ван Гога в малень-
ком местечке Хогевен, на севере страны, где он решает полностью отдаться ис-
кусству и научиться писать. В письмах к Теодору он, подавляя свою гордость,
просит оказать ему хоть чуть-чуть доверия, дать хотя бы капельку теплоты. Он
выкраивает на краски и бумагу из тех сумм, что брат посылает ему на хлеб. Но
при этом же он нередко становится в позу судьи и посвящает целые страницы су-
ровой критике современной ему живописи.
Я даже увлекся этими письмами, что-то в них билось суровое и величествен-
ное.
В своих посланиях к брату и к художнику Раппарду Винсент подробно рассказы-
вает о своем замысле, об эскизах, о начале работы и о ее конце. По книге по-
лучалось, что он закончил вещь в марте 1883 года2, а 6-го апреля послал ее
Теодору в Париж. Значит, мне нужно было явиться к нему числа 3-го или 4-го,
чтобы застать картину высохшей и транспортабельной.
Перематериализовался в 1883 год я опять в Париже, на той же улице Клиши,
сразу пошел на вокзал, поездом до Утрехта, оттуда на Меппель, каналом на
Зюйдвальде, почтовой каретой до городишки Амстельланд и оттуда пешком до Хо-
гевена. Мне потребовалось около трех суток, чтобы преодолеть пятьсот пятьде-
сят километров, и скажу вам, то были нелегкие километры. Поезд еле тянется,
маленькие вагончики дребезжат и стонут, на пароходе в каюте не повернешься, в
карету я вообще еле влезал. Повсюду мухи, а когда они отступают, за тебя без
передышки берутся клопы и блохи. Весна в тот год запоздала по всей Европе. В
своем времени я приготовил пальто соответствующей эпохи, но в последний мо-
мент посчитал его слишком тяжелым, в результате на солнце мне все равно было
жарко, а как только оно заходило, становилось холодно. И в другом смысле эпо-
ха столетней давности отнюдь не показалась мне курортом. В Париже 1895 года
народ праздно шатался, но, как я потом сообразил, это объяснялось воскресным
днем и тем, что я попал как раз на улицы, заселенные чиновниками. Теперь же
стало ясно, что люди работают, да еще как вкалывают. И все руками. Метельщик
метет, пахарь пашет, землекоп копает, ткач ткет, кочегар без отдыха шурует,
повсюду моют, стирают, выколачивают. Встают с восходом, ложатся с закатом, и
постоянно в хлопотах, в непрерывном движении, четырнадцать часов работы счи-
тается еще немного. Это в наше время трудиться означает трудиться головой. А
там чуть ли не все на мускульной силе человека. Куда ни глянешь, руки так и
ходят.
Добрался я до Амстельланда ближе к вечеру, отсюда до Хогевена оставалось
около трех километров. Я рассчитывал, что схожу к Ван Гогу, куплю картину и
как раз успею на обратную ночную почтовую карету.
Местность была довольно унылая, одноцветная. Равнина, болота, изгороди и
больше, собственно, ничего.
Дошагал до места, навожу справки о «господине, который рисует», мне показы-
вают какой-то курятник на самой окраине. Стучусь, предлагают войти. Вхожу и
сразу говорю себе, что больше трех минут я в этой яме не вы держу. Духота,
натоплено углем, сырость, грязь, копоть. Такое впечатление, что тут и одному
не поместиться как следует, однако, в комнате целых шестеро. Старик, который
курит вонючую трубку, женщина с младенцем — его она держит одной рукой, а
другой умудряется тереть что-то в деревянном корыте. Старуха на постели, у
стола мужчина, который медлительно прожевывает что-то, и рыженький подросток
— сидит чуть поодаль от других и смотрит в окошко. Сидит на краешке скамьи,
неестественно выпрямившись, как человек, который здесь временно, который, по-
жалуй , везде временно. И все это не столько освещено, сколько замутнено и
2 «Едоки картофеля» Ван Гог написал в апреле 1885 года в нидерландском селении Ню-
энен.
отуманено желтым огоньком керосиновой лампочки, подвешенной под низким черным
потолком.
Глаза поворачиваются ко мне, только мужчина за столом не поднимает от миски
тупого равнодушного взора. Спрашиваю, нельзя ли увидеть господина Ван Гора.
Минутное замешательство, подросток встает. Повторяю с раздражением, что мне
нужен художник Ван Гор . Все смотрят на меня недоуменно, молчание, подросток
делает неловкий жест, и вдруг я вижу, что это не подросток, а взрослый. У не-
го рыжая бородка, острые скулы, выпуклый широкий лоб с большими залысинами и
редкие, зачесанные назад волосы. Черты лица очень определенные, резко очер-
ченные. На мой взгляд, ему не тридцать, а все сорок пять лет, только малень-
кий рост, нелепая короткая курточка и какая-то напряженная выпрямленность в
осанке делают его похожим на мальчишку.
— Я Ван Гог,— говорит он и слегка кланяется.
Здороваюсь, отрекомендовываю себя вымышленным именем.
Он еще раз сдержанно кланяется.
Оглядываюсь, положение какое-то нелепое. Я торчу посреди комнаты в неудоб-
ной позе, не имея возможности выпрямиться, так как потолок слишком низок. Не-
понятно, здесь заводить разговор или выйти на улицу, где уже начинает тем-
неть .
Ван Гог молчит, и остальные тоже.
Откашливаюсь, говорю, что хотел бы посмотреть его рисунки и, возможно, при-
обрести что-нибудь.
Ах, рисунки! Лицо Ван Гога мгновенно светлеет, оно по юношески заливается
краской.
Что же, пожалуйста, с удовольствием! Он очень рад и польщен.
Поспешно делает два шага в сторону, нагибается, лезет под старухину по-
стель , выныривает оттуда с ворохом бумаги и картонов. Выпрямляется, но все
это негде даже разложить, и он остается стоять так, глядя не на хозяев, а на
меня.
Мужчина за столом неторопливо отправляет в рот ложку, встает, ставит миску
на подоконник. Что-то говорит старику. Вдвоем подходят к старухе, она с тру-
дом спускает ноги с постели. Старик накидывает ей на плечи платок, и все трое
выходят вон. Женщина скидывает с себя передник, положив ребенка на скамью,
споласкивает руки тут же в корыте, тряпочкой протирает стол, прибавляет света
в лампе, берет ребенка и садится с ним у печки. Все молча и быстро.
Территория освобождена, Ван Гог кладет свой ворох на стол. Он все еще не
предлагает мне сесть, смотрит на женщину. Та, будто почувствовав его взгляд,
поворачивается к нам, том же тряпочкой протирает табурет и подталкивает к
столу.
Сажусь, наконец, и Ван Гог принимается показывать рисунки. Он совсем пере-
менился, напряженность исчезла, голубые глаза уже не так суровы, лицо озаре-
но .
Рисунки выполнены главным образом тушью, некоторые на тонированной бумаге,
но больше на простой. Многие я довольно хорошо знаю: «Девочка среди деревь-
ев», «Рыбаки, встречающие барку», «Хогевенский сад зимой». Я вспоминаю, что
поскольку «Хогевенский сад» выполнен в двух вариантах, один из которых через
сто лет окажется в Будапештском Музее изящных искусств, а другой в Нью-Йорке,
между специалистами из обоих городов разгорится ожесточенный спор относитель-
но того, какой вариант знаменитого рисунка является первым. Но до этого про-
течет еще десять десятилетий, а пока художник, голодный и тощий, суетится у
стола и тревожно, робко заглядывает мне в глаза, стараясь понять, нравится ли
хоть что-нибудь.
Он начинает говорить, задает вопросы, но не дожидается ответов. Его несет,
это фонтан, гейзер, лавина.
Винсент Ван Гог, «Девочка в лесу», 1882.
Винсент Ван Гог, «Вид на море в Схевенингене», 1882
*^&-
Винсент Ван Гог, «Сад у дома приходского священника в снегу, Нюэнен».
Люблю ли я рисунки вообще?.. Лично он считает, что рисунок — основа всякой
живописи, хоть масляной, хоть акварельной. Только рисунок дает свободу в ов-
ладении перспективой и пространством, причем эта свобода оплачивается сравни-
тельно низкой ценой, так как тушь и бумага стоят не так уж дорого, если гово-
рить о материальной стороне, в то время как даже за акварельные краски нужно
платить бешеные деньги. Он решил сначала набить руку на рисунке и не раскаи-
вается. Ему почти не пришлось учиться, он только недолго ходил в мастерскую
Антона Мауве в Гааге. . . кстати, от кого я вообще услышал о нем и как нашел
дорогу сюда в Хогевен? Если от Мауве или тем более от Терстеха, то не надо с
полным доверием относиться к тому, что они сказали о нем. Терстех считает,
будто он ленится работать с гипсами, изучать художников-академиков и вообще
рисует слишком быстро. Но что касается изучения человеческого тела по гипсам,
он вообще не верит в это. Фигура крестьянина, который выкапывает репу из-под
снега, не обладает и не будет обладать классическими пропорциями. К таким ве-
щам нельзя подходить с салонной точки зрения, а надо набраться мужества и пе-
редать тяжесть труда, который не передашь, если сам не будешь вылезать из ма-
стерской, не потащишь свой мольберт на пустошь, не пройдешь десятка километ-
ров до подходящего места. Он так и делает и не может поэтому согласиться с
тем, будто ищет легкий путь. За каждым из его завершенных рисунков стоят де-
сятки эскизов, причем сделанных не только в комнате, а на поле, в болоте и на
лугу, когда пальцы мерзнут и с трудом держат карандаш. Он старается не только
изобразить пейзаж верно, но передать настроение. Вот, скажем, этот «Сад в Хо-
гевене». Может быть, здесь есть недостатки, он сам отлично понимает, что это
не совершенство, но с его точки зрения в голых деревьях уловлен какой-то дра-
матизм и выражено чувство, которое овладевает человеком, когда он на голодный
желудок, как всякий крестьянин, должен выйти и приняться за окапывание яблонь
в дождь и ветер. Сейчас в моде итальянские акварельки с голубым небом и живо-
писными нищими — все сладкое, сахарное, приятное. Но он предпочитает рисовать
то, что видит, то, что вызывает у него скорбь, любовь, восхищенье и жалость,
а не такое, что понравилось бы торговцу картинами. Если хочешь изобразить ни-
щего , то нищета и должна быть на первом плане, а не живописность.
Понимаете, он обрушил на меня все это, не позволяя вставить слова. Одинокий
в этой деревне, где ему не с кем было даже перемолвиться, он теперь говорил,
говорил и говорил, совершенно забывшись.
Топилась печка, коптила лампа, поднимались испарения. Голова у меня начала
кружиться, я чувствовал, что могу просто свалиться тут же под стол. Надо было
все прекращать, я спросил, нет ли у него чего-нибудь, сделанного маслом.
Ах, маслом! Да, конечно! На лице его мелькнул легкий испуг, он понял, что
рисунки не понравились. Проворно сунул их под кровать, извлек откуда-то из-за
сундука возле окна груду холстов и картонов. Тут было три пейзажа, но эскиз-
ных , две марины, несколько портретов.
И снова принялся объяснять. Пусть мне не покажется, что вот в этом пейзаже
неестественный свет. Это говорит привычка видеть картины, сделанные в мастер-
ской. Большинство современных художников, не таких прекрасных, как Милле, Ко-
ро или, скажем, Мауве (он восхищается Мауве, хотя они и разошлись), а средних
живописцев — очень любит свет, однако не живой, не настоящий, не тот, что
можно увидеть утром, днем или ночью среди полей или, в крайнем случае, среди
улицы. Большинство художников пишут в мастерской, и поэтому свет у них одина-
ковый, холодно металлический. Ведь в мастерской можно работать только с 11 до
3 часов, а это как раз самое пустое в смысле света время суток. Респектабель-
ное, но лишенное характера и апатичное. Он же старается работать непо-
средственно с натуры. У него, правда, нет мастерской, но будь она, он посту-
пил бы так же.
Я жестом отверг пейзажи, и он перешел к портретам.
— Видите, — говорил он, — у нас часто пишут человеческое лицо так, что
краски, положенные на полотне, имеют примерно тот же цвет, что и тело. Корда
смотришь с близкого расстояния, получается правильно. Но если отойти немного,
лица делаются томительно плоскими. Я же работаю так, что вблизи это кажется
несколько неестественным — зеленовато-красный цвет, желтовато-серый или вооб-
ще не поддающийся определению. Но вот отойдите сейчас немножко в сторону, и
вы почувствуете верность, независимость от краски, воздух в картине и вибри-
рующий свет. Вот встаньте, пожалуйста.
Я встал, совершенно замороченный, и стукнулся башкой об потолок, Причем до-
вольно здорово.
Ван Гог забегал вокруг меня, извиняясь.
— Ну, хорошо, — сказал я, потирая ушибленное место,— а нет ли у вас чего-
нибудь поновее?
Странным образом этот удар меня подбодрил.
— Дайте мне какую-нибудь композицию. Покажите самое последнее.
Он задумался на миг.
— Да-да, сейчас. — Слазил снова под кровать и выпрямился с большим пакетом
в руках. — Вот это. Я собирался завтра послать ее брату в Париж.— Он стал
развертывать пакет, развернул и трепетно уставился на меня.
«Едоки картофеля», как всем известно, изображают просто едоков картофеля и
больше ничего. По тем своим временам я вообще не мог понять, зачем рисуются
такие вещи. Другое дело, когда художник воссоздает на полотне хорошенькую
брюнеточку либо блондинку — обнаженные плечики, грудь, полуприкрытая круже-
вом. Хорошо, если она при этом призывно смотрит на зрителя или, наоборот,
опустила глазки и загораживает грудь пухлой ручкой — таковы были мои тогдаш-
ние требования к классическому искусству, если не говорить об искусстве рек-
ламы, где сюжету следует быть гораздо острее и обнаженнее. Здесь же на полот-
не было семейство крестьян, собравшихся вокруг блюда с картошкой. Они едят
сосредоточенно, истово, ощущаются молчание и тишина. Лица грубые, усталые,
руки тяжелые и корявые. Фон сделан почему-то синим, лица картофельного оттен-
ка , а руки у персонажей коричневые.
Ван Гог заметил тень неудовольствия, скользнувшую по моей физиономии.
— Понимаете, мне кажется, вещь сделана правдиво. Картина из крестьянской
жизни не должна быть надушенной, верно ведь? Я хотел показать, что люди едят
свою пищу теми же руками, которыми они трудились на поле, и таким образом че-
стно заработали свой хлеб. Цвет лиц может показаться вам неестественным,
но. . .
Я поднял руку, прерывая его, сказал, что сам все это вижу. Картина мне нра-
вится, и я готов был бы приобрести ее для своей коллекции.
Имейте в виду, что это была первая его работа, которую кто-то соглашался
взять, хотя за его спиной было уже около двухсот тщательных рисунков и два-
дцать картин маслом. На миг Ван Гог стал бездыханным, потом тихо переспросил:
— Купить? Для вашей коллекции? Я кивнул.
— Сколько вы за нее назначите?
У него даже задрожали руки, он мучительно нахмурил брови и стал прохажи-
ваться у стола, делая по два шага в одну и в другую сторону. Он смотрел в
пол, долго что-то высчитывал, шепча про себя, потом поднял голову.
— По-моему,— начал он осторожно,— сто двадцать пять гульденов было бы недо-
рого.
Или двести пятьдесят франков.
— Двести пятьдесят?
— Да. . . Видите ли, я считаю так. — Он заторопился, объясняя. — На работу
затрачено примерно месяц, если говорить только о самом полотне. Чтобы месяц
существовать, мне нужна примерно половина этой суммы. Остальное — холст и
краски. Вы, может быть, думаете, что тут нету наиболее дорогих. Но дело в
том, что этот серый цвет составлен...
— Отлично, — сказал я и поднялся, на сей раз втянув голову в плечи и опас-
ливо посмотрев на потолок. — Я плачу вам тысячу франков.
— Сколько?
— Тысячу франков.
И тут мы вдруг1 услышали какое-то шевеление возле окна, а затем отчаянный
голос.
— Нет! Так нельзя!
Мы оба оглянулись. Женщина, о которой я совсем забыл, стояла выпрямившись,
— ребенок рядом на постели — и глаза у нее сверкали гневом.
— Тысячу франков? Никогда!
Вы понимаете, в чем дело. Эти крестьяне зарабатывали всей семьей франков
пятьдесят в месяц — вряд ли больше. Главным для них были хлеб, одежда и топ-
ливо; Ван Гог же, который не производил ни того, ни другого, ни третьего, ка-
зался здесь просто бездельником. Его занятие представлялось им сплошным отды-
хом — ведь карандаш много легче лопаты, которой они ворочали по десять часов
ежедневно. Женщина была просто оскорблена.
Впрочем, собственная выходка ее уже смутила. Она побледнела, схватила ре-
бенка и, отвернувшись от нас, принялась нервно его подкидывать, хотя он и так
спал.
Интересно, что и Ван Гог был ошарашен. Он покачал головой.
— Нет-нет. Это слишком. Сто двадцать пять гульденов будет довольно.
— Но я хочу заплатить вам тысячу франков. Вот, пожалуйста.
Я вынул из кармана тысячефранковый билет, положил его на стол. Однако ху-
дожник отшатнулся от него, как от гремучей змеи.
Черт побери, опять непредвиденная трудность! Идиотизм положения состоял в
том, что у меня было с собой только несколько десятков тысячефранковых биле-
тов и не стоящая упоминания мелочь в голландских гульденах. В Париже нашего
времени мне и в голову не пришло, что он спросит так мало. Деньги в Европе
конца прошлого столетия были очень дороги, и я прекрасно представлял себе,
что сейчас в Хогевене никто не сможет разменять такой кредитки.
Я попытался сунуть билет ему в руку, но он оттолкнул его, говоря, что кар-
тина, мол, того не стоит, и он не позволит себе обманывать меня.
«Не стоит» — представляете себе! Для меня она стоила больше, чем в его вре-
мени можно было бы выручить и за этот домишко, и за весь жалкий городок! Она
стоила больше организованной энергии, чем было заключено человеческого труда
в целой этой провинции Дренте со всеми ее железными дорогами, торфяными боло-
тами , строениями, каналами и полями. «Он не хочет обманывать меня!». Хотел бы
я доказать ему, что получу не в сто раз больше, чем затрачиваю, не в тысячу,
даже не в миллион. Что на деньги, вырученные за «Едоков», мы с Кабюсом приоб-
ретем сады, воздвигнем дворцы и вообще получим возможности, какие никому и не
снились в его глухую, нищенскую эпоху. Но заведи я такую речь, меня бы сочли
сумасшедшим.
Четверть часа я потратил, уговаривая его, и в отчаянии свалился на свое си-
денье .
— Что же делать?
Тогда он предложил сходить в городишко Цвелоо, где есть ссудная касса и где
даже ночью нам смогут разменять билет. До Цвелоо считалось миль девять, как
он сказал, и я понял, что уже не успею обратно в Амстельланд на почтовую ка-
рету до канала. А это значило, что весь обратный путь до Парижа придется про-
делывать в ужасающей спешке.
Но выхода не было, и мы пошли. На дворе стоял довольно ощутимый холод. Ван
Гог накинул мне на плечи свою куртку, говоря, что привык мерзнуть и что ему
ничего не станется.
Надолго мне запомнилась эта прогулка
Когда мы вышли, над горизонтом как раз появился молодой месяц. Около кило-
метра мы шагали аллеей с высокими тополями, потом по обе стороны дороги рас-
кинулась равнина, кое-где прерываемая треугольными силуэтами хижин, сложенных
из дерна, — сквозь маленькое окошко обычно виден был красноватый отсвет оча-
га. В лужах на дороге отражались небо и луна, через некоторое время справа
простерлось чернее болото, уходящее в бесконечность. Пейзаж весьма монотон-
ный, чтоб не сказать тоскливый, но Ван Гор находил в нем всяческие красоты,
на которые указывал мне.
Он был очень воодушевлен своим первым в жизни успехом. Покончив с красота-
ми, он принялся рассказывать с крестьянах, у которых снимает угол, и поведал
мне, что эти люди, хотя необразованны, но добры, тактичны и по-своему благо-
родны. Очень он хвалил старуху — мать молодой женщины, рассказал, что еще со-
всем недавно она работала наравне с другими в поле и только в самое последнее
время ее свалила воспалившаяся грыжа. Операция у амстельландского врача, по
его словам, стоила целых двести франков, а у старухи было накоплено только
пятьдесят, которые она намеревалась оставить после себя на похороны.
Мы шагали и шагали, он заговорил о том, что лишь у шахтеров в Боринаже и
здесь у крестьян встретил по-настоящему человеческое отношение к себе — так,
например, старуха в отсутствие молодых дала ему однажды миску молока. Да и
другие члены семьи вовсе не мешают ему работать, хотя и не понимают смысла и
цели его занятий. Дом в полном его распоряжении — если б не малые его разме-
ры, он представлял бы собой превосходную мастерскую.
Разделавшись со своим настоящим, Ван Гог перешел к прошлому. Общество так
называемых порядочных людей отвергло его. Его презирают и говорят, будто он
дерзок, скандален, неуживчив и сам добивается одиночества. Ему вменяют в ви-
ну, что он всегда отстаивает собственную точку зрения, даже то, что, когда
какой-нибудь важный господин подает ему, здороваясь не всю руку, а только па-
лец, он, Ван Гог, в ответ поступает так же, забывая о разнице в общественном
положении. Даже здесь его не оставляют в покое. Вскоре после приезда местный
священник посоветовал ему меньше общаться с людьми, как он выразился, «низше-
го круга», а когда он, Ван Гог, не послушался, тот запретил прихожанам пози-
ровать для рисунков и картин.
Он говорил, говорил — опять у меня стало мешаться в голове от этого непре-
рывного потока.
Вдруг он замолчал довольно долго шагал, не произнося ни слова; затем оста-
новился, взял меня за руку и посморел мне в глаза.
— Вы знаете,— сказал он тихо и проникновенно, — сегодня был тяжелый день. В
такие дни хочется пойти навестить друга или позвать его к себе домой. Но если
тебе некуда пойти, и никто к тебе не придет, тебя охватывает чувство пустоты
и безнадежности. Вы добрый человек, вы благородный человек. Если даже нам не
придется увидеться в жизни, я всегда буду помнить о вас, в трудные мгновенья
повторять себе: «Я хотел бы быть таким, как он».
С этими словами мы двинулись дальше.
Тем временем километр за километром оставались позади, а Цвелоо все не было
видно. Когда мы только выбрались из духоты крестьянского дома на свежий воз-
дух, я глубоко вздохнул несколько раз, прочистил легкие и опять почувствовал
себя крепким, готовым на все. Снова каждый тренированный мускул играл, при
каждом шаге оставался неизрасходованный запас энергии, и я даже сдерживал се-
бя, чтоб не обогнать низкорослого спутника.
Из-за нереальности этой ситуации — я в XIX веке ночью, в степи — мне дела-
лось смешно. Думалось о том, что вот я шествую рядом с Ван Гогом, которому
суждено позже стать гением и всякое такое. А вместе с тем он маленький и хи-
лый, я же большой, сильный, ловкий. Захоти я пихнуть его как следует, никто в
мире не помешает мне, он отлетит, пожалуй, шагов на десять.
Но эта чертова дорога оказалась не такой уж легкой. Понимаете, одно дело,
когда ты пробегаешь стометровку по специальной эстроновой дорожке в комфорта-
бельном спортивном зале или когда вышагиваешь по туристской тропе — на тебе
пружинящая обувь и почти невесомая одежда. Тут же я был наряжен как чучело, а
тяжеленные ботинки висели на ногах, словно колодки. Не знаю, существовало ли
там какое-нибудь покрытие, на той дороге, во всяком случае, начало пути мы
проделали по грязи. Потом подморозило, грязь чуть затвердела, начала проми-
наться под подошвой, идти стало повеселее. Однако еще позже грязь затвердела
совсем, но сохранив при этом все неровности. Сделалось невозможным удобно
ставить ногу — то проваливается носок, а пятка оказывается высоко, то наобо-
рот. Миновал час, я взялся высчитывать, сколько же это будет километров — де-
вять миль. У меня было впечатление, что миля меньше километра. Затем вдруг я
вспомнил где-то мне попавшуюся таблицу перевода старинных мер длины в наши и
покрылся холодным потом. В одной миле тысяча шестьсот девять метров. Всего,
значит, до Цвелоо километров пятнадцать, а за нами пока осталось меньше поло-
вины ! Еще через час я еле волочил ноги, совершенно раскис и размяк.
А Ван Гог по всем признакам был свеж как огурчик. После недолгого молчания
он опять заговорил, то и дело останавливался, чтобы полюбоваться звездами или
всмотреться на горизонте во что-нибудь такое, чего я и разглядеть не мог, бе-
гом догонял меня, отходил в сторону, пробуя, как вспахана земля, и так далее.
Ему подобные концы были в привычку, он, может быть, ежедневно проделывал еще
больший путь с мольбертом и тяжелым ящиком с красками. И вскоре я сообразил,
что, пихни я его действительно, в сторону отлетел бы скорее кто-нибудь дру-
гой , а не он.
Не помню, как уж мы добрели до этого городишки, где я предоставил Ван Гогу
все хлопоты, а сам уселся на ступени у входа в ссудную кассу, вытянув гудящие
ноги.
Обратный путь был еще ужаснее. При свете звезд, поскольку луна зашла, Ван
Гог вгляделся в мое лицо, участливо осведомился, здоров ли я, и предложил
опереться на его плечо. Так я и сделал, он, можно сказать, почти доволок меня
до дому.
Хижина оказалась пустой, хотя и натопленной, — хозяева ушли ночевать к род-
ственникам. Старухина постель была застелена свежими простынями. Ван Гог ска-
зал, что это для меня, а сам улегся на деревянной скамье. Но, во-первых, на
короткой кровати мне пришлось сложиться чуть ли не в восемь раз, а во-вторых,
мутили голову спертый воздух, всяческие непривычные запахи, да скрип и шеве-
ленье за стеной, где в хлеву помещалась корова. Из-за духоты мне делалось
дурно, я несколько раз выходил на улицу, но там моментально замерзал. Забыть-
ся удалось только под утро, но в семь часов Ван Гог заботливо разбудил меня,
поскольку помнил, что мне надо в Амстельланд на дилижанс.
Позавтракали миской молока, что была, вероятно, пожертвована той же стару-
хой. Ван Гог вскользь заметил, что попробует поговорить с доктором относи-
тельно операции, — слова, которым я напрасно, как позже выяснилось, не придал
значения. «Едоков картофеля» он положил на стол, рылся затем несколько минут
в своих рисунках, вынул два больших и сказал, что дарит их мне. То были «Хо-
гевенский сад» и «Степь с деревьями» — оба пятьдесят сантиметров на сорок. И,
вы знаете, я не взял. То есть у меня не было сомнений, что за каждый заплатят
по две тысячи, но я представил себе жадную рожу Кабюса и решил, что такого
дополнительного удовольствия этому жулику не доставлю.
Я был совсем разбит, развинчен — впору брать каждую ногу в отдельности и
переставлять. Ван Гог, видя мое состояние, разволновался, побежал в деревню и
вскоре вернулся, с торжеством объявив, что уговорил одного крестьянина под-
везти меня три четверти пути, — понимаете, с транспортом было в этот момент
очень нелегко, шли весенние полевые работы.
Винсент Ван Гор, «Осенний пейзаж с четырьмя деревьями».
В Париж к месту вызова я поспел вовремя. Из Камеры вывалился прямо на Кабю-
са, разговаривать с ним не стал, дополз до такси на карачках и полуживой — к
себе, пробыв, таким образом, в прошлом столетии всего неделю.
Но, как вы понимаете, бодрящие ванны, суг-массаж и всякое прочее делают чу-
деса. Отмылился, отскребся, оттерся, проспал восемнадцать часов на воздушном
матрасе слабой вибрации и на утро вторых суток почувствовал себя человеком.
Теперь уверенность в успехе у меня была полная. Наклеил этакие провинциальные
усишки, напялил длинные штаны чуть ли не до колен и двинул в художественный
салон. Но не на бульвар Сен-Мари, где меня все же могли узнать, а в другой,
на Монмартре. Вхожу, напускаю на себя простецкий вид, наваливаюсь пузом на
прилавок и жду, пока меня заметят.
Заметили, спрашивают, что мне угодно.
— Да, так,— говорю, — был у тетки под Антверпеном, на чердаке попалась кар-
тина. Вроде, какая-то старая. Изображено, как люди в древности ели картошку.
— Сам развертываю картину и поворачиваю к свету. — Тут подписано «Винсент Ван
Гог». Мне художник не известен, скорее всего, современник этого, как его. . .
Леонардо да Рафаэля. Вот я и по думал, что может быть кто заинтересуется.
Ожидаю услышать возгласы удивленья, радости, но присутствующие глядят на
меня с иронией. Один из продавцов берет картину в руки.
— Да, в самом деле подписано «Ван Гог». Пожалуй, такому сюжету подошло бы
название «Едоки картофеля».
Чешу в затылке, отвечаю, что и сам бы ее так назвал.
Продавец поворачивает вещь обратной стороной к себе.
Смотрите, тут и дата проставлена. «Март 1883». Все точно, как в его письмах
к брату, — первый вариант известнейшего произведения.
— Неужели? — спрашиваю. — Я даже как-то не посмотрел с тон стороны. Значит,
1883 год. Выходит, что он жил после этого Да Леонардо.
Второй продавец берет «Едоков» из рук первого и протягивает мне.
— Возьмите. Не стоит даже проверять на подлинность. Этой картины не сущест-
вует. Есть только копия, сделанная по памяти в 1888 роду.
— Как не существует? С чего же он тогда делал копию?
— А вы почитайте «Письма». Можете у нас приобрести экземпляр... Эй, куда же
вы! Послушайте, у вас левый ус отклеился!..
Дома хватаю свой томик «Писем», начинаю судорожно листать.
«Дорогой Тео, никогда я еще не начинал год с более мрачными перспективами и
в более мрачном настроении. На дворе тоскливо: поля — черный мрамор с прожил-
ками снега; днем большей частью туман, иногда слякоть...»
Дальше, дальше! Это я все знаю.
«...Боюсь, что я сделался для тебя уж слишком тяжелым бременем...»
Дальше! Где-то здесь должно быть упоминание о будущей картине... Ага, вот
оно!
«Едоки картофеля» закончены, картина уже высохла, послезавтра посылаю ее
тебе...»
Это было написано 3-го апреля, а на другой день к Ван Гогу постучался не-
знакомец, то есть я, и купил «Едоков». Значит, в следующем письме будет отчет
об этом великом событии.
Я чуть помедлил прежде, чем перевернуть страницу. Перевернул, вчитался...
«Тео, я сжег картину!
Это произошло три дня назад. Вдруг пришла минута, когда я понял, что не был
в этой вещи до конца самим собой. Труд целой зимы пропал, я сожалею о своем
поступке, но, правда, не очень, так как многому научился. В частности, доби-
ваться того, чтобы красно-желтый цвет смотрелся светлее, чем белый, который я
стал делать, смешивая, скажем, парижскую синюю, киноварь ...»
Потом идет о красках, а затем такие строчки: «У нас в домике радостное на-
строение . Я не писал тебе, что мать моей хозяйки, пожилая женщина по имени
Вильгельмина, тяжело болела последнее время. Так вот, недавно ее удалось уст-
роить на операцию...
Было еще одно весьма странное и отрадное происшествие, о нем я расскажу те-
бе при встрече, когда ты, как было обещано, приедешь навестить меня...»
Вы понимаете, что сделал этот филантроп? Проводив меня в Амстельланд, он
зашел к тамошнему доктору и, чувствуя себя богачом, отдал двести франков на
операцию для старухи. Скорее всего, импульсивно. Затем возвращается домой, и
ему приходит в голову, что он, живущий целиком на содержании брата, не имел
права так поступать. Ван Гогу делается стыдно. Он чувствует, что не может на-
писать Теодору, что истратил первые заработанные им деньги, и, объясняя, по-
чему не выслана картина, он сообщает, что уничтожил ее. Но при этом оставля-
ется лазейка: «Расскажу тебе при встрече». Скорее всего, он и рассказал все
Теодору, когда они увиделись, однако разговор не вошел в историю искусства,
остался нигде не зафиксированным...
Он солгал, потом — я в этом уверен — признался, и конец. Но для меня-то
штука обернулась иначе — попробуй, докажи, что предлагаешь подлинную вещь,
когда в письме черным по белому значится «сжег»!
Если вы думаете, что я приуныл, это не так. Прикинул, что Временные Петли
действуют около двух лет, но пока не слышно, чтоб неожиданно возникли крупные
состояния. Ладно, говорю себе, у меня есть возможность путешествовать в про-
шлое, да к тому же я стал специалистом по Ван Гогу. Ослом надо быть, чтоб не
использовать сложившихся обстоятельств. На ошибках учимся.
Пошел, прежде всего, к Кабюсу, объяснил, в чем дело, и потребовал, чтоб мы
снова сняли Петлю. Он в панике, стонет, что многим рисковал, теряет последние
сбережения. Сказал, что лучше бы ему сговориться с кем-нибудь другим, по-
скольку со мной, вероятно, ничего не выйдет. Я ответил, что сам могу столко-
ваться, с охранником, например, который пропускал нас уже три раза. Кабюса
это привело в чувство. Понимаете, завиток-то мне нужно было сдернуть, чтоб
«Едоки» Ван Гога опять появились в мире. Ведь чем больше известно его картин,
тем ярче слава и дороже будет привезенное мною. Кроме того, хотелось, чтобы
первое посещение перестало существовать — он начнет еще что-нибудь спраши-
вать , я не буду знать, как отвечать, и в каком духе.
Теперь я уже решил вооружиться по-настоящему. Связался прежде всего со
швейцарской фирмой «Альпенкляйд», которая, помните, создала новую одежду для
альпинистов — человека обливают составом, образуется пленка, через нее кожа
дышит, помехи движеньям нет, и можно хрястнуться в тридцатиметровую пропасть,
не получив даже синяка. Пленка гнется на суставах только в определенных на-
правлениях и при этом тверда, как сталь. Панцер-кляйдунх1, или «ПК», имела
большой успех, а после они приступили к выпуску «ТК», то есть термической
одежды. Ткань сделана из специальных нитей, а энергия берется от цезиевой ба-
тарейки размером в спичечный коробок. Надел, поставил, допустим, на пятна-
дцать градусов, а дальше хоть трава не расти, потому что регулировка про-
исходит автоматически — в холодную погоду нити согревают, в жару наоборот.
Ну, запасся, естественно, всякими снадобьями против клопов с блохами, деньга-
ми — не только тысячефранковыми билетами, а и помельче.
Интересно было готовиться. Прежние махинации я совсем забросил, в Институт
заглядывал довольно часто и там примелькался. Встретишь в пустом коридоре ка-
кого-нибудь согбенного седобородого академика: «Здрасте — здрасте, как дела?
Да, ничего, спасибо». Я иду своей дорогой, он семенит своей — вроде так и на-
до. Только, бывает, оглянется с легким недоумением, сам смутится этой оглядки
и на другой раз первым кидается здороваться.
Пока Кабюс возился с возмещением энергии, я почитывал материалы по той эпо-
хе. Задача, собственно, осталась прежней, только я намеревался принять меры,
чтобы покупка обязательно отразилась в переписке.
Но вот настает долгожданный день, вернее вечер. Толстяк-охранник в вестибю-
ле понимающе подмигивает нам, и я влезаю в Камеру. Мною был теперь избран
июнь 1888 года. Художник живет в небольшом городке Арле на юге Франции, и к
нему еще не приехал Гоген — я догадывался, что после появления друга Ван Гогу
будет не до меня. План мой был таков. Одну картину покупаю у Теодора в Пари-
же, но так, чтобы он Винсента попросил прислать ее из Арля. Затем еду к само-
му художнику и там устраиваю такую же штуку. Мол, то, что я вижу, меня не
устраивает, пусть он напишет брату относительно одного-двух полотен из старо-
го . В результате в обе стороны полетят запросы, подтверждения, все будет
включено затем в «Письма», ситуация с «Едоками» не повторится.
Путешествие мы с Кабюсом рассчитали на три недели. Побывал на Монмартре,
посмотрел в той первой «Мулен-Руж» их прославленную танцовщицу Ла Гулю, кото-
рую Тулуз-Лотрек рисовал, о которой стихи сочиняли, — так, ничего особенно-
го . . . Тут же выяснилось, что в программе приобретения картин придется пере-
ставить компоненты. Я хотел начать с Теодора, который, как мне было известно,
в это время получил место директора художественной галереи в фирме «Буссо и
Валадон». Пошел туда, но его не оказалось — как раз уехал к Иоганне сватать-
ся. Из ван-гоговских вещей там висели только «Цыганские повозки» — и то в са-
мой глубине последнего зала, в углу. Картина была слегка запылена.
На третий день пошел на Орлеанский вокзал, сел в поезд. До Арля тащились со
скоростью двадцать километров в час. Стояла жарища, но я в своей «ТК» благо-
душествовал . Остались позади Невер, Клерман, Ним. В восемь утра вторых суток
пересекли Рону...
Понимаете, мне было, конечно, ясно, что Ван Гог переменился за те пять лет,
что разделяли городок Хогевен и Арль. Я-то метнул себя тогда из прошлого в
комфортабельный 1995-й, а он остался на торфяной равнине, в холоде и нищете,
чтоб продолжать жестокую борьбу. И продолжал.
Винсент Ван Гог, «Цыганский табор с фургонами», 1888.
Из Хогевена, гонимый одиночеством, он переезжает в Нюэнен. Ему страстно хо-
чется, чтоб у него была подруга, семья. В то время, как многие в ту бедную
эпоху боятся иметь детей, он пишет брату, что боится не иметь их. Еще раньше
была история с уличной женщиной, больной, беременной, которую он взял к себе,
чтобы ее перевоспитать. Но из этого ничего не вышло, только прежние знакомые
окончательно от него отвернулись. Теперь в Ван Гога влюбляется дочь соседей
по Нюэнену Марго Бегеманн. Винсент тоже любит, но родители запрещают Марго
встречаться с ним, и девушка принимает яд. С надеждой на личное счастье по-
кончено , остается только искусство. Ван Гог отправляется в Антверпен, чтобы
попасть в среду художников. Нет мастерской, он работает на улицах. Не на что
нанимать натурщиков, он договаривается, что сначала нарисует чей-нибудь порт-
рет — моряка, солдата, уличной девушки, а потом в качестве гонорара сделает
этюд уже для себя. От постоянного недоедания у него пропадает аппетит, порой
он не может есть. Ван Гогу удается поступить в Академию художеств, но через
три месяца его вынуждают покинуть ее стены — рисунки Винсента решительно не
похожи на то, чему учат преподаватели. Несколько поправляются дела у Теодора,
он дает брату возможность приехать в Париж. Винсент начинает учиться в мас-
терской Кремона, но за исключением Тулуз-Лотрека никто не подходит посмот-
реть, что у него получается. Окружающим он кажется сумасшедшим, когда в само-
забвении бросает краски на картину с такой энергией, что дрожит мольберт. За
два года в столице Франции Ван Гог создает более двухсот картин — это к тем
двум сотням, что были написаны в Голландии, — но каждая выставка для него
провал, и до сих пор не продано ни единого полотна, подписанного его именем.
Решив, наконец, что Париж не принял его, Винсент измученный уезжает в Арль.
Повторяю, я знал и это, и то, что художник просто постарел.
Но все равно я не ожидал такого, разыскивая дом и поднимаясь в комнату, ко-
торую он снимал.
Ван Гог сидел за мольбертом, он нехотя поднялся, держа в руках палитру и
кисть.
Пять лет пронеслись над ним, подобно раскаленному ветру, и выжгли в его
внешности все молодое.
Его волосы отступили назад, совсем обнажив выпуклый лоб. Глубокие морщины
шли от крыльев носа к кончикам рта, щеки совсем провалились, азиатские скулы
стали острее, придавая его лицу что-то жестокое, фанатичное. Борода и усы бы-
ли запущены, видимо, он перестал следить за своей внешностью.
В глазах, которые смотрели на меня из-под нахмуренных бровей, читалось
упорство отчаяния.
Я сказал, что хотел бы познакомиться с его картинами и готов купить что-
нибудь .
Недовольный тем, что его оторвали от работы — перед ним на маленьком столи-
ке был натюрморт с подсолнухами в майоликовой вазе, он постоял, как бы прихо-
дя в себя, швырнул на подоконник кисть с палитрой, вынул из стеллажа несколь-
ко холстов, натянутых на подрамники, раскидал их по полу и отошел к раскрыто-
му окну, сунув руки в карманы.
Я, честно говоря, не ожидал этой холодности. Мне думалось, он примет меня
за благодетеля, станет, как в предшествующее посещение, уговаривать, объяс-
нять . Но ничего такого не было. Он начал тихонько насвистывать какой-то мо-
тив , оборвал и принялся затем постукивать пальцами по раме. Я заметил, что он
стал теперь шире в плечах и при этом не огрузнел, спина осталась деревянно
выпрямленной.
Ван Гог повернулся неожиданно, перехватив мой взгляд, и я опустил глаза к
полотнам. Смотреть, собственно, мне было нечего, я их и так знал.
- Ну, что же? — спросил он. — Не нравится?.. Тогда, как угодно.
- Нет-нет, — ответил я. — Выбор сделан. — Это вырвалось у меня непроизволь-
но. Вдруг почувствовал, что не могу мурыжить его тем, что здесь закажу вещь,
хранящуюся у брата, а уже из Парижа попрошу прислать что-нибудь из того, что
он мне сейчас показывает.
- Выбрали?.. Какую же?
Я показал на «Сеятеля».
- Вот это?..
Винсент Ван Гог, «Сеятель», 1888.
Он взял подрамник обеими руками, перенес ближе к свету, поставил на пол у
стены и вгляделся. Лицо его потеплело, как у матери, которая смотрит на соб-
ственное дитя. Затем отвернулся от картины и сказал с вызовом:
- Я ценю свои вещи не слишком уж дешево. Например, эта стоит тысячу фран-
ков. Правда, немногим дороже кровати, за которую просят семьсот.
Тут только я заметил, что в комнате нет кровати. В углу валялся свернутый
матрац.
Он расценил мое молчание по-своему и горько усмехнулся.
- Да, некоторые воображают, что занятия живописью ничего не стоят самому
художнику. На самом деле с ума можно сойти, когда подсчитываешь, сколько надо
потратить на краски и холст, чтоб обеспечить себя возможностью непрерывной
работы на месяц. Вы не думаете, я надеюсь, что такая вещь создается без раз-
мышлений , без поисков, без предварительных этюдов. Когда человек способен на-
писать картину за три дня, это вовсе не означает, что лишь три дня на нее и
потрачено. Истрачена целая жизнь, если хотите. Садитесь за мольберт, если вы
мне не верите, и попытайтесь гармонизировать желто-красный с лиловым. Конеч-
но , когда композиция готова, то, что на ней есть, может показаться само собой
разумеющимся. Так же говорят о хорошей музыке либо о хорошем романе, которые
будто бы обладают способностью литься сами собой. Однако представьте себе по-
ложение , когда ни картины, ни симфонии еще нет, когда их надо еще создать, а
композитор или живописец берется за труд, отнюдь не уверенный, что избранное
им сочетание вообще в принципе возможно...
Одним словом, тысяча, и разговаривать больше незачем.
Я откашлялся, чувствуя невольную робость, и сказал, что цена мне подходит.
- Подходит? И вы готовы заплатить?
- Да.
Заплатить тысячу франков? — Некоторое время он смотрел на меня, затем пожал
плечами. — Почему?
- Вы же спросили тысячу. Вещь мне нравится.
Он прошелся по комнате и остановился у картины.
- Да, ей отдано много. — Затем в глазах его появилась тревога, мгновенно
сменившаяся гневом. — Скажите, это не шутка? Здесь есть любители развлечься.
Если вы пришли за этим, мне некогда. Я работаю.
- Ни в коем случае. — Я подошел к столику возле мольберта, вынул из кармана
бумажник, отсчитал десять стофранковых билетов. Кроме того, — сказал я, — ме-
ня заинтересовала еще одна вещь в Париже, в галерее Буссо. Если вы соблагово-
лите написать письмо, чтоб ее прислали, я мог бы подождать здесь в Арле.
Опять был вынут бумажник, и я отсчитал еще пятьсот.
Подозренье на его лице постепенно сменилось недоумением, а затем растерян-
ностью . Он несколько раз перевел взгляд с меня на деньги и обратно.
- Слушайте! Кто вы такой?
Я был подготовлен к этому вопросу и стал плести, будто действую не от себя,
а по поручению богатого негоцианта из Сиднея, моего дяди. Негоциант дважды
был в Париже — в прошлом и позапрошлом годах, имеет там знакомых художников,
много слышал о самом Ван Гоге и его брате. Ему известно, что публика пока не
признает новое направление, но у него свой вкус.
- Как его имя?
- Смит... Джон Смит.
- Не помню. — Ван Гог покачал головой. Джон Смит... Ну, ладно. — Он подошел
к столику, нерешительно взял деньги, выдвинул ящик и положил туда. Посмотрел
на меня, и этот взгляд, неожиданно робкий, на миг напомнил мне прежнего Ван
Гога. Он отвернулся к стене, голос его звучал глухо:
- Как странно. О таком я мечтал долгие годы — писать и иметь возможность
зарабатывать этим на жизнь. Вот оно пришло, и я не могу обрадоваться. Но по-
чему?
Он тряхнул головой.
— Я сегодня же напишу в Париж. А теперь извините... Вы, наверное, останови-
тесь в «Сирене». Мы могли бы увидеться вечером.
Городишко был пуст, солнце разогнало всех по домам. Я снял себе комнату в
гостинице как раз над тем самым залом, который Ван Гог вскоре должен был изо-
бразить на картине «Ночное кафе». Несколько часов провалялся на постели, от-
гоняя от себя мух, и когда жара спала, спустился на первый этаж.
Ван Гог сидел неподалеку от винной стойки. Я подошел. Вид у него был ожес-
точенный, он злобно ковырял вилкой в тарелке с макаронами.
Я спросил, как здесь готовят, и он гневно отбросил вилку.
— Мне долго пришлось жить нерегулярной жизнью, у меня вконец испорчен желу-
док. Если бы я ел хороший крепкий бульон, я бы поправился. Но тут, в город-
ских ресторанах, никогда не получишь того, что надо. Хозяева ленивы и готовят
только не требующее труда — рис, макароны. Даже когда заказываешь заранее, у
них всегда есть отговорка, что забыли или что на плите не хватает места. И
постоянно обсчитывают.
Я заказал вина. Хозяин, толстый, с одутловатым белым лицом, принес его
только минут через пять. Ресторан постепенно наполнялся. За столиком, где со-
брались игроки в карты, началась пьяная ссора.
Ван Гог презрительно усмехнулся.
— Человечество вырождается. Я сам прекрасное подтверждение этому — в три-
дцать пять лет уже старик. Одни работают слишком много — крестьяне, ткачи,
шахтеры и бедняки вроде меня. Этих гнетут болезни, они мельчают, быстрее ста-
рятся и умирают рано. А другие, как вон те, стригут купоны и деградируют от
безделья. Но так не может продолжаться. Слишком много тяжелого сгустилось,
должна грянуть гроза. Хорошо хоть, что не которые из нас не дали себя одурма-
нить фальшью нашей эпохи. Это поможет грядущим поколениям скорее выйти на
свободный, свежий воздух.
Мы выпили, и он осмотрелся.
— Интересно, кто придумал сделать здесь эти красные стены. Комната кроваво-
красная и глухо-желтая с зеленым биллиардом посредине. Получается столкнове-
ние наиболее далеких друг от друга оттенков. Иногда мне кажется, что тут мож-
но сойти с ума или совершить преступление... В человеке намешано так много,
хотелось бы все это выразить, передать, но теперь я боюсь, что не успею. Ваш
дядя знает, как существуют непризнанные художники в Париже. Я нажил там нев-
растению. Страшная штука плохое здоровье. Из-за него я не восстаю больше про-
тив установленного порядка. И не потому, что смирился — просто сознаю, что
болен, что нет сил, и они уже больше не придут.
Я расплатился за вино, мы встали и, разговаривая, прошли через город к по-
лям. Дорогой он сказал, что уже отправил письмо и что, если оно застанет бра-
та на месте, посылка с картиной прибудет через шесть дней.
Солнце спускалось, перед нами было море пшеницы, а справа зеленели сады.
— Конечно, сейчас мне прекрасно работать,— сказал Ван Гог. — Это все благо-
даря брату. Никогда раньше я не жил в таких условиях, и если ничего не добь-
юсь, это будет только моей виной. Здесь удивительно красивая природа. Посмот-
рите, как сияет небосвод... И этот зеленовато-желтый дождь солнечных лучей,
который струится и струится сверху на все... А кипарисы с олеандрами какие-то
буйно помешанные. Особенно в олеандрах немыслимо закручена каждая веточка и
группы ветвей тоже. У меня два раза было, что, выбравшись на этюды, я терял
сознание от нестерпимой красоты.
Ван Гог позволил себе отдохнуть в тот вечер, мы еще долго бродили. Часто он
совсем забывал о моем присутствии, затем, вспомнив, обращался ко мне с каким-
нибудь малозначительным замечанием, задавал вопрос и не выслушивал ответа,
углубляясь в себя.
Вообще, в нем была теперь какая-то отрывистая гордость, чуть презрительная
и разочарованная. Как будто он знал себе цену, но потерял надежду убедить мир
в чем-нибудь. Тогда в Хогевене Ван Гог не был уверен, что его произведения
хороши, но полагал, что упорный труд позволит ему добиться успеха. В Арле
стало наоборот. Он твердо знал, что стал настоящим художником, но уже не ве-
рил , что его когда-нибудь признают.
Правда, получив от меня крупную по тем временам сумму, он начал оттаивать и
меняться удивительно быстро. Купил себе кровать, правда, не за семьсот, а по-
дешевле , за четыреста франков. Нанял женщину, которая стала готовить ему. И
продолжал работать с ожесточением, какого я отродясь не видел. С утра ящик с
красками — в одну руку, подрамник — в другую, мольберт — за спину, и на этю-
ды. А в комнате его можно было увидеть только с палитрой и кистями, как будто
он не спал, не ел никогда.
Посылка от брата, между тем, все не шла. Мне оставалось только ждать, от
скуки я несколько раз увязывался с Ван Гогом в его походы. Исподволь я начал
ему симпатизировать, мне хотелось исправить некоторые уж слишком очевидные
недостатки в его манере писать. Но из этого ничего не вышло.
Однажды, например, я сказал, что роща на заднем плане этого этюда вовсе не
такова по цвету, какой он ее сделал, и что никто никогда не видел таких, как
у него, завинченных деревьев и завинченных облаков.
Он спросил, выпадает ли роща из общего фона того, что он делает. Когда я
признал, что из его фона не выпадает, он объяснил:
— Начинаешь с безнадежных попыток подражать природе, все идет у тебя вкось
и вкривь. Однако наступает момент, когда ты уже спокойно творишь, исходя из
собственной палитры, а природа послушно следует за тобой...
Наконец, на исходе второй недели, когда я уже начал дрожать, Ван Гога разы-
скал посланный с почты мальчик. Пять сотен франков были присоединены к первым
полутора тысячам, и вечером мы отправились в «Сирену». Ван Гог был очень
оживлен, показал мне письма от Гогена, сказал, что ожидает его теперь в Арль.
Он спросил, нет ли среди знакомых дяди такого человека, который тоже за-
интересовался бы произведениями импрессионистов. Я ответил, что это не исклю-
чено, и глаза его зажглись. Он заговорил о том, что, если бы удавалось прода-
вать хотя бы по три картины в год, он мог бы обеспечить не только себя — ему
лично не надо так много, — но и снять маленький дом, где найдут приют и дру-
гие бедствующие художники, которые нередко от нищеты кончают с собой или по-
падают в сумасшедший дом. Планы роились, дошло до того, что будет открыта
собственная небольшая галерея в Париже, которой может руководить Теодор, что
торговля картинами будет вырвана из рук коммерсантов и подлинное искусство
начнет распространяться в народе.
Мы осушили три бутылки дрянного вина, ресторан уже опустел, хозяин сонно
поглядывал на нас, опрокидывая стулья на столики. Ван Гог умолк, вгляделся
мне в лицо и тихо-тихо спросил:
— Скажите, а это правда?
— Что именно?
Он сделал жест, обводя зал, где половина газовых рожков была уже погашена.
— То, что сейчас происходит. . . Вы появились так внезапно. Ваш приезд так
неожидан и так выпадает из всего, что было до сих пор. Мне сейчас вдруг пока-
залось, что деньги, по лученные от вас, могут неожиданно исчезнуть, и все ос-
танется , как прежде. . . Понимаете, конечно, я не великий художник, у меня не
было возможности учиться рисовать и не хватало таланта. Но с другой стороны,
вряд ли есть еще человек на земле, кто до такой степени не имел бы ничего,
кроме искусства. Я не помню спокойного дня в своей жизни. Дня, чтоб меня не
мучили угрызения совести перед братом, на плечах которого я повис тяжкой но-
шей, чтоб меня не терзал голод либо необходимость платить за жилье, невозмож-
ность купить красок или нанять натурщика. Ведь не может быть, чтоб такая пре-
данность ничего не стоила и никем не была оценена?
Черт возьми! Вы знаете, он оказался настоящим провидцем. Деньги, полученные
им от меня, действительно исчезли, все стало, как прежде, потому что мне при-
шлось в третий раз снять Петлю.
Но по порядку. Я вернулся из Арля в Париж 25-го, в тот же вечер я пришел на
место вызова и благополучно вынырнул к себе. Опять всевозможные ванны, масса-
жи. Заглядываю в «Письма», там все в порядке. Перелистываю монографию о Ван
Горе, убеждаюсь, что тут тоже появились изменения. Сказано, что в июне 1888
года в Арль приехал молодой иностранец, купил у художника две картины и не-
сколько рисунков, след которых, к несчастью, с тех пор затерян. С «рисунками»
исследователь ошибся. Я забыл вам сказать, что в последний вечер Ван Гор на-
бросал мой портрет карандашом, который тут же отдал мне. И все.
Забираю я, одним словом, «Сеятеля» и «Цыганские повозки», кладу в папку ри-
сунки и отправляюсь в тот первый салон. Что же вы думаете? Уже через полчаса
я мчался в Институт. Мчался, как если бы за мной целым взводом гнались поли-
цейские на мотоциклах.
Понимаете, пришел и попадаю на усатого старика. Он берет картины и рисунок,
вертит, нюхает, чуть ли не пробует на зуб. Я тем временем повествую о древнем
чердаке. Он кивает, да-да, мол, все верно, картины упоминаются, в письмах
есть подробные описания каждой. Говорит, что сам всю жизнь посвятил изучению
творчества Ван Гога и не может не признать, что рука его. Потом берет «Цыган-
ские повозки» — не «Сеятеля», а именно «Повозки», — нажимает кнопку в стене.
Шкаф с книгами отъезжает в сторону, открывается ниша, в которой аппарат, оп-
ределяющий время изготовления того или иного произведения искусства. Лучи,
углеродный или там другой анализ.
Представьте себе, на экране возникает надпись: «Порядок — до 100 дней».
Как вам это нравится? Сто дней, то есть три месяца с того момента, когда
краски положены на холст. Оно, в общем, и соответствует действительности, по-
скольку «Цыганские повозки» Ван Гор написал за два с половиной месяца до мое-
го приезда к нему. Но я перенес вещь сразу через нулевое время, и краски, в
самом деле, старились из-за этого не сто лет, а только сто дней.
Насчет «Сеятеля» же старик говорит, что наиболее пастозные места вообще не
высохли и липнут. Но при этом он, видите ли, не сомневается в подлинности, а
что касается портрета, то изображен, несомненно, я.
И смотрит на меня, спрашивая взглядом, как это все понимать.
Но ведь о существовании Временных Петель всем было известно. По интервиде-
нию хотя бы раз в неделю передают какой-нибудь фильмишко, украдкой снятый из-
за кустов или с помощью сверхтелеобъектива с безлюдных скал. Каждый знает,
что путешествие в прошлое возможно, хотя и разрешается только в исключитель-
ных случаях.
И тогда я скромненько забираю все свое имущество, ни слова не говоря, пово-
рачиваюсь и ускоряющимся шагом — на улицу. Счастье мое, что все научные со-
трудники Института в тот момент слушали доклад в конференц-зале. Врываюсь,
хватаю ошеломленного Кабюса за шиворот. Отдышался только, когда из камеры вы-
лез .
За нарушение Закона об Охране Прошлого по головке не гладили. Я бы и костей
не собрал в случае чего. Вполне могли взять и двинуть в меловой период без
обратного вызова. Так, между прочим, тогда и поступали с рецидивистами — не
можешь жить среди людей, давай к пресмыкающимся за сто или сто двадцать мил-
лионов лет до современности. Там не замерзнешь в тропическом предледниковом
климате, пропитаешься растениями. Но словом не с кем перемолвиться, скука, и,
в конце концов, сам предложишь себя на полдник какому-нибудь тираннозавру.
Правда, в моем случае учли бы молодость. Так или иначе, обошлось: как толь-
ко я сдернул завиток, «Сеятель» мгновенно оказался опять в галерее в Цюрихе,
«Цыганские повозки» — в Лувре, рисунок дематериализовался, всякое упоминание
о моем визите в Арль исчезло из писем. И мое посещение салона на бульваре
Сен-Мари осталось существовать лишь у меня в памяти как альтернативный ва-
риант, сменившийся другим.
Но тут, признаюсь вам, у меня опустились руки. Чувствую, что стена: даже
если привезешь что-нибудь ценное из удаленных назад веков, все равно Петля
сократит время, и либо тебя в подделке обвинят, либо поймут, что связан с Ин-
ститутом . Как ни крути, выходит, что давность лучше не трогать. А вместе с
тем жалко ужасно. Вот оно, прошлое, рядом. Пока Кабюс в Институте, все мое —
от двадцатого века до первого и дальше туда, за великие китайские династии,
за греческие ладьи, плывущие к Трое, за башни Ассирии и египетские пирами-
ды. . .
Мои собственные накопления чуть ли не все истрачены, за три посещения ухну-
ло пятьдесят тысяч Единиц Организованной Энергии.
И вы знаете, как это бывает: еще каких-нибудь четыре месяца назад жил впол-
не довольный своим положением, на окружающих смотрел свысока, собой гордился,
а теперь хожу, кусаю губы.
И как раз через неделю после моего возвращения утречком по телевидению со-
общают о замечательной находке под Римом. Археолог-дилетант, копаясь в окре-
стностях Вальчетты, обнаружил в развалинах древнего храма погребенный под
землей ход в стене, тайник, а в нем целую коллекцию превосходных античных ка-
мей, знаете, такие камни с резным рельефным изображением. Находка датируется
двухсотыми годами до нашей эры — в этом сходятся мнения искусствоведов и по-
казания прибора.
Вот, думаю, везет некоторым. А тут можешь прыгать в прошлое, и — ничего.
Приносят газеты. На первой странице заголовки о чудесных камнях Вальчетты.
Высказывается предположение, что это часть сокровищ какого-нибудь римского
сенатора эпохи цезарей, который в смутное время избиений и казней решил ее
припрятать. Тут же портрет человека, который раскопал потайной ход. Физионо-
мия у него весьма решительная, как-то мало похожа на археолога-любителя. В
аппарат не глядит, опустил глаза, стараясь прикинуться овечкой, а у самого
рожища — бр-р-р-р-р-р!
Вечером вдруг звонит Кабюс. Пришел, сел. Мялся-мялся, потом говорит:
- Дураки мы с тобой.
- Почему?
- Да потому, что не надо было тащить картины Ван Гога в Камеру. Нужно было
там и оставить, в прошлом.
- Какой же смысл?
Он, не торопясь, берет газету с фотографией того счастливца с камнями.
Смотрит на нее.
- Знаю этого типа. Он ко мне приходил еще до тебя. Только я побоялся связы-
ваться . С полгода назад было.
Тогда я хлопаю себя по лбу, потому что начинаю понимать. Парень нашел доро-
гу в итало-американскую Временную Петлю. Спустился в Рим эпохи цезарей, орга-
низовал там эти камни, скорей всего действительно у какого-нибудь сенатора.
Потом не стал возвращаться с ними через Камеру, а там же пошел в Вальчетту,
разыскал храм, относительно которого ему было точно известно, что строение
достоит до нашего времени. И ночью, чтоб никто не видел, запрятал свою добы-
чу . Потом спокойно вынырнул в современность.
Конечно, для таких вещей надо иметь характер — в древнем Риме с подвыпивши-
ми гладиаторами и всяким городским жульем зевать после захода солнца не при-
ходилось . У вельможи, естественно, были телохранители, да и римская стража
долго разговаривать не любила. Но, как говорится, волков бояться — в лес не
ходить. Получилось, что камни сквозь Камеру не прошли, две тысячи лет проле-
жали в стене, состарились, что и было показано аппаратами.
Что вы говорите? «Почему не заподозрили этого молодца при его внешности?»
Да потому что вообще таких жуков, как «археолог» и мы с Кабюсом, мало уже ос-
талось в мире. Народ стал доверчивый, все друг1 к другу отлично расположены,
все открыто, заходи чуть ли не куда угодно. Это в моем случае уж слишком оче-
видно было, поэтому усатый старик так и смотрел...
Ну, не важно. Опуская подробности, скажу, что через двадцать суток я опять
был в прошлом веке, точнее в мае 1890 года, на окраине маленького городка
Сен-Реми, где Ван Гога приютили в доме для умалишенных. Собственно, можно бы-
ло отправиться вторично в один из двух периодов, мне известных, но все-таки я
видел художника, когда он только начинал заниматься живописью, посетил и в
середине пути. Теперь имело смысл посмотреть, каким Ван Гог будет к концу
своей жизни. Однако самым важным соображением было, конечно, то, что именно в
июле он завершил два наиболее знаменитых полотна — «Звездную ночь» и «Дорогу
с кипарисами». На них я и нацелился.
Ван Гог: «Звездная ночь» и «Дорога с кипарисом и звездой».
Снова утро. Страж у ворот пропускает меня, ни о чем не спрашивая. В перед-
ней части парка аллеи расчищены, дальше запущенность, глухота. Вишня, за ко-
торой никто не ухаживает, переплетается с олеандрами, кусты шиповника спута-
лись с дикими рододендронами. Женщина с корзиной белья попадается навстречу;
я спрашиваю, где мне найти Ван Гога. Это прачка, с мягким, робким выражением
лица и большими красными руками. Она уточняет, имею ли в виду того, «который
всегда хочет рисовать», машет рукой в сторону здания, желтеющего вдали сквозь
листву, и называет номер палаты — шестнадцать. Я пошел было, женщина меня ок-
ликает и говорит, что сегодня Ван Гогу будет трудно кого-нибудь видеть — со-
всем недавно был припадок. Я хлопаю себя по карману и объясняю, что тут для
него найдется утешенье.
Желтое здание оказалось отделением для буйных — окна изнутри забраны решет-
ками.
Но двери центрального входа широко распахнуты — как те, в которые я вошел,
так и с противоположной стороны главного корпуса. В длинном коридоре все па-
латы тоже открыты — с двумя, с тремя или даже пятью постелями. Прикидываю,
что выдался, вероятно, спокойный день, больные отпущены в сад, а обслуживаю-
щий персонал занят уборкой. Сквозняки гуляют по всему дому. Не сказать, что
обстановка гнетущая, но щемят небрежно распахнутые двери — ими подчеркивает-
ся, что у обитателей комнат нет уже ничего личного, своего, неприкосновенно-
го.
Я прошагал весь коридор, повернул, оказавшись теперь уже в одноэтажном фли-
геле , дошел до конца флигеля и тут увидел номер шестнадцать.
Дверь приоткрыта, стучу, ответа нет. В комнате койка, покрытая серым одея-
лом, табурет в углу. На подоконнике рассыпаны краски, рядом высится знакомый
мне трехногий мольберт. Тут же куча холстов, внизу я увидел высунувшийся, за-
пыленный край «Звездной ночи».
Я сел на табурет и стал ждать. Издали доносились едва различимые звуки роя-
ля — кто-то начинал и начинал жалобную мелодию, но, взяв несколько аккордов,
сбивался, останавливался и брался снова.
Затем в коридоре послышались шаги, они приближались, я стал в своем углу.
Ван Гог вошел, пусто посмотрел на меня, медленно прошествовал к окну. И,
признаюсь вам, мне стеснило сердце.
Я бы сказал, что он был смертельно ранен. Драма с Гогеном3, сумасшедший дом
в Арле, куда художника дважды заключали, продолжающаяся невозможность добить-
ся признания — все это за два года прошлось по нему, как автоматная очередь.
Виски поседели, спина сгорбилась, синие круги обозначились под глазами, кото-
рые уже не жгли, а, прозрачные, смотрели туда, куда другие не могли загля-
нуть . На нем был казенный халат, и я вспомнил по «Письмам», что приют для
умалишенных именно в Сен-Реми был избран потому, что плата за содержание со-
ставляет здесь всего один франк в день.
Все так, и при этом странное отрешенное величие было в его фигуре. Я смот-
рел на него, и вдруг почувствовал, что уважаю его. То есть колоссально ува-
жаю, как никого на свете. Понял, что давно начал уважать — со второй, а может
быть, даже с первой встречи. Пусть он не умеет рисовать, пусть лица мужчин и
женщин на его картинах картофельного цвета и с зеленью, пусть поля и пашни
вовсе не таковы, какими он их изображал. Но все равно в нем что-то было. Что-
то такое, по сравнению с чем многое делалось подсобным и второстепенным, да-
же, например, атомная энергия.
Я превозмог свой трепет и стал говорить, что могу дать огромные деньги за
3 25 октября 1888 года в Арль приехал Поль Гоген, чтобы обсудить идею создания южной
мастерской живописи. Однако мирное обсуждение очень быстро переросло в конфликты и
ссоры: Гоген был недоволен безалаберностью ван Гога, сам ван Гог же недоумевал, как
Гоген не хочет понять саму идею единой живописи во имя будущего. В конце концов Го-
ген, искавший в Арле покойной работы и не нашедший его, решил уехать. Вечером 23 де-
кабря после очередной ссоры ван Гог набросился на друга с бритвой в руках. Гогену
случайно удалось остановить Винсента. До сих пор неизвестна вся правда об этой ссоре
и обстоятельствах нападения (в частности, есть версия, что ван Гог напал на спящего
Гогена, и последнего спасло от смерти лишь то, что он вовремя проснулся) , однако в
ту же ночь ван Гог отрезал себе мочку уха. По общепринятой версии, это было сделано
в порыве раскаяния; в то же время некоторые исследователи считают, что это было не
раскаянием, а проявлением безумия, вызванного частым употреблением абсента. Есть
также версия, что в ту ночь ван Гога ранил Гоген, когда тот бросился на него с брит-
вой. Будучи хорошим фехтовальщиком, он рапирой отсек ван Гогу мочку левого уха, по-
сле чего выбросил оружие в реку. На следующий день, 24 декабря, Винсента отвезли в
психиатрическую лечебницу, где приступ повторился с такой силой, что врачи поместили
его в палату для буйных больных с диагнозом «эпилепсия височных долей». Сообщив о
произошедшем Тео, Гоген спешно покинул Арль, не навестив ван Гога в больнице.
его последние картины. Такую сумму, что он и брат не только снимут дом, но
купят. Что они приобретут даже целое поместье, что будут приглашены самые за-
мечательные врачи, которые поправят его здоровье и вылечат от припадков сума-
сшествия .
Он выслушал меня внимательно, потом поднял глаза, и его взгляд пробил меня
насквозь.
- Поздно, — сказал он. — Теперь уже ничего не надо. Я отдал своей работе
жизнь и половину рассудка. — Он посмотрел на груду холстов, с трудом нагнулся
и бережно рукавом отер пыль с верхнего. Это были «Белые розы». Губы его дрог-
нули, и он встряхнул головой.
Иногда мне кажется, что я работал, как должно. Что большее было бы не в си-
лах человеческих и что этот труд должен принести плоды.
Затем он повернулся ко мне.
— Идите. У меня мало времени, я хочу еще написать поле хлебов. Это будут
зеленые тона равной силы, они сольются в единую гамму, трепет которой будет
наводить на мысль о тихом шуме созревающих колосьев и о человеке, чье сердце
бьется, когда он слышит это.
Последние слова прозвучали совсем тихо. Неловким движеньем он повернул
мольберт к свету.
Ван Гог, «Белые розы».
И, скажу вам, я отступил. Не произнося ни звука, поклонился, вышел в кори-
дор , проследовал через заброшенный сад в город, на вокзал и был таков. Тихо и
скромно, как овечка. Проще простого было дождаться, когда Ван-Гог выйдет за
чем-нибудь из комнаты, зайти туда на одну минуту и взять, что надо. Никто не
стал бы меня останавливать. Но я не мог. Не смог, даже понимая, что самому
Ван Гогу несколько тысяч франков, оставленные на подоконнике, принесли бы
больше пользы, чем два его полотна.
Вернулся я в столицу Франции и прыгнул обратно к себе.
Кабюс встречает меня у Камеры трепещущий, жадно смотрит на чемоданы. Но в
поезде мною уже был подготовлен план, который я тут же и изложил. Объяснил
Кабюсу, что не способен больше беспокоить ни самого художника, ни его родст-
венников — пусть так и проживут, как прожили. Теперь надо действовать по-
другому. Поскольку мы все знаем и понимаем, в наших силах совершить грандиоз-
нейшую аферу, которая не только вернет затраченное, но обогатит нас на всю
жизнь. Не будем тянуть по одной-две картины. Следует избрать время, когда ху-
дожник знаменит, письма давно изданы и с его вещей сделано множество репро-
дукций. Например, конец тридцатых годов нашего века — произведения искусства
уже дороги, но все равно в десятки раз дешевле, чем в 1996-м. Главное же то,
что мы станем за них платить товаром, который в наше время почти ничего не
стоит — золотом.
Понимаете, меня осенило, что я вообще напрасно путался с подготовкой при-
личного костюма, доставанием современных Ван Гору денег и всяким таким. Ведь
можно было явиться в старый Париж чуть ли не в рубище, в первом попавшемся
ломбарде заложить золотое кольцо, на полученные деньги одеться, продать затем
браслет в ювелирном магазине, купить собственный выезд и так далее по воз-
растающей. При этом никакого риска, что попадешься, поскольку ничего из тобой
предлагаемого не является ворованным и не разыскивается. Простая контрабанда,
но не через пространственную, а через временную границу.
Продал я свой флаер, заложил дом. Кабюс тоже где-то раздобыл ЕОЭнов или, во
всяком случае, сказал, что раздобыл — тут в целом была неясность. Понимаете,
проверить энергетический баланс Института я не мох1, а без этого как узнаешь,
добавляет ли он вообще что-нибудь к моему вкладу. Известно было, что поездки
в прошлое требуют огромного количества энергии, но какого именно, зависело от
периода. С другой стороны, ему ничто не мешало сказать, что его доля больше
моей или такая же, а он всегда говорил, что меньше. Правда, не очень-то я
этим интересовался — пусть он даже втрое против меня зарабатывает. Завидовать
я вообще никому не завидовал, а тот парень с камеями меня расстроил только
потому, что моя глупость вдруг оказалась очевидной... Наличных, кстати, я у
Кабюса никогда не видел.
Ну, ладно. Прежде всего, взяли мы два плана Парижа — тридцатых годов и
1996-го. Задача состояла в том, чтобы найти здание — по возможности небольшое
и обязательно принадлежащее частным лицам,— которое простояло бы последних
лет шестьдесят без существенных изменений. Искали-искали и нашли. В старину
место называлось проезд Нуар, в нашем времени — бульваром Буасси. Одноэтаж-
ный, но довольно массивный домик, который чудом удержался возле прозрачных
громадин, ограничивающих Второй слой с юга. Съездили туда, там, естественно,
никто не жил. Мгновенно договорились с владельцами, что снимем его на полго-
да , — они и деньги отказались с нас за это получать.
Недели за две я разместил заказы и собрал килограммов шестьдесят золотых и
платиновых украшений с алмазами, сапфирами и прочим. Набил два таких чемода-
на, что далеко не унесешь. Кабюс приготовился, чтобы в ближайшие дни пере-
браться в тот домик, наладил мне Камеру — уже четвертый или пятый раз, не
помню, — и ваш покорный слуга двинул в свое последнее, решающее путешествие,
в год 1938-й. Я выбрал именно 38-й, чтобы не попасть к началу второй мировой
войны, когда всем станет не до картин.
В общем-то, все было мне привычно. Без особых волнений возник со своим ба-
гажом ночью на бульваре, при мне отлично сфабрикованный паспорт с несколькими
заграничными визами. Поехал на вокзал, взял билет до Брюсселя. Оттуда переко-
чевал в Роттердам, пароходом в Лондон, из Лондона в Гамбург, Кельн, Лозанну,
опять в Париж. Мотался по Европе больше двадцати двух дней и за это время
превратил все привезенное из 1996-го в наличные деньги. Вызвал даже панику на
рынке драгоценностей — представляете себе, вдруг выбрасывается такое количе-
ство товара сразу.
В Париже разыскал проезд Нуар и наш домик. Хозяева оказались предками моло-
дой женщины, которой предстояло владеть им через шесть десятилетий, но, само
собой, разумеется, были совсем другие люди. Я объяснил, что пишу роман, что
нравится атмосфера старины и хотел бы поработать тут в полном одиночестве.
Предложил тысячу франков за месяц, они не пожелали со мной разговаривать. По-
обещал пять, они задумались, а когда сказал, что не постою и за пятнадцатью,
спросили, можно ли им остаться еще до вечера.
Место было — лучше не придумаешь. Уличка пустая, безлюдная, одни только
кошки греются на солнце, да шмыгают из подворотни в подворотню. Дом стоит
чуть в глубине, за ним глухая стена ткацкой фабрики, с одного боку склад, с
другого — унылый сад, сплошь в крапиве. Тут даже во дворике можно было б за-
рыть в землю целый Кельнский собор, и никто бы не заметил.
Въехал, разложил по комнатам свое имущество, зашторил окна, спустился в
подвал. Сморю, здесь пол тоже выстлан досками — это для меня и лучше. Набрал
себе постепенно инструментов и взялся за работу. Снял доски, принялся выру-
бать в кирпичном фундаменте тайник. Тогда как раз появились в продаже первые
ламповые радиоприемники — громоздкие такие ящики, несовершенные, с хрипом,
сипеньем. Зафугуешь эту махину наверху на полную мощность, а сам внизу долба-
ешь . Вручную, конечно. В ту пору даже электродрели не было. А кладка слежав-
шаяся — строили на века. Это в мое время стало, что лишь бы строение от ветра
или сейсмических колебаний не свалилось, да чтобы светло и уютно. А тогда за-
пас прочности давали раз в двадцать больше, чем надо. Сперва шлямбур поста-
вишь и лупишь по нему кувалдой. Потом ломом зацепляешь кирпич, наваливаешься,
и он лезет со скрипом, как коренной зуб. По кирпичу в час у меня получалось,
не больше.
Возился я, возился, и сам все думаю: ведь небось через шестьдесят лет впе-
ред в этот миг Кабюс сидит в подвале, и ждет, что вот-вот проступит по кирпи-
чам линия тайника. Интересно так было, что вот я здесь, они там, в одни и те
же моменты, в одном и том же месте, но через время. Я чего-то сделаю, а там
отражается.
Долго ли, коротко, но дело было сделано. Почистился и временно перебрался
на жительство в отель «Бонапарт» неподалеку от Люксембургского сада, где мог-
ли предложить действительно необыкновенные для той эпохи комфорт и удобства.
Отдохнул и вышел в город.
Лихорадочное какое-то было времечко — вот этот октябрь предвоенного 1938-
го . Недавно Даладье вернулся из Мюнхена и заявил на аэродроме, что он и Чем-
берлен «привезли Европе мир». Чехословакию отдали германскому фюреру, который
с трибуны рейхстага торжественно заявил, что его страна не имеет больше ника-
ких территориальных притязаний к кому бы то ни было. А Риббентроп, фашистский
министр иностранных дел, тем временем пригласил к себе польского посла в Бер-
лине Липского, чтобы потребовать от Польши город Гданьск, или Данциг, как он
тогда назывался.
Но Париж еще не знал этого и праздновал наступление обещанной мирной эпохи.
На Елисейских полях стоял чад от автомобилей. Светящимися крыльями вертела
новая Мулен-Руж. В своих первых фильмах снялся этот, как его... Жан Габен.
Юбки постепенно делались короче, но то были, естественно, не мини-юбки, до
которых оставались еще десятилетия. Народный фронт отгремел. Буржуа, ничего
не боясь, отплясывали «суинг» в ночных ресторанах. Лилось шампанское, вошел в
моду кальвадос, который воспел потом Ремарк в романе «Триумфальная арка».
И, конечно, Винсент Биллем Ван Гог был уже в полной славе своей. Все-таки
он добился признанья, мой вечный неудачник. Лицо, которое я так хорошо знал,
появилось на страницах журналов, газет, даже на афишных тумбах. Печатались
многочисленные статьи о нем, книги. Цветная фотография позволила заново ре-
продуцировать его произведения. Несколько подлинников висело в Музее Родена,
в Музее импрессионистов, а в Лувре как раз открылась большая выставка, куда
было свезено около четырехсот вещей из Лондона, Нью-Йорка, из ленинградского
Эрмитажа, Бостона, Глазго, Роттердама, из московского Музея изящных искусств,
из бразильского города Сан-Паулу, даже из Южной Африки и Японии. То, что он
писал и рисовал рядом с деревянным корытом или на холоду, дуя на замерзающие
пальцы, то, что сваливал под ободранную койку или, голодный, с пустым, урча-
щим брюхом, волок на себе, перебираясь из трущобы в хижину, опять в трущобу и
в сумасшедший дом,— все это распространилось теперь по всему миру. Эскизы,
которые он набрасывал, упрашивая моряка или проститутку постоять несколько
минут, композиции, что начинал, судорожно высчитывая, хватит ли денег на ту
или иную краску, повсюду висели на почетных местах, путешествовали только на
специальных самолетах и в специальных вагонах, и многочисленная охрана сопро-
вождала их во время перевозок. На открытии выставки в Лувре исполнялись госу-
дарственные гимны, а ленточку перерезал посол республики Нидерландов об руку
с министром просвещения Франции. Действительно они сбылись — слова, услышан-
ные мною тогда в последнее свиданье, что труд его принесет плоды. Ей-богу,
мне хотелось, чтоб хоть краешком глаза он мог увидеть вспышки магния во время
торжественной церемонии и очереди, что стояли с утра до вечера у входа в ле-
вое крыло музея, услышать звуки оркестра и разговоры в толпах. Но все это бы-
ло невозможно, как невозможны вообще для человека путешествия в собственное
будущее. Ван Гога уже полвека не было на земле, никакая сила не могла вырвать
его из скромной могилы в Овере, где рядом с ним лег его брат.
Сам я, между тем, в силу неясного мне чувства все откладывал и откладывал
первое посещение выставки. Пора было приниматься за переговоры относительно
покупки картин, но я медлил. Задумчивое настроение овладело мною, было так
приятно гулять осенними старыми улицами, выпивать стаканчик в маленьких кафе
— некоторые рецепты, к сожалению, утерялись теперь,— слышать одинокий звук
гитары из глубины сырого дворика, улавливать запахи осенних листьев, которые,
собрав в кучки, сжигали в садах и скверах. Во мне пробудилось ощущение исто-
рии: сравнивая Париж этой осени с тем, каким он был в 1888 и 1895 годах, со
спокойной грустью я отмечал неумолимый ход времени. Город, правда, еще оста-
вался старым городом, не существовало пока однообразных новых кварталов и
всей системы перекрещивающихся многослойных дорог, которую стали создавать в
70-х.
Вот так прогуливаясь, однажды утром я забрел на маленькое кладбище. Было
светло, солнечно, пели птицы. Знаете, как у них бывает — начнет одна, затем,
будто опомнившись, присоединятся еще две-три, а к этим целый десяток. Минуту
длится концерт, внезапно все умолкает, и так до того мгновенья, когда кто-то
опять нарушит тишину. Я сел на скамью, прошла нянька с девочкой, неподалеку
взад-вперед шагал тощий молодой поэт, шепча про себя стихи. Почему-то здесь
мысль о смерти не казалась отталкивающей.
Я посмотрел на скромный каменный крест передо мной и увидел надпись. «Ио-
ганна Ван Гог-Бонгер. 1862—1925». Понимаете, это была могила жены Теодора.
Той, о которой Ван Гог говорил в письмах как о «дорогой сестре».
Значит, она умерла, сказал я себе. Впрочем, удивляться тут было нечему.
Как-никак со времени моего знакомства с ней прошло больше четырех десятиле-
тий. То есть прошло, как вы сами понимаете, для нормальной жизни, для истори-
ческого развития, но не для меня, который приехал в 1938 год примерно таким
же двадцатипятилетним болваном, каким приходил тогда на улицу Донасьон в
1895-м.
Поднявшись со скамьи, я подошел ближе к чугунной оградке. Чуть покачивались
ветки разросшегося жасмина, крест окружали три венка из искусственных цветов,
заключенных в стеклянные футляры по обычаю начала этого века. Я нагнулся,
чтобы разобрать слова на полуистлевшей ленте. Внезапно дрожь прошла по моей
спине, а горло сжалось.
«Верность, самоотверженность, любовь» — вот что там было написано.
И это ударил первый гром. Я выпрямился, закусил губу. Неплохая была семья —
Ван Гоги. Один рисовал, другой, отказывая себе, поддерживал его, а третья не
позволила миру пропустить, бросить незамеченным то, мимо чего он уже готов
был равнодушно пройти. Я вспомнил Иоганну, ее чуть вытаращенные глаза, досто-
инство, с которым она сказала тогда, что не продаст картины. Действительно,
нужна была верность, чтобы заявить, что произведения полусумасшедшего отще-
пенца и неудачника необходимы человечеству. На самом деле требовалась любовь,
чтоб долгие годы день за днем разбирать смятые пожелтевшие листки, расшифро-
вывать строки нервно бегущего почерка, слова и фразы на дикой смеси голланд-
ского , английского и французского, сопоставлять, переписывать, приводить в
порядок. Но она взяла на себя этот самоотверженный труд, посвятив ему собст-
венную жизнь, преодолела все препятствия, сумела убедить сомневающихся изда-
телей и выпустила первый томик. Теперь ее давно уже нет, но к современникам
доносится горькая жалоба Винсента из Хогевена, Нюэнена, Арля, его гнев и на-
дежда .
Черт меня возьми!.. Смятенный, я вышел с кладбища и неожиданно для себя от-
правился в Лувр.
Приезжаю. Толпа, топтание на месте, медленное продвижение. Все, конечно,
вежливы, добродетельны... И разговоры. Сравнивают Ван Гога с другими импрес-
сионистами и постимпрессионистами, ищут всяческие взаимные влияния. Одному
нравятся портреты, другой восторженно говорит о пейзажах. Я же молчу и думаю,
что все это гипноз. Спору нет, он был великий, прекрасный человек, однако что
касается художника, тут я останусь при своем мнении. Ни рисовать, ни писать
маслом он не умел и не научился. Я же сам видел, как он работает, это мазня,
а не живопись, меня не обманут критики и искусствоведы.
Проходим в вестибюль, приобретаем билеты. Служители по-праздничному привет-
ливы и одновременно серьезны, как в храме. Мраморные ступени лестницы, стиха-
ют разговоры, глуше, осторожнее становится шарканье ног.
Первый зал. Тесно... Я стою и почему-то не решаюсь поднять глаза. Затем
поднимаю. Передо мной «Едоки картофеля», рядом «Ткач», «Девочка в лесу»,
«Старая башня Нюэнен». Все хорошо мне знакомое.
Винсент Ван Гог, «Ткач», 1883-84.
Смотрю, и вдруг картины расширяются, увеличиваются, срываются с мест, летят
на меня. Это, как чудо, как фантастика. Грохочет гром, вступает музыка, и я
опять там, на окраине Хогевена, в бедной хижине поздним вечером. Люди непод-
вижны вокруг1 блюда с картошкой, но в то же время двигаются, они молчат, но я
слышу их немногословную речь, ощущаю мысли, чувствую их связь друг с другом.
Такие вот они — с низкими лбами, некрасивыми лицами, тяжелыми руками. Они ра-
ботают , производя этот самый картофель, грубую ткань, простые, первоначальные
для жизни продукты. Они потребляют многое из того, что делают, но какая-то
часть их тяжкого труда в форме налогов, земельной ренты и тому подобного идет
на то, чтоб у других был досуг; из этой части возникают дворцы, скульптуры,
симфонии, благодаря ей развиваются наука, искусство, техника.
Мужчина протянул руку к блюду, женщина тревожно смотрит на него, уж слишком
усталого, — почему-то он не ответил на ее вопрос. Старик дует на картофелину,
старуха, задумавшись, разливает чай. Ей уже не до тех конфликтов, что могут
возникать между молодыми, она знает, что маленькую размолвку или даже ссору
поглотит, унесет постоянный ток жизни, в которой есть коротенькая весна, бы-
стрые мгновенья любви, а потом все работа, работа, работа...
Я узнаю лампу, висящую над столом, закопченный потолок, узнаю самого мужчи-
ну. Вот сейчас я войду к ним, он неторопливо доест свою порцию, затем вста-
нет, что даст мне возможность поговорить с художником. Он не получил никакого
образования, ум его не изощрен и не быстр, но он выходит на темную улицу,
зная, что «так надо», что должно помочь нищему чудаку, снявшему у них угол.
Эти едоки картофеля как будто бы не оставили ничего сверкающего, заметного
на земле в общей летописи племен и государств, но их трудолюбие, неосознан-
ное, почти механическое упорство, с которым они боролись за собственную жизнь
и своих близких, позволили человечеству перебиться, перейти тот опаснейший
момент истории, когда все держалось на мускульной силе, когда человек как вид
в своем подавляющем большинстве попал в условия, пожалуй, худшие, чем у жи-
вотных, когда уже кончилась эпоха его биологического совершенствования, но
еще не вступили другие факторы. Им было трудно, крестьянам, ткачам с серыми
лицами, но они позволили нам сохранить человечность и выйти в будущее, к воз-
можностям глубокого всестороннего контроля над окружающей средой...
С трепетом, с волнением я начинаю понимать, что же сделал Ван Гог — худож-
ник . Он оставил нам их, этих темных работяг, не позволил им уйти в забвенье.
Но более того, он намекнул, что будущим изобильем благ, стадионами, театрами,
вознесшимися ввысь городами-мегаполисами, каким, например, стал Париж к 1995,
и всякими другими чудесами, которых еще и в мое время не было, мы обязаны и
будем впредь обязаны не льющемуся с нашего светила потоку энергии, не гигант-
ским силам, удерживающим вместе частицы атомного ядра, а человеческому серд-
цу.
Черт меня побери! . . Бросаюсь в другой зал, третий, обратно в первый. Рас-
талкиваю народ, то застываю, то срываюсь с места бегом. Смотрю на «Звездную
ночь», что привезена в Лувр из Музея современного искусства в Нью-Йорке, и
мне приходит в голову, что в звездах Ван Гог видел не только светлые точки,
как все мы, но прозрел огромные короны, простирающиеся на миллионы километ-
ров, уловил всеобщую связь всего со всем, поэтическую зависимость нашей жизни
от тех таинственных процессов, что происходят в космосе, — зависимость, кото-
рую лишь впоследствии открыл ученый Чижевский. И не только это! Меня осеняет,
что, развиваясь от вещи к вещи, Ван Гог предвидел проблемы, которые лишь сто-
летием позже стали перед человечеством, когда природа, будто бы уже покорен-
ная, выкинула новый вольт, доказав, что нельзя быть ее господином, а можно —
только другом и сотрудником. Я вижу самодовлеющую ценность бытия, сложность
вечно живущей материи, напряженно застывшую в яркости и резких контрастах его
натюрмортов, чувствую в больших композициях трепет пульса биосферы.
А на пейзажах льется зеленовато-желтый дождь солнечных лучей, о котором он
говорил мне в Арле, по сумасшедшему закручиваются кипарисы, море переливается
розовостью и голубизной, и все это обещает наступление тех времен, когда че-
ловек, освобожденный от заботы о хлебе, поймет, наконец, как прекрасен мир, в
котором ему суждено было родиться...
Что вам сказать? Целый день я провел в Лувре, а вечером уселся на скамью в
Люксембургском саду и стал думать. Все это очень хорошо, картины — вот они
передо мной, я предложу невиданные деньги и, конечно, смогу приобрести боль-
шую часть их. Но с другой стороны, скоро гитлеровцы в рогатых касках затопят
Европу, и рядом с теми, кто борется против них, станут произведения великих
художников, писателей, композиторов. В Голландии возникнет партизанский отряд
имени Ван Гога, еврейская девочка, обреченная фашистами на уничтожение, оста-
вит в своем дневнике запись о «Подсолнухах», томик «Писем» найдут в вещмешке
красноармейца, убитого на фронте под Ленинградом. Желто-зеленый солнечный
свет будет нужен людям и в трудный послевоенный период — в сложные пятидеся-
тые годы и тревожные шестидесятые. Так неужели же я окажусь таким последним
мерзавцем, чтобы исключить Ван Гога из истории человечества, скрыть его как
раз в то время, когда в нем более всего нуждаются?
Я встал, пошел в отель «Бонапарт», взял два своих чемодана, набитых долла-
рами, влез в подземку, вылез около Двойного моста. Спустился под пролет к ре-
ке, устроился поудобнее, раскрыл чемоданы и принялся потихоньку бросать кре-
дитные билеты в воду. Отщипывал стодолларовые бумажки по одной, они выскаль-
зывали из моей руки, плыли метров десять, а затем постепенно тонули. Сел ря-
дом оборванный толстенький бродяга. Помолчал, спросил, фальшивые ли. Я отве-
тил , что настоящие. Он осведомился, сколько их тут у меня, я объяснил, что
около полутора миллионов наличных и еще на три с половиной чеками. Он некото-
рое время смотрел, как я распечатываю пачки, и сказал:
— Оставь доллар. Возьмем вина.
Я дал ему долларовую бумажку, он принес большую бутылку молодого корсикан-
ского. С ним я остался ночевать тут же под мостом, в дырявой палатке, а потом
прожил там две недели. Отель мне опротивел, ни разу я не зашел ни туда, ни на
проезд Нуар, где зиял в подвале развороченный пол. Кормились с бродягой у Ор-
леанского вокзала. То чемодан кому-нибудь поднесешь, то поможешь шоферу раз-
грузить машину — неплохо даже зарабатывали. Приятный человек был этот тол-
стенький. Все хвалил меня, что я спустил деньги в реку. Говорил, от них одна
морока.
Быстро пронеслись четырнадцать дней, настало 30 октября, когда меня должен
был вызвать 1996 гол. Явился я к двенадцати ночи на бульвар Клиши, становлюсь
на знакомое место. Настроение отличное, только что устроили с бродяжкой про-
щальный ужин там под мостом.
Смотрю на ручные часы — они у меня были, кстати, наши, кристаллические, но
в «мозеровском» корпусе, ни уходить вперед, ни отставать не могли. Все точно
— еще пятнадцать секунд, и прощай 1938-й.
Набрал в легкие воздуху, чуть приподнял руки. Когда тебя в Камеру затягива-
ли, на миг возникало ощущение, будто с вышки бросаешься в воду или, скажем,
прыгаешь вверх с ракетным ранцем. Очень ненадолго, конечно.
Ну, думаю, пусть только Кабюс начнет свое всегдашнее нытье, пусть только
слово посмеет сказать. Как врублю ему между глаз — узнает, корыстолюбец, как
нарушать Всемирный Закон, торжественно подписанный представителями разных на-
родов и эпох!
Пять секунд до срока... две... одна, и ...
И ничего!
Удивился, решил, что сам мог ошибиться на минуту — не запомнил точно срок.
Еще раз поднимаю руки. Секунды сыплются. Три... одна... ноль.
Опять ничего.
И, вы знаете, так я и остался в вашей современности. Вызова не было ни в
эту ночь, ни в следующую, ни всю неделю, что я туда приходил, на бульвар. То
есть остался я там, в 1938 году, а потом уже вместе со всеми, общим порядком,
дожил, доехал вот до этого, 1970-го...
Что вы говорите — «Кабюс рассердился»?..
Честно говоря, мне и самому сначала так подумалось. Договоренность была,
что я пробуду в 1938-м три месяца. Вот я и прикинул, что Кабюс с женой к кон-
цу этого срока взломали пол в подвале, увидели, что там пусто и решили меня
вообще не выдергивать. Но, с другой стороны, могло быть и совсем иначе. Тут
вся штука в изменениях, которые нельзя предвидеть. Помните, у нас был разго-
вор, что даже после того, как сдернут завиток, какие-то последствия твоего
пребывания в прошлом все равно остаются. Я вам не говорил, что всякий раз,
когда я возвращался от Ван Гога, Кабюс менялся? На него и с самого начала де-
вушки не заглядывались, результатом же моего первого путешествия было то, что
нос у него еще вытянулся и скривился. После сдернутого завитка нос сделался
короче, но остался на сторону. И так оно пошло. Когда я вернулся, прыгнув
второй раз, он был уже не Кабюсом, а Бабусом и стал меньше ростом. После
третьего путешествия физиономия у него стала совершенно, как у хорька, знае-
те, такая вся собранная вперед. Он меня всегда спрашивал при выходе из Каме-
ры, почему я так странно на него смотрю. Один раз заподозрил что-то и стал
допытываться, не был ли он раньше красавцем. Однако Кабюс, конечно, только
самый очевидный пример — то, что мне первое в глаза бросилось. Были и другие
перемены. Даже с Ван Гогом, между прочим, кое-что менялось. Смотришь его
письма и другие материалы о нем до очередного путешествия — там одно, а когда
возвращаешься — немножко не так. Вот сейчас я читаю в книгах, что «Едоков
картофеля» художник написал в 1885 году, а когда я первый раз путешествовал,
это был 83-й. Правда, сама картина осталась совершенно той же. И, наконец,
еще один важный момент. Чем ближе к своей собственной современности ты воро-
шишь прошлое, тем заметнее всякие побочные эффекты. То же самое, как если бы
веселая компания облюбовала уютную бухточку на реке, а потом кто-нибудь под-
нялся бы вверх по течению и шутки ради вылил в воду ведро краски. Если он это
проделает километров за десять от места, где сидят остальные, никто ничего и
не заметит. А если в трех шагах, то вода будет вся красная или там зеленая.
Но ведь в последний раз я метнул именно в близкое прошлое, да еще наделал там
шуму, распродавая драгоценностей на несколько миллионов. Поэтому вовсе не
обязательно, что Кабюс обозлился и обиделся. Могло быть, что в новом варианте
истории он не стал техником при Временной Камере, что не нашел лазейки, как
замещать энергию, что мы с ним просто не были знакомы или что изобретение
Временной Петли укатилось дальше в будущее. Более того, могло быть, что при
осуществившихся изменениях, при другой альтернативе я сам вообще не родился,
как тот сержант в Рио. И некого было вызывать.
Так или иначе, я не вернулся в будущее, остался здесь. И, вы знаете, не жа-
лею. Еще неизвестно, что из меня получилось бы в 1996-м.
Молодежь тогда уже пошла хорошая, об ЕОЭнах мало кто стал думать, мир быст-
ро менялся. Я бы продолжал свои махинации — именно потому, что безопасно бы-
ло, — зарвался бы, естественно, и в конце концов закатали бы меня в мезозой,
к птеродактилям.
А тут жизнь хорошо сложилась, я доволен. В 39-м война началась, участвовал
в Сопротивлении, потом женился, работал. Две дочки у меня, младшая кончает
университет, старшая замужем, и внуки есть. Недавно поступил сюда в музей
сторожем в зал Ван Гога. Все смотрю, как приходят люди, взрослые, или мальчи-
ки в клешах, круглоглазые девчонки. Стоят, глядят, и каждому попадает в серд-
це зеленовато-желтый луч. И так мне приятно, чго я не увел тогда картину...
Ара, вот уже звонок, сейчас будут закрывать, надо подниматься. . . Что вы
сказали? Помню ли я, что должно быть от 1970 до 1996 года? Какие произойдут
события? Конечно, помню, и мог бы рассказать все. Но только не имеет смыс-
ла. . . Почему? Ну, во-первых, потому, что я сюда попал и своим присутствием
оказываю некоторое влияние. Но не это главное. Я же вам объяснил, неужели вы
не поняли?.. «Ничего не делать?». Нет, почему же, как раз надо все делать!
Будущее всегда есть, но каким оно там впереди осуществляется, зависит от то-
го, как мы поступаем в своей эпохе. Ну, допустим, вы хотите что-то совер-
шить ... Если вы выполнили свое решение, идет один вариант будущего, а струси-
ли или заленились — другой, уже без вашего поступка. Итак, от самых мелких
вещей до глобальных. Будущее — это бесконечность альтернативных вариантов, и
какой из них станет бытием, полностью диктуется всеми нами. Я-то знал один
вариант, но их бесконечность, поэтому ничего нельзя сказать наперед, за ис-
ключением самых общих вещей.
Так что вы не спрашивайте, каким будет завтрашний день. Хотите, чтобы он
был великолепным и блестящим, делайте его таким. Пожалуйста!
Винсент Биллем ван Гог. Автопортрет (1887) .
ВИНО ИЗ ОДУВАНЧИКОВ4
Рэй Бредбери
«...Они рвали золотистые цветы, цветы, что наводняют весь мир, переплески-
ваются с лужаек на мощеные улицы, тихонько стучатся в прозрачные окна погре-
бов, не знают угомону и удержу и все вокруг заливают слепящим сверканием рас-
плавленного солнца.
— Каждое лето они точно с цепи срываются, — сказал дедушка. — Пусть их, я
не против. Вон их сколько, стоят гордые, как львы. По смотришь на них подоль-
ше — так и прожгут у тебя в глазу дырку. Ведь простой цветок, можно сказать
сорная трава, никто ее и не замечает, а мы уважаем, считаем: одуванчик — бла-
городное растение.
Они набрали полные мешки одуванчиков и унесли вниз, в погреб. Вывалили их
из мешков и во тьме погреба разлилось сияние. Винный пресс дожидался их, от-
крытый, холодный. Золотистый поток согрел его. Дедушка передвинул пресс, по-
вернул ручку, завертел — быстрей, быстрей — и пресс мягко стиснул добычу...
— Ну вот... вот так...
Сперва тонкой струйкой, потом все щедрей, обильнее побежал по желобу в гли-
няные кувшины сок прекрасного жаркого месяца; ему дали перебродить, сняли пе-
ну и разлили в чистые бутылки из-под кетчупа — и они выстроились рядами на
полках, поблескивая в сумраке погреба.
Вино из одуванчиков.
Самые эти слова — точно лето на языке. Вино из одуванчиков — пойманное и
закупоренное в бутылки лето. И теперь, когда Дуглас знал, по-настоящему знал,
что он живой, что он затем и ходит по земле, чтобы видеть и ощущать мир, он
понял еще одно: надо частицу всего, что он узнал, частицу этого особенного
дня — дня сбора одуванчиков — тоже закупорить и сохранить; а потом настанет
такой зимний январский день, когда валит густой снег, и солнца уже давным-
давно никто не видел, и, может быть, это чудо позабылось, и хорошо бы его
снова вспомнить, — вот тогда он его откупорит! Ведь это лето непременно будет
летом нежданных чудес, и надо все их сберечь и где-то отложить для себя, что-
бы после, в любой час, когда вздумаешь, пробраться на цыпочках во влажный су-
мрак и протянуть руку...
И там, ряд за рядом, будут стоять бутылки с вином из одуванчиков — оно бу-
дет мягко мерцать, точно раскрывающиеся на заре цветы, а сквозь тонкий слой
пыли будет поблескивать солнце нынешнего июня. Взгляни сквозь это вино на хо-
лодный зимний день — и снег растает, из-под него покажется трава, на деревьях
оживут птицы, листва и цветы, словно мириады бабочек, затрепещут на ветру. И
даже холодное серое небо станет голубым.
Возьми лето в руку, налей лето в бокал — в самый крохотный, конечно, из ка-
кого только и сделаешь единственный терпкий глоток; поднеси его к губам — и
по жилам твоим вместо лютой зимы побежит жаркое лето...
...Даже бабушка в какой-нибудь февральский день, когда беснуется за окном
вьюга и слепит весь мир, и у людей захватывает дыханье,— даже бабушка тихонь-
ко спустится в погреб.
Наверху в большом доме будет кашель, чиханье, хриплые голоса и стоны, про-
стуженным детям очень больно будет глотать, а носы у них покраснеют, точно
вишни, вынутые из наливки,— всюду в доме притаится коварный микроб.
И тогда из погреба возникнет, точно богиня лета, бабушка, пряча что-то под
вязаной шалью: она принесет это «что-то» в комнату каждого болящего и разоль-
ет — душистое, прозрачное — в прозрачные стаканы, и стаканы эти осушат одним
глотком. Лекарство иных времен, бальзам из солнечных лучей и праздного авгу-
4 Отрывок
стовского полудня, едва слышный стук колес тележки с мороженым, что катится
по мощеным улицам, шорох серебристого фейерверка, что рассыпается высоко в
небе, и шелест срезанной травы, фонтаном бьющей из-под косилки, что движется
по лугам, по муравьиному царству,— все это, все — в одном стакане!
Да, даже бабушка, которая спустится в зимний погреб за июнем, наверное, бу-
дет стоять там тихонько, совсем одна, в тайном единении со своим сокровенным,
со своей душой, как и дедушка, и папа, и дядя Берт, и другие тоже, словно бе-
седуя с тенью давно ушедших дней, с пикниками, с теплым дождем, с запахом
пшеничных полей, и жареных кукурузных зерен, и свежескошенного сена. Даже ба-
бушка будет повторять снова и снова те же чудесные, золотящиеся слова, что
звучат сейчас, когда цветы кладут под пресс, — как будут их повторять каждую
зиму, все белые зимы во все времена. Снова и снова они будут слетать с губ,
как улыбка, как нежданный солнечный зайчик во тьме.
Вино из одуванчиков. Вино из одуванчиков. Вино из одуванчиков».
Вино из одуванчиков — слабоалкогольный напиток из цветков одуванчика, лимо-
нов и пряных трав, популярный в Англии напиток. Для ароматизации вина добав-
ляют в настой пряные травы (мелиссу, монарду, душицу, чабрец, мяту, змеего-
ловник и др.) .
Для изготовления напитка используют жёлтые лепестки цветков одуванчика,
оторванные от зелёного цветоложа. Срывают головки цветов в первой половине
дня, пока они еще не закрылись. Рекомендуется выбирать растения, у которых
лепестки очень легко отделяются от цветоложа. Такие растения считают полно-
стью созревшими и опылёнными. Цветы, у которых лепестки с трудом отделяются
от цветоложа, лучше не использовать.
Сбор нельзя проводить после дождя и рано утром, пока не обсохла роса, а
цветы ещё не раскрылись. Также можно сделать вино и из всего цветка. Такой
напиток будет даже полезнее для здоровья, но вот характерной горчинки не из-
бежать , да и цвет может получиться далёким от ожидаемого.
Тем, кто полагал раньше, что вино из одуванчиков готовить невероятно слож-
но , посвящается наш простой и понятный рецепт. Многие узнали об этом напитке
из романа Рэя Брэдбери и, возможно, поэтому такое гастрономическое явление
кажется фантастическим. На самом же деле вино из одуванчиков имеет вполне ре-
альный вкус и очень приятный аромат, поэтому потратить время на сбор этих ве-
сенних цветов и прочие манипуляции с ними точно имеет смысл. Тем более что
удивить таким напитком можно даже самых искушенных гурманов. А уж если пре-
поднести вино из одуванчиков в подарок романтику, то его восторгу просто не
будет предела!
Ингредиенты на 1 порцию:
■ лимоны - 2 шт.
■ сахар - 1,5 кг
■ веточки мелиссы лимонной или мяты - 3-4 шт.
■ литровая банка цветков одуванчика - 1 шт.
■ изюм - 100 г
Для вина нужны только лепестки одуванчиков. Поэтому, прежде всего, необхо-
димо отделить их от цветоложа. Это можно сделать с помощью ножа. Прижать ле-
пестки лезвием и сильно дернуть за основание стебля.
Положить лепестки одуванчиков в большую кастрюлю и залить 4 л холодной ки-
пяченой фильтрованной воды. Накрыть крышкой и оставить на 24 ч при комнатной
температуре.
На следующий день растворить в 0,5 л кипящей воды сахар и варить на малень-
ком огне до готовности. Готовность сиропа проверяют так: наносят каплю на
гладкую поверхность - если она не растекается, сироп готов.
Настой из одуванчиков довести до кипения на сильном огне, затем снять с
плиты и дать полностью остыть. Процедить отвар через мелкое сито, лепестки
одуванчиков удалить.
Срезать с лимонов цедру в виде спирали, из мякоти выжать сок. Добавить в
процеженный цветочный отвар сахарный сироп, изюм, мелиссу, цедру и сок лимо-
на . Смесь тщательно перемешать, закрыть марлей и отставить на 2 дня для бро-
жения . После первичного брожения цедру и мелиссу удалить.
Перелить жидкость вместе с изюмом в большую бутыль и насадить на горлышко
резиновую перчатку с небольшой дыркой в пальце. Оставить в темном месте при
комнатной температуре для дальнейшего брожения. Когда брожение прекратится,
отделить осадок. Перелить вино в бутылки, плотно закрыть и убрать в прохлад-
ное темное место на 3-6 месяцев для созревания.
Одуванчик лекарственный.
Одуванчик (лат. Taraxacum) — род многолетних травянистых растений семейства
Астровые, или Сложноцветные (Asteraceae). Типовой вид рода — Одуванчик лекар-
ственный — хорошо известное растение с розеткой прикорневых листьев и крупны-
ми ярко-жёлтыми соцветиями-корзинками из язычковых цветков. В ненастную пого-
ду и на ночь корзинка закрывается. На вершине вытянутого носика семянки име-
ется множество волосков, с их помощью плод одуванчика может перелетать в воз-
душных потоках на большие расстояния.
Многие виды одуванчика — злостные сорняки, борьба с которыми затруднитель-
на. На отрезках корней образуются придаточные побеги и боковые корни. Способ-
ность к регенерации очень высока по окончании плодоношения растений, а во
время фаз бутонизации и цветения она подавлена. Поэтому участки земли, засо-
рённые одуванчиком, рекомендуется обрабатывать режущими орудиями в фазу буто-
низации .
Родовое название лат. Taraxacum происходит от латинизации арабского назва-
ния этого растения (араб. bj^Jjjjf, заимствованного в свою очередь из пехл.
tarrag-i skohan («трава бедняков»), названного так потому, что его едят лишь
во время голода.
С давних времён одуванчики употреблялись в пищу различными народами. Они
были хорошо известны древним египтянам, грекам и римлянам и использовались в
традиционной китайской медицине более тысячи лет. Растение использовалось в
качестве еды и лекарства, как коренными американцами, так и первыми поселен-
цами на Американском континенте. Одуванчики, вероятно, прибыли в Северную
Америку на корабле Мейфлауэр как лекарственное растение.
Его молодые листья и стебли, содержащие каротиноиды и витамин В2, практиче-
ски лишены горечи и потому часто используются для приготовления салатов и су-
пов . Зрелые листья перед употреблением вымачивают в подсоленной воде, чтобы
убрать горечь.
Из сушёных корней готовят «одуванчиковый кофе», из цветков одуванчика варят
варенье и делают вино, из раскрывшихся бутонов готовят «одуванчиковый мёд».
Корень одуванчика лекарственного (лат. Radix Taraxaci), накапливающего осе-
нью до 40 % инулина, используют в качестве лекарственного сырья. Сушёный ко-
рень применяют в виде отвара, густого экстракта как горечь для усиления сек-
реции пищеварительных желёз и как желчегонное средство, укрепляющее и оздо-
равливающее печень. Настойка корня одуванчика возбуждает аппетит, обладает
спазмолитическими, слабительными и кровоочистительными свойствами.
В России чаще других встречается Одуванчик лекарственный (Taraxacum
officinale), листья которого содержат железо, кальций, фосфор, калий, витами-
ны А, В, С, Е, гликозиды (тараксацин, тараксацерин), тритерпеновые спирты,
белки (5 %) и некоторые другие соединения. По содержанию фосфора листья оду-
ванчиков превосходят зелень обычных листовых овощей.
Одуванчик пользуется популярностью и в народной косметике: маска из его
свежих листьев питает, увлажняет и омолаживает кожу, а настой цветков отбели-
вает веснушки и пигментные пятна.
Одуванчик — ценный весенний пыльценос и медонос, даёт пчёлам поддерживающий
взяток в течение 10—15 дней. Мёд из нектара одуванчиков золотисто-жёлтого или
темно-янтарного цвета, густой консистенции, с сильным ароматом и резким не-
приятным горьковатым вкусом, быстро кристаллизуется крупнозернистой садкой.
Пыльца-обножка — оранжевого цвета.
В корнях некоторых видов одуванчиков содержится каучук. Два вида одуванчи-
ков — Коксагыз (Taraxacum koksaghyz) и Крымсагыз (Taraxacum hybernum) — преж-
де культивировали как каучуконосы. В корнях кок-сагыза — эндемика восточного
Тянь-Шаня — содержится до 20 % высококачественного каучука. На настоящий мо-
мент этот промысел полностью вытеснен искусственным каучуком, однако, есть и
новые предложения по разведению каучуконосных одуванчиков
Одуванчик — корм для домашних грызунов, в том числе кроликов и хомяков.
ЗНАМЕНИТОСТЬ
Фредерик Браун
Жил-был этот самый Хенли — Эл Хенли. Поглядеть на Него — никогда не подума-
ешь, что из этого человека может выйти что-нибудь путное. А знай вы историю
Его жизни до появления дарианцев, вам и в голову не пришло бы, чем все мы —
как станет вам ясно к концу рассказа — обязаны этому человеку.
Когда все произошло, Хенли был пьян. Тут не было ничего удивительного: Он
уже давно не протрезвлялся, и не имел никакого намерения это сделать, хотя
продолжать ему было все труднее и труднее. Сначала у Него кончились деньги,
потом — приятели, у которых можно было поживиться. Список просто знакомых то-
же подходил к концу, и Он прикинул, что от оставшихся ему, пожалуй, не вытя-
нуть больше, чем в среднем по четвертаку с головы. А о том, чтобы зашибить
деньгу у прохожих, не могло быть и речи — уж очень этого не любили фараоны, и
попробуй только Эл подойти к кому-нибудь - Его вмиг упекли бы в каталажку,
где Он и провел бы ночь без единой капли виски, а страшней этого для Хенли не
было ничего на свете. От одной мысли об этом Хенли содрогнулся.
И тут Его хлопнул по плечу Кид Эглстон, старый приятель и собутыльник. Ко-
гда-то Кид был боксером, но его слишком часто били, и сейчас он подвизался
вышибалой в пивной, где его, естественно, и встречал Хенли.
Не стоит напрягать память, запоминая его имя и биографию, — Кид недолго
протянет в этом рассказе. Ровно через полторы минуты он вскрикнет, упадет в
обморок, и больше мы о нем ничего не узнаем. Но... благослови судьба этот
вскрик и обморок! Ведь не случись всего, — и очень может быть, что вы сейчас
не читали бы этот рассказ, а копали бы глановую руду под зеленым солнцем в
дальнем уголке галактики., Запомните: от этой печальной участи вас спас — и
спасает до сих пор — Эл Хенли. Не судите Его слишком строго. Прихвати Третий
и Девятый не Хенли, а Кида,— и дело приняло бы совсем другой оборот.
Третий и Девятый прилетели с планеты Дар. Это вторая (и единственная оби-
таемая) планета вышеупомянутого зеленого солнца в дальнем уголке галактики.
Конечно же, Третий и Девятый — не полные имена. У дарианцев вместо имен циф-
ры, и полное имя Третьего, если его перевести в десятичную систему, будет
389057 792 896 223. Но вы уж меня извините, я буду называть его просто Треть-
им, а его спутника — просто Девятым.
В тот момент, когда рука Кида опустилась на плечо Хенли, Третий и Девятый
находились все еще примерно в миле от них в вертикальном направлении. Они бы-
ли не в самолете и даже не в космическом корабле. Дарианцы находились в маши-
не времени. Невидимый для землян куб висел в воздухе в миле над Филадельфией.
Он висел уже четыре дня — Третий и Девятый изучали радиопередачи, чтобы осво-
ить господствующий язык планеты.
Но что они могли узнать о нашей цивилизации или о наших обычаях? Представь-
те себе, что бы подумали о жизни на Земле вы, если бы судили о ней по спор-
тивным репортажам, рекламным передачам и популярным песенкам! Да пришельцы и
не слишком интересовались нашей цивилизацией, ибо она недостаточно развита,
чтобы представлять опасность для планеты Дар, — к такому выводу Третий и Де-
вятый пришли как раз на четвертый день. Трудно за это на них обижаться, да
они, в общем-то, и правы.
— Будем спускаться? — спросил Третий. — Да,— ответил Девятый, и Третий об-
вился вокруг щита управления.
— Пойдем за угол, выпьем? — предложил Хенли.
— А кто ставит? — подозрительно осведомился Кид.
— Понимаешь, старина, я сейчас не при деньгах. Но мне позарез надо выпить.
— Черта с два тебе надо. Ты уже пьяный. Пойди лучше проспись, пока не до-
пился до чертиков.
— Давно уж допился, — ответил Хенли. — И ничего страшного. Погляди, Кид,
вон их там двое стоят сзади тебя.
Кид Эглстон, вопреки всякой логике, обернулся, вскрикнул и упал в обморок.
К нему приближались Третий и Девятый. Позади них вырисовывались туманные
очертания чудовищного куба футов двадцати в ширину. Этот куб и был и не был
одновременно — смотреть на него было жутко. Это, должно быть, и напугало Ки-
да: в самих Третьем и Девятом ничего страшного не было. Они были просто по-
хожи на червей футов в пятнадцать — если бы их вытянуть и выпрямить — длиной
и с добрый фут толщиной посередине (концы были потоньше). Они были приятного
для глаза голубого цвета и не имели никаких видимых органов чувств, так что
оба конца казались совершенно одинаковыми.
— Здорово, ребята — сказал им Хенли. — Вы перепугали моего друга, чтоб вам
пусто было. А он наверняка позудел бы, позудел, да и поставил бы мне выпить.
Так что с вас причитается, господа.
— Реакция алогична, — заметил Третий, обращаясь к Девятому. — Второе тоже
ведет себя странно. Может, возьмем обоих?
— Я думаю, одного будет достаточно. Иди сюда, Существо, — позвал он Хенли.
— А выпить у вас есть?
— Есть, иди сюда.
Хенли вошел внутрь куба. Не то чтобы Он верил, что этот куб существует на
самом деле, но что Ему терять? И уж если ты допился до чертиков, то лучше им
не перечить.
Куб был твердый, вовсе не бесформенный и изнутри не прозрачный, как это ка-
залось снаружи. Третий обвился вокруг щита управления и начал обоими своими
концами поворачивать ручки.
— Эй, парни, а как насчет той выпивки? — забеспокоился Хенли. У Него уже
руки начинали дрожать и по спине бежали мурашки.
— Смотри, Оно явно страдает, — сказал Девятый. — Может быть, Оно хочет пить
или есть? Кстати, что они пьют? Перекись водорода, как мы?
— Большая часть этой планеты покрыта водой, в которой растворен хлористый
натрий. Может быть, синтезировать немного?
— Нет! — закричал Хенли. — Только не воды, даже пресной не хочу! Дайте вы-
пить ! Виски!
— Можно проанализировать Его обмен веществ, — предложил Третий.
Он отделился от щита и приблизился к какому-то странному аппарату. Замигали
лампочки.
— Удивительно,— сказал Третий. — Его организм нуждается в С2Н5ОН!
— С2Н5ОН?
— Да, в спирте! С каплей Н20 и совершенно без хлористого натрия, которого
тут так много. Похоже, это — все, что Оно потребляет уже довольно длительное
время. В Его мозгу и крови спирта 0,234 процента. Создается впечатление, что
весь Его обмен веществ основан на спирте.
— Ребята! — взмолился Хенли.— Подыхаю, как выпить хочется! Кончайте тре-
паться и налейте хоть немного!
— Потерпи, пожалуйста, — сказал Девятый. — Я сейчас приготовлю то, что тебе
нужно.
Он снова взялся за ручки аппарата. Снова замигали лампочки, а потом он от-
правился в угол куба и вернулся минуту спустя. В руках у него была мензурка,
где плескалось около двух литров прозрачной янтарной жидкости.
Хенли понюхал ее, потом попробовал и испустил глубокий вздох.
— Я сражен,— сказал Он. — Чистейшее виски. Что может быть прекрасней?
— Что ты приготовил, Девятый? — спросил Третий.
— Довольно сложная смесь — то, в чем Оно нуждается. 50 процентов спирта, 45
процентов воды. Правда, довольно много других ингредиентов — витамины и мине-
ральные соли, которые нужны Его организму. И еще кое-чего понемногу, для
улучшения вкуса — конечно, с Его точки зрения. Для нас это было бы ужасное
пойло, даже если бы мы могли пить воду или спирт.
Хенли передохнул и хлебнул снова. Его немного качнуло, Он поглядел на
Третьего и ухмыльнулся.
— Теперь я точно знаю: тебя не существует, — заявил он.
— о чем Оно? — спросил Третьего Девятый.
— Оно мыслит совершенно алогично. Сомневаюсь, чтобы эта порода годилась в
рабы. Но надо еще раз удостовериться. Как тебя зовут, Существо?
— Что в имени тебе моем, приятель? — спросил Хенли. — Называйте меня как
хотите, — все равно вы мои лучшие друзья. Поехали — я с вами куда угодно.
Он хлебнул еще, прилег на пол и оставался лежать, издавая странные звуки,
совершенно не похожие на слова. Ни Третий, ни Девятый ровным счетом ничего не
могли понять. Они пытались поднять Хенли, но безуспешно. Тогда они принялись
Его изучать.
Хенли проснулся лишь через несколько часов. Он сел и ошалело уставился на
Третьего и Девятого.
— Нет, не верю, — сказал Он. — Вас нет. Ради бога, дайте скорее выпить.
Ему дали мензурку — за это время Девятый снова ее наполнил. — Хенли выпил и
блаженно закрыл глаза.
— Не будите меня, — попросил Он.
— Но ты не спишь.
— Тогда не давайте мне уснуть. Я только сейчас понял, что это такое. Это —
нектар. То, что пьют боги.
— Кто это — «боги»?
— На самом деле их нет. Но они пьют именно это. Там, у себя, на Олимпе.
И Хенли выпил снова.
— Полное отсутствие логики! — сказал Третий. — По-моему, Оно слишком тупо и
годится только для грубой физической работы. Но если Оно достаточно выносли-
во, все-таки можно рекомендовать совершить налет на эту планету. Здесь три
или четыре миллиарда жителей. А неквалифицированная рабочая сила нам нужна.
Лишних три-четыре миллиарда не помешают.
— Ура! — заорал Хенли.
— У Него, кажется, плохая координация движений, — задумчиво промолвил Тре-
тий . — Может быть, Оно обладает большой физической силой?.. Существо, — обра-
тился он к Хенли, — как нам тебя называть?
— Парни, зовите меня просто Эл, — ответил Хенли, с трудом поднимаясь на но-
ги.
— Это только ты — Эл, или так называется весь ваш вид? Это полное название?
Хенли прислонился к стене и задумался.
— Вид? — повторил Он, — Это значит... Ага! Сейчас я вам это произнесу по-
латыни.
И произнес... Девятый сказал:
— Проверим Твою выносливость. Бегай от одной стенки до другой, пока не ус-
танешь . Давай я подержу мензурку с твоей пищей.
Он попытался взять мензурку из рук Хенли. Но Эл крепко вцепился в нее.
— Еще один глоток. Один-един... единственный глоток, а потом — бегать. Куда
скажете, туда и побегу.
— Дай Ему, Девятый,— сказал Третий.— Может быть, Оно действительно без это-
го не может.
Хенли выпил еще капельку — на этот раз всего с полстакана.
— Хватит,— сказал Третий. — Теперь беги. Хенли сделал два шага и растянулся
на полу. Он перевернулся на спину и остался лежать, блаженно улыбаясь.
— Невероятно! — воскликнул Третий. — А может быть, Оно притворяется? Про-
верь-ка!
Девятый проверил.
— Невероятно! — сказал и он. — Совершенно невероятно — после такой неболь-
шой нагрузки Оно без сознания, и даже к боли нечувствительно. Нет, Оно абсо-
лютно не пригодно для Дара. Садись на место, будем возвращаться. А Его возь-
мем с собой — для пополнения зоопарка. Дело того стоит: я ни на одной планете
не видал такого странного экземпляра.
Третий обвился вокруг щита управления и обоими концами взялся за ручки...
В столице планеты Дар, жители которой владеют миллионами полезных планет и
посетили миллионы бесполезных — в том числе, например, и нашу Землю, — живет
в большой стеклянной клетке Эл Хенли. Клетка стоит на почетном месте, ведь
Оно — действительно, уникальный экземпляр. Середину клетки занимает бассейн,
откуда Эл часто пьет и где Он, как говорят, иногда купается. В бассейн по-
ступает прекраснейший напиток, по сравнению с которым лучшее виски Земли —
все равно, что неочищенный самогон по сравнению с виски. В этот напиток до-
бавляют все витамины и минеральные соли, в которых нуждается организм Хенли.
Напиток не вызывает ни похмелья, ни других неприятных последствий. Он при-
водит Хенли в такой же восторг, как и сам Хенли — это несуразное Существо,—
посетителей зоопарка, которые в полном изумлении разглядывают Его и читают на
клетке табличку, начинающуюся с латинского названия вида. С того латинского
названия, которое Эл сообщил Третьему и Девятому:
ALCOHOLICUS ANONYMUS
ПИТАЕТСЯ С2Н5ОН С НЕБОЛЬШИМИ ДОБАВКАМИ ВИТАМИНОВ И МИНЕРАЛЬНЫХ СОЛЕЙ. ИЗ-
РЕДКА ПРОЯВЛЯЕТ ОСТРОУМИЕ, НО СОВЕРШЕННО АЛОГИЧЕН.
ФИЗИЧЕСКАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ - ПАДАЕТ, СДЕЛАВ НЕСКОЛЬКО ШАГОВ.
КОММЕРЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ НЕ ИМЕЕТ, НО ИНТЕРЕСЕН КАК РЕДКИЙ ПРЕДСТАВИТЕЛЬ ОДНОЙ
ИЗ САМЫХ НЕОБЫЧАЙНЫХ ФОРМ ЖИЗНИ В ГАЛАКТИКЕ.
МЕСТО ОБИТАНИЯ - ПЛАНЕТА № 3 СОЛНЦА YX6547-HG 903.
Дарианцы обращаются с Элом так, что Ему практически уготовано бессмертие. И
это очень хорошо: ведь умри Он, и дарианцы, чего доброго, явятся на Землю за
другим. А здесь им могли бы подвернуться вы или я — приличные, трезвые, дос-
тойные люди, в здравом уме и твердой памяти. Право, это могло бы плохо кон-
читься для всей нашей планеты!..
КАК ДЕЛАЛИСЬ ПРИБОРЫ
Н. М. Рейнов
Иоффе
приглашает
в ученые
За всю мою жизнь произошло много событий — были и эпохальные. Их можно было
бы интересно изложить в больших томах, обладая писательским талантом, но мне
вряд ли удастся сделать это хорошо и доходчиво на бумаге.
Говорят, у бродяг не может быть связных мемуаров, у них остаются в памяти
только клочки, всплески прожитого. А если оглянуться, то я немало побродяжни-
чал . В молодости поменял немало и заводов, и даже городов, в которых жил и
где добывал средства на жизнь себе и своей семье. И вдруг — поменял кочевье
на оседлость. Сорок пятый год живу в одном городе — самом прекрасном городе в
нашей стране — в Ленинграде, и работаю в одном учреждении — в физико-техни-
ческом институте.
С физико-техническим, с покойным теперь Абрамом Федоровичем Иоффе меня свя-
зали какие-то невидимые нити. Говоря по правде, я дважды пытался переходить в
другие институты, но всегда возвращался обратно. Я был чем-то вроде крепост-
ного на оброке, но крепостной уходил и возвращался по желаниям и капризам ба-
рина , я же это проделывал по своей собственной воле. Оказывалось, что мои
уходы были безрассудные, и всегда потом я о них жалел и возвращался. А Иоффе
меня никогда не задерживал и никогда не упрекал, когда я возвращался, а был
рад и принимал снова в дом, как блудного сына.
В мемуарах, которые мне приходилось читать, все житейские события и проис-
шествия обычно излагаются последовательно — день за днем, год за годом, начи-
ная с дневника первоклассника. У меня вряд ли так получится: из спокойных
дней жизни мало что осталось в памяти. Поэтому я буду писать только об от-
дельных прожитых мной событиях, о самых ярких.
Последнее: я пришел к выводу, что желанию писать мемуары подвержен каждый
человек, у которого мертвым грузом лежит в памяти накопившееся за долгую
жизнь и мешает двигаться дальше. Этот груз необходимо сбрасывать. Потому я и
взялся писать.
Об Абраме Федоровиче Иоффе, о «папе Иоффе» — истинном отце советской физи-
ки, написаны и книги, и очерки, и статьи. Писали о нем ученые — его сотрудни-
ки и ученики, писатели и журналисты. Мне за ними не угнаться, я и не пытаюсь
— буду просто говорить то, что у меня на душе и в памяти.
Академик Абрам Федорович Иоффе (1880—1960).
В 1910 году тридцатилетний физик-экспериментатор А.Ф. Иоффе доказал наличие
магнитного поля у катодных лучей. (Этот факт, кажущийся сегодня азбучным, был
в то время предметом дискуссии.)
В последующих работах А.Ф. Иоффе занимался экспериментальным обоснованием
квантовой теории света, изучением механических свойств кристаллов, электриче-
ских свойств диэлектриков, проблемами ядерной физики и, наконец, — особенно —
физикой полупроводников.
Он был великолепный исследователь, но этим его роль в отечественной физике
не исчерпывается.
В 1918 году при участии А.Ф. Иоффе в Петрограде был организован Государст-
венный рентгенологический и радиологический институт — одно из самых первых
научно-исследовательских учреждений, созданных Советской властью. А.Ф. Иоффе
возглавил в нем физико-технический отдел, и спустя немного времени этот отдел
вырос в самостоятельный институт — в знаменитый Физтех — Физико-технический
институт АН СССР.
И если вы сегодня начнете перечислять подряд знаменитых наших физиков и фи-
зико-химиков старшего поколения, то окажется, что чуть ли не большая часть их
вышла из-под крыла Иоффе, из стен Физтеха, где они начинали студентами или
молодыми сотрудниками.
Всех воспитанников Иоффе здесь не перечесть. Среди них — академики А. П.
Александров, Л.А. Арцимович, А. И. Алиханов и его брат член-корреспондент АН
А.И. Алиханьян; сотрудниками и учениками Иоффе были академики В. И. Векспер,
Я.Б. Зельдович, П.Л. Капица, И.А. Кикоин, Г.В. Курдюмов, И.В. Курчатов, Н.Н.
Семенов, Г.М. Франк, И.М. Франк, Ю.Б. Харитон и многие-многие другие. Они
создали славу отечественной науке, славу замечательной школе А.Ф. Иоффе...
В Ленинградском Политехническом институте А.Ф. Иоффе организовал физико-
механический факультет. Так произошло событие первостепенной для советской
науки важности, ибо не просто в одном из институтов открыли еще один факуль-
тет, а было положено начало новой системе подготовки научных кадров, из кото-
рой полностью было вытравлено школярство. Студенты факультета постигали науку
в самом процессе научного творчества. Со второго-третьего курса они включа-
лись в качестве полноправных участников в сложнейшую исследовательскую рабо-
ту, в дискуссии, кипевшие на семинарах, которые вели в Физтехе и сам Иоффе и
его ближайшие сотрудники. Они становились учеными, делая науку.
Созданный Иоффе факультет был предтечей лучших наших современных вузов, го-
товящих научные кадры. Московский физико-технический институт, Московский ин-
женерно-физический институт. Новосибирский университет в Академгородке и дру-
гие учебные заведения строят ныне обучение завтрашних физиков, химиков, био-
логов на принципах, сформулированных Абрамом Федоровичем.
Я знал Иоффе тридцать четыре года: в 1926 я поступил в физико-технический
институт рабочим производственных мастерских, потом стал механиком лаборато-
рии самого Иоффе, дальше с ним работал уже в иных качествах и встречался с
Абрамом Федоровичем до самой смерти в 1960 году.
Сейчас А.Ф. Иоффе чаще вспоминают в связи с физикой полупроводников. Дейст-
вительно, именно из его идей родились фундаментальные открытия, сделанные у
нас и за рубежом, и они, эти открытия, легли в основу промышленного использо-
вания полупроводников, которые теперь вошли в нашу повседневную жизнь (подчас
приходится даже посетовать на то, как они прочно в нее вошли — от транзистор-
ных приемников и магнитофонов иногда просто и жизни нет). Но полупроводники —
всего одна из многих областей науки, в которых Иоффе работал. Он занимался и
ядерной физикой и организовал работы по химической физике и по биологической
физике — всего, к чему он приложил свои руки, здесь не перечислить.
Помню, как в далекие двадцатые годы Абрам Федорович говорил, что истинные
ученые должны обладать не только умом и знаниями — они должны быть одарены
еще интуицией, воображением, даже фантазией, и в этом залог успеха науки. Бы-
ли люди, которые, слыша, улыбались, а за спиной Иоффе и смеялись над этим. А
он сам оказался живым подтверждением своей мысли. Нынешние физики знают, что
некоторые технические идеи Иоффе не всегда оправдывались сразу, но спустя
время они, как правило, брали верх. У меня сложилось впечатление, что дово-
дить свои идеи до решающего конца Иоффе во многом мешал его исключительно
мягкий характер и высшая степень благородства. Иногда, чтобы воплотить идею,
нужно было жестоко спорить, попросту воевать с научными противниками. А время
было суровое, и Иоффе просто щадил своих оппонентов. Он лишь оборонялся, до-
казывал свою правоту только научными доводами.
Он был не просто разносторонний ученый, но еще и убежденный героический ор-
ганизатор . Именно героический. В те годы, когда он начал создавать советскую
физику, не было, как сейчас, специальных институтов по организации и строи-
тельству научных институтов и не было Академстроя, и не было Академ-снаба, и
почти не было подготовленных людей. Надо было обладать фантастическим вооб-
ражением, чтобы видеть на многие годы вперед и представлять себе те огромные
технические возможности, какие можно извлечь из исследований, еще почти не
начатых.
И еще надо было обладать таким характером, какой был у Абрама Федоровича.
Ведь его особые организаторские свойства проявлялись не только в умении рас-
ставить людей, отыскать таланты, поддержать новое направление. Главное было в
том, что Иоффе никогда не приказывал и не распоряжался, даже не поручал ка-
кую-то работу. Он начинал рассказывать о какой-то проблеме (при этом неважно
было, кто был собеседником, которого Абрам Федорович хотел привлечь к рабо-
те,— ученый или мастеровой, как я). Рассказчик он был потрясающий: любую спе-
циальную проблему он мох1 изложить так, что она, хотя бы по видимости, была
понятной даже малообразованному собеседнику, Иоффе втягивал собеседника в об-
суждение проблемы. Заинтересовывал. Заставлял высказывать свои собственные
соображения. И, наконец, у человека, с которым Иоффе говорил, складывалось
убеждение, что именно от него — его мысли, его рук, — зависит решение пробле-
мы, очень-очень важной для науки.
А сделать, решить то, что волнует Абрама Федоровича, было почетно и радост-
но многим его ученикам и сотрудникам любого ранга — ведь Иоффе, обаятельного
Иоффе, десятки людей просто обожали, как гимназистки.
Я до сих пор жалею, что в первые годы работы с Иоффе, из-за своей необразо-
ванности, не понимал по-настоящему (хотя тогда мне казалось, что понимал, —
это Иоффе умел сделать) весь глубокий физический смысл его рассказов. Я ему
слепо верил, всегда готов был сделать все, что он задумывал, и делал все, о
чем он — нет, не просил, — как бы мечтал.
Дверь механической мастерской, «моего хозяйства», в лаборатории Иоффе была
напротив двери, которая вела в квартиру самого Абрама Федоровича. (В Физтехе
по старинной традиции директору научного института квартира была отведена в
самом институте.) Иоффе постоянно заглядывал ко мне по пути на работу или по
пути с работы («из дому» или «в дом»). Садился на табурет. Справлялся, что,
мол, и как. Разговаривал.
Он говорил о физических проблемах, мне неведомых — например, как он спорил
с немецким ученым Смекалем о поляризации света в кристаллах. Или просто рас-
сказывал о том, что видел в своих зарубежных поездках — он в те годы много
ездил, особенно в Германию, с которой в 20-х годах СССР имел очень интенсив-
ную торговлю и культурные контакты. (Абрам Федорович был консультантом из-
вестной фирмы «Сименс и Шуккерт». Идеи из Иоффе просто сыпались, а инженеры
фирмы их аккуратно подхватывали, записывали и оформляли патенты на эти идеи,
которые становились собственностью фирмы. Идеи Иоффе служили как бы валютой,
частью тех средств, которые выплачивались за научное оборудование, какое нам
было необходимо позарез.)
И когда Абраму Федоровичу было нужно, чтобы я включился в какую-то работу,
сделал какое-то устройство, необходимое ему или его сотрудникам, он тоже на-
чинал объяснять мне проблемы, на самом деле мне непонятные. Пробуждал во мне
желание их обсудить, и все это кончалось тем, что я обещал сделать все, что
могло от меня зависеть, — и делал, чего бы это мне ни стоило. Ведь это было
нужно для самого Иоффе!
Вот одна из таких историй.
В Физтехе была лаборатория, которая сначала совсем не имела названия, а по-
том получила название биофизической, и — наконец — из нее вырос Агрофизиче-
ский институт. Помещался институт здесь же, в здании ФТИ. Директором его был
тоже Иоффе, а заместителем был Глеб Михайлович Франк, ныне академик. (Сотруд-
ников биофизической лаборатории мы называли «жабодавами» из-за того, что объ-
ектами их исследований были чаще всего лягушки.)
Биофизикам был нужен метод точного измерения слабо рассеивающегося света в
разных растворах. Тогдашние методики нефелометрии были оптическими, основыва-
лись на субъективных зрительных наблюдениях и в слабо рассеивающих средах по-
просту не годились. Глебу Михайловичу Франку пришла в голову идея так назы-
ваемого компенсационного метода измерения таких сред. Но это была только
идея.
И вот А. Ф. Иоффе пришел, как обычно, ко мне в мастерскую, сел на табуретку
и начал рассказывать, что именно может дать высокая точность измерения слабо
рассеивающих сред, если ее удастся достичь, и как будет интересно придумать
новую установку, которая быстро, устойчиво и с уверенностью давала бы такие
точные результаты. Он рассказывал мне о своем посещении Пастеровского инсти-
тута в Париже. Рассказывал, что там такой установки тоже нет. И в заключение
заявил, что было бы замечательно, если бы мы такую установку разработали, ис-
пробовали и в готовом, собранном виде послали в Париж. Дел у меня в это время
было по горло.
К биофизической лаборатории я никакого отношения не имел. Однако надо ли
пояснять, что я к этой работе приступил тотчас же?.. Вскоре прибор был приду-
ман и изготовлен. Идея Абрама Федоровича и Глеба Михайловича оправдалась.
Прибор получился несложный, но его чувствительность позволяла отсчитывать не-
сколько пылинок в дистиллированной воде, и потому компенсационный метод вне-
дрился во многих лабораториях. Один экземпляр прибора, — конечно, отделанный
покрасивее, — отослали в Пастеровский институт. В «Журнале Технической физи-
ки» была опубликована статья об этом приборе. А Иоффе сообщил о нем на биоло-
гической конференции в Париже в известном своем докладе, где он излагал заме-
чательные идеи о союзе физиков и биологов и рассказывал о том, как он это уже
начал осуществлять на практике — организовал в своем институте лабораторию
биофизики, куда он привлек физиков. (Как пример успешного сочетания усилий
двух наук, он привел еще открытие А.Л. Гурвичем митогенетического излучения.)
И вот однажды рано утром Абрам Федорович пришел в мастерскую. И поначалу
ничего необычного в его приходе я не увидел.
Он стал расспрашивать меня о семье, о заработках и о домашних заботах. Я
отвечал. Разговор был как разговор. Но потом Иоффе вдруг стал говорить, что
мне надо учиться и делаться физиком. Он говорил, что Политехнический институт
и университет готовят теперь физиков много больше, чем до революции, но ему,
Абраму Федоровичу, все-таки постоянно не хватает научных сотрудников, и по-
этому он давно думает, как бы готовить физиков еще больше.
...Иоффе очень хорошо понимал, что физике предстоит в будущем приобрести
огромную важность в развитии страны, и очень упорно старался подготовить как
можно больше ученых, поддерживал все новые научные направления, старался пе-
редать другим ученым свои знания, свои идеи, добиться их полной реализации.
В 1920 году, когда был создан Физтех, Иоффе добился, чтобы в ЛПИ был открыт
физико-механический факультет. И студенты этого факультета уже на третьем-
четвертом курсах начинали заниматься исследовательской работой в Физтехе. За
это Физико-технический институт называли сначала иронически «детским садом»,
но немного времени спустя ученые из «детского сада» начали докладывать свои
работы на международных конференциях, проходивших и в СССР и за границей, и
иностранные ученые были поражены. Ведь зарубежные газеты тогда твердили, что
в Советской России никакой науки нет и быть не может. А тут вдруг оказалось,
что в Ленинграде создан большой институт, все работы которого оплачиваются
государством (в те времена государственных научных учреждений не было ни в
одной стране), и молодые ученые из этого советского института делают велико-
лепные работы, открывают и разрабатывают совершенно новые области науки.
... И вот Абрам Федорович стал мне говорить, что придумал еще один путь под-
готовки физиков. Он решил создать в Физтехе «рабочую аспирантуру» — подбирать
на заводах талантливых рабочих-изобретателей, зачислять их в Физтех — пусть
два-три года готовятся, а потом поступают в Политехнический и работают в ла-
бораториях . И он предложил мне поступить в эту «рабочую аспирантуру».
Он предложил мне стать ученым.
Самым ученым человеком из тех, кого я смалу знал на моей родине, в Мелито-
поле, был бухгалтер виноторговли, в которую меня в тринадцать лет родителям
пришлось отдать за пять рублей в месяц и харчи. (В виноторговле я мыл бутыл-
ки.) Ни один академик, даже сам Абрам Федорович Иоффе, которого я по-сыновьи
любил и почитал, не вызывал у меня такого религиозного трепета, как мелито-
польский бухгалтер из моего детства.
Бухгалтер вел себя, как священник на богослужении. Простых смертных он про-
сто не замечал. Он колдовал над гроссбухами, щелкал счетами, произносил таин-
ственные слова: «дебет» и «дисконто». Даже когда он, придя в контору, просто
надевал черные сатиновые нарукавники, само их надевание уже выглядело, как
обряд. Он был очень важен, бухгалтер, потому что он был ученый человек, знав-
ший то, чего не знали другие. И сын его был для меня тоже очень ученый чело-
век — сын бухгалтера ходил в такое ученое заведение, как мелитопольская гим-
назия, а я — «мальчик» из виноторговли — мог ходить лишь мимо гимназии, да и
заглядывать в окна отваживался только, если поблизости нет сторожа.
. . .В 1917 году я работал инструментальщиком на Петроградском заводе «Фе-
никс» (станкостроительный завод имени Свердлова). После Февральской революции
у нас на «Фениксе» был создан отряд рабочей милиции, потом он стал отрядом
Красной гвардии. Был в этом отряде и я. Ходил на дежурства по поддержанию по-
рядка. Носил револьвер и повязку с буквами «ГМ» — городская милиция. И на
этих дежурствах познакомился и подружился со студентами Психоневрологического
института — они были моими земляками — из южных городов, из Кишинева, Одессы,
Оргеева. Мы с ними вместе дежурили. Вместе читали. Ходили на митинги. Слушали
у дворца Кшесинской Ленина, а в цирке «Модерн» — ораторов других партий. Мно-
го спорили о событиях. Это знакомство несколько изменило мое представление об
ученых людях, как о существах таинственных и всемогущих. Друзья-студенты были
людьми куда более учеными, чем мелитопольский бухгалтер, но и ученостью своей
не щеголяли, и таинственности тоже не напускали. При мне заходили у них и
«ученые разговоры». И я — хоть и мало понимал в этих материях — все-таки ощу-
тил, что ничего сверхъестественного в их знаниях нету, и, если бы оказалась у
меня возможность, мог бы эти «ученые материи», потрудившись посильнее, осво-
ить . К тому же ученые люди сильно уступали мне в житейской приспособленности.
В это время железнодорожное и почтовое сообщение было нарушено, а мои сту-
денты жили либо на деньги, которые посылали им родители (их родители, не в
пример моим, были людьми обеспеченными), либо зарабатывали уроками. Но уроков
весной и летом 1917 года никому не требовалось, деньги по почте не приходили,
а цены на продовольствие росли, и мои ребята пали духом.
У нас на «Фениксе» в это время дела шли неважно: не было сырья, не было ра-
боты , заработок упал. Но я ни от кого никакой помощи не ждал; моя профессия
давала возможность и прокормиться в любых условиях самому, и даже помочь то-
варищам. Я стал ремонтировать электропроводку, водопровод, примуса в близле-
жащих домах. Я был молод, брался за все, и это позволило всем нам про-
держаться до осени 1917 года.
Потом наладилось сообщение, мои товарищи получили деньги и разъехались по
домам. (Наша дружба на этом не кончилась. Мы вновь встретились много лет
спустя.)
Мы не раз говорили о том, что хорошо бы учиться и вот теперь после револю-
ции должна возникнуть возможность учиться. Но обстоятельства вначале склады-
вались совсем не просто.
Весной 1918 года в Петрограде стало совсем трудно жить: заводы останавлива-
лись , не было сырья и топлива и «Петроградская Хозяйственная Организация»
приняла решение закрыть несколько не работавших заводов до лучших времен. Был
закрыт и «Феникс». Всех рабочих уволили и поставили на учет на Бирже труда. Я
тоже записался на Бирже, безрезультатно ждал работы, а потом решил покинуть
Петроград, тем более, что родители звали меня домой. В Мелитополе устроился
на заводе. Жизнь на юге в сравнении с питерской казалась просто легкой. Были
продукты, и заработной платы на житье хватало. Тогда весной 1918 года в Мели-
тополе я познакомился с Анной Михайловной Левиной, которая многие годы была
самым близким мне человеком. Мы поженились, но через считанные месяцы нам
пришлось разлучиться.
Положение в Мелитополе к этому времени ухудшилось. Пошла гражданская война.
После разгрома Корнилова войска белой армии были загнаны в Крым. Красная ар-
мия остановилась у Перекопа, и Мелитополь оказался прифронтовым городом — в
нем шло формирование военных отрядов. Все большие дома фронтового города были
заняты под госпитали. Свирепствовал сыпной тиф, больных было больше, чем здо-
ровых. А белые готовились к наступлению.
Я не мох1 быть просто наблюдателем и пошел добровольцем в Красную армию — в
Отряд особого назначения, прибывший из Москвы... Вместе с остальными красными
частями мы должны были двигаться в Крым. Но наступление сорвалось, и нашему
отряду пришлось принять бой с частями белой армии, высадившимися севернее Пе-
рекопа на берег Азовского моря и грозившими зайти в тыл Красной армии. После
многих стычек белые оттеснили нас на север. Наш отряд вынужден был пройти
пешком до самого Екатеринослава. Потери у нас были большие, отряд отвели на
переформирование. А затем отряд был направлен уже на польский фронт, и в на-
ступлении на Деникина мы не участвовали. После пополнения отряд прошел от
Киева до Житомира, а в середине 1920 года был направлен в Крым на гарнизонную
службу — белых уже разгромили.
В Крыму меня демобилизовали, и вместе с женой и сыном мы поселились в Сим-
ферополе . Я поступил на работу в Крымский университет механиком. Здесь можно
было бы тогда начать учиться — исполнить свое заветное желание. (У меня были
бы великолепные однокашники — в Крымском университете тогда учились И.В. Кур-
чатов и К.Д. Синельников!) Но в Крыму начался голод, а на моих плечах была
семья. И выход из положения мы, как многие люди в ту пору, стали искать в пе-
реезде в «хлебные» места. Кто-то посоветовал ехать в Батум. Приехали. Работы
по специальности в городе не было, так как там тогда не было заводов.
Как водилось, я снова записался на Биржу труда, а пока, чтобы прокормить
семью, открыл «свою мастерскую»: поставил на рынке табурет, на него тиски и —
предприятие готово. Ремонтировал весы, примуса, изготовлял ключи к замкам.
Однако вскоре пришла с биржи повестка, и мне была предложена работа в Кобуле-
тах, на станции керосинопровода Баку — Батум. Станция Кобулеты перекачивала
керосин из своих запасных хранилищ в батумские хранилища или непосредственно
в трюмы пароходов, увозящих керосин за границу.
На работу в ту пору без испытаний не брали. Мне предложили, например, изго-
товить из куска рельса двухзаходный винт с гайкой диаметром 35 миллиметров.
Проверили знание кузнечного, токарного и слесарного ремесла. Изготовленные
детали были отправлены в Тифлис, в Управление службой керосинопровода Закав-
казской ж.д. Только после решения комиссии я был принят на работу механиком.
В Кобулетах в 1924 году мне снова пришлось браться за винтовку. Дело об-
стояло так: однажды утром, когда я пришел на работу, дежурный машинист стан-
ции рассказал мне, что к нам позвонили по телефону из Супсы — соседней керо-
синопроводной станции, находившейся в 30 км от Кобулет в сторону Баку, и зая-
вили , что там свергнута советская власть. Это был меньшевистский мятеж. Орга-
низованные вооруженные группы захватили железную дорогу от Кобулет до станции
Хашури и прилежащие к дороге поселки. Восставшие сговорились с англичанами,
которые пообещали им в это же время высадить свои войска в близлежащих портах
(Поти и др.)
Партийные организации Батума и Тифлиса быстро вооружили рабочих, в первую
очередь железнодорожников. Вооружили и нас, и в течение нескольких дней с
восстанием покончили полностью. Англичане, конечно, не высадились. Путь к мо-
рю был перерезан рабочими отрядами.
Пришлось мне поволноваться в те дни еще из-за того, что как раз накануне
восстания моя жена уехала за продуктами в Самтреди, а там находился центр
восстания, телефонная и железнодорожная связь была прервана, и мы ничего не
знали о ее судьбе, и вдруг со стороны мятежного района прибыл, наконец, пер-
вый одиночный паровоз, и по ступенькам стала спускаться моя Анна Михайловна —
конечно, с полной кошелкой. В эти тревожные дни ее приютили рабочие керосино-
проводной станции Самтреди и, как только все кончилось, отправили домой.
Если не считать этих событий, жизнь в Кобулетах была спокойной и сытой. Ра-
бота начиналась рано и кончалась в два часа дня. Свободного времени остава-
лось много. Я читал, ходил ловить форелей в горных озерах и речках, занимался
общественной работой — раздобыл для станции киноаппарат. Кино появилось здесь
впервые, и велико же было удивление местных жителей, когда они увидели движу-
щихся на полотне людей.
На станции были всего две русские семьи, и мы быстро научились говорить по-
грузински: многие из работавших с нами товарищей — грузины из разных районов
— по-русски говорили плохо, а то и совсем не говорили. И писать по-грузински
мне пришлось научиться, так как записи в книгах дежурств велись на грузинском
языке.
И все же, как ни было хорошо в южных краях, меня тянуло в Ленинград, и в
мае 1926 года мы с семьей все-таки туда перебрались. (Семья к этому времени
увеличилась — незадолго перед переездом у меня родилась дочь.) Но, хотя без-
работицы не было, с вакансиями все же оказалось туго. Я обошел ряд заводов, в
том числе и «Феникс», а места не нашел. Пообещали мне должность механика на
заводе «Русский Дизель», но надо было ждать, пока она освободится. И тут мы
вспомнили, что в Батуме моя жена случайно познакомилась с профессором Поли-
технического института С.Н. Усатым. Он был в Батуме проездом, что-то хотел
купить на базаре у местных жительниц, не смог с ними сговориться, а жена по-
могла ему объясниться с ними, так как говорила по-грузински. Они раз-
говорились . Жена сказала, что я, ее муж, — питерский рабочий, что я мечтаю
вернуться в Ленинград, и С.Н. Усатый дал свой адрес, обещав помочь подыскать
работу в Ленинграде. Терять было нечего. Я пошел по записанному женой адресу,
и профессор рекомендовал меня в Физико-технический институт — в мастерские,
конечно.
Механической мастерской института тогда руководил В. Н. Дыньков, позднее —
доктор технических наук и мой хороший друг. А тогда, не обращая внимания на
солидную профессорскую рекомендацию, Дыньков скептически меня оглядел с голо-
вы до ног и сказал, что без испытания никого брать не может и не будет. Потом
он рассказывал, что его смутил мой вид. Вся одежда, которая у меня была,
включая и красноармейскую форму, к тому времени приказала долго жить. Единст-
венное, что сохранилось в моем гардеробе, были китель и фуражка с эмблемой
Одесской ремесленной школы, которую я окончил в 1915 году. Выглядел я всегда
моложе своих лет, а в этой старой форме казался просто учеником — стоит ли
брать такого и доверять ему делать приборы для физических лабораторий? Бурк-
нув про испытания, Дыньков куда-то ушел, вернулся, снова ушел и вернулся, но
никакого внимания на меня больше не обращал Я прождал без толку целый день,
уже хотел уйти, но тут взглянув на мою убитую физиономию, Дыньков махнул ру-
кой и сказал, что решил допустить меня к испытаниям (он считал, что провал
обеспечен).
Мне было предложено изготовить крошечные плоскогубцы для уникальных монтаж-
ных работ. Мастер Судаков, давая задание сказал, что я должен подумать и за-
ранее решить, сумею ли сделать такие плоскогубцы нечего зря тратить время и
отвлекать занятых людей. Очевидно, ему так же, как и начальнику, я не пригля-
нулся .
Изготовленные мною плоскогубцы В.Н. Дынькову не понравились, потому что они
были плохо отполированы.
— Грязно сделал! — сказал он.— Надо было над ними попотеть несколько часов.
Я ответил, что, по-моему, это совсем не нужно. На юге мне приходилось много
работать сдельно, и потому я привык на каждую вещь тратить столько времени,
чтобы зарплата за это время не превышала магазинной стоимости вещи. Плоско-
губцы стоят рубля полтора, на эту сумму на них труда и затрачено. Для работы
плоскогубцы хороши, а полировка нужна только для выставки. В.Н. Дыньков по-
морщился и спросил, умею ли я работать на токарном станке. Токарному делу я
не только в ремесленной школе обучался. Перед революцией работал на «Фениксе»
в инструментальной мастерской, а там точили тонкий сложный инструмент, и точ-
ность до тысячных долей дюйма надо было сочетать с очень большой скоростью
(не будет скорости — не будет заработка, будет брак — то же самое). Мне дали
станок, я и показал, как мы работали на «Фениксе». А в институтских мастер-
ских о скорости думать принято не было. Важно было прибор или деталь сделать.
Причем считалось, что наружная отделка играет отнюдь не последнюю роль.
В общем, на работу меня приняли. Товарищи-механики и научные сотрудники
скоро стали ко мне относиться тепло, а мои установки насчет того, что надо
изготовлять приборы, в которых нуждалась наука, быстрее, меньше внимания об-
ращая на наружную отделку, через несколько месяцев работы сделались принципом
для всех в механической мастерской. Неказистые с виду приборы работали так
же, как и полированные, но их было больше, их не нужно было долго дожидаться.
Приборы отрабатывали свое на опытах, приносили результаты, а потом — как ста-
ли с моей легкой руки говорить в институте все — «к нему надо ручку приматро-
сить и бросить».
Очень мне повезло, что я работал вместе с В.Н. Дыньковым — тем, кто не хо-
тел меня принимать в мастерские. У него был выдающийся опыт в конструировании
физических приборов и настоящий инженерный талант. Прежде чем разрабатывать
схему нового эксперимента, молодые ученые — в Физтехе тогда почти все были
молодыми — раньше всего обращались за консультацией именно к Дынькову. Он и
знал и очень любил свое дело, и я много от него перенял.
В Советском Союзе в то время производства физических приборов не было — все
ввозилось из-за границы. Даже самые простые штативы в лабораториях были укра-
шены клеймами «Сделано в Германии» или «...Англии». И хотя на организацию на-
учной работы немало было истрачено золотых рублей, оснащения все равно не
хватало. Сегодня физику трудно понять, как это один магазин наборов емкостей
служил сразу многим - лабораториям, а форвакуумные насосы переезжали из лабо-
ратории в лабораторию по несколько раз даже в течение дня.
...Немного спустя сотрудники Иоффе предложили перевести меня из общих мас-
терских института и закрепить за лабораторией, чтобы я не просто выполнял за-
казы где-то вдалеке, а и участвовал в опытах. И стал я «персональным» механи-
ком лаборатории Иоффе.
. . . Тогда в институте было два или три электрометра Комптона. Эти точные и
довольно хрупкие приборы привезли из Кембриджа. Стоили они очень дорого, нуж-
ны были чуть ли не всем, а переноска из одной лаборатории в другую далеко не
всегда проходила удачно. Многие сотрудники неделями ждали очереди работать с
электрометром. В числе «страдальцев» был совсем еще молодой тогда Абрам Исаа-
кович Алиханов, ныне академик, известный своими исследованиями атомного ядра,
основатель Института экспериментальной и теоретической физики.
Алиханов занимался исследованием кристаллических структур. В его работе я,
конечно, ничего не соображал, но как-то из разговора с ним понял, что если бы
у Алиханова был электрометр Комптона, то он мог бы получить такие результаты,
о которых все заговорят. Я загорелся и сделал для Алиханова копию английского
прибора.
Позднее я воспроизвел еще одну сложную модель — струнный электрометр Эдель-
мана, и поэтому приобрел известность, как человек, который повторил сложные и
точные заграничные измерительные приборы.
Познакомившись поподробнее с техникой измерений, я придумал и изготовил еще
одну модель струнного электрометра, которая была проще заграничных, но не ус-
тупала им в точности. Ее использовали потом во многих лабораториях Советского
Союза. Образец этого электрометра был выставлен в Политехническом музее в Мо-
скве .
Так началась для меня настоящая творческая жизнь.
В лаборатории А.Ф. Иоффе я оказался среди ярких, высокообразованных, та-
лантливых людей, которые приняли меня в свой круг. Многие из них, несмотря на
пришедшую к ним мировую известность, остались навсегда прежними — теплыми,
внимательными, искренними друзьями. Тогда все они были очень молоды — за ис-
ключением А.Ф. Иоффе, А. А. Чернышева6, Я. И. Френкеля7, В. Н . Дынькова и еще
коменданта здания A.M. Степанова, — почти все сотрудники института были моло-
же меня. Мне было тридцать. Большинству я казался стариком — у меня была се-
мья, за плечами была и революция и война. Ю.Б. Харитону, например, тогда ис-
полнилось лишь двадцать два. А разница между двадцатью и тридцатью кажется
5 Академик Абрам Исаакович Алиханов (1904-1970) . Первые работы А.И. Алиханова в Физ-
техе — в лаборатории самого Иоффе, были посвящены рентгеноструктурному анализу кри-
сталлов . Потом Алиханов перешел к физике собственно рентгеновского излучения, а за-
тем — и к исследованиям проблем, связанных с радиоактивностью веществ и ра-
диоактивными излучениями. Вместе с чпеном-корреспондентом АН СССР А.И. Апиханьяном и
профессором М.С. Козодаевым А.И. Алиханов открыл эффект испускания возбужденными яд-
рами позитронно-электронных пар и описал основные закономерности явления. Дальнейшие
труды А.И. Алиханова и А.И. Алиханьяна посвящены фундаментальным исследованиям в об-
ласти ядерной физики, в том числе — физики космических лучей.
6 Академик Александр Алексеевич Чернышев (1882—1940). Замечательный ученый и инже-
нер, профессор Политехнического института А.А. Чернышев одним из первых был при-
глашен А.Ф. Иоффе в Физико-технический институт. Он был заместителем директора ин-
ститута, руководил исследованиями в области электротехники, электрофизики и радио-
техники. Занимался проблемами электрических измерений в цепях высокого напряжения,
передачей переменного и постоянного тока на большие расстояния, получением больших
мощностей при высоком (до миллиона вольт) напряжении, высокочастотной связью, теле-
видением, электрификацией железных дорог, конструированием электрофизической, радио-
и электронной аппаратуры. В 1931 роду отдел, возглавлявшийся А.А. Чернышевым в Физ-
техе, был превращен в самостоятельное научное учреждение — Электрофизический инсти-
тут. Затем А.А. Чернышев возглавлял Энергетический институт Академии наук СССР и Ко-
миссию по автоматике и телемеханике.
7 Член-Корреспондент АН СССР Яков Ильич Френкель (1894—1952). Почти вся творческая
жизнь Я.И. Френкеля прошла в стенах Физико-технического института (одновременно Яков
Ильич руководил кафедрой теоретической физики на физико-механическом факультете По-
литехнического института). Я.И. Френкель был блестящим физиком-теоретиком. Он создал
первоначальный вариант квантовой теории движения электронов в металле и основы со-
временной теории ферромагнетизма. Он разработал теорию поглощения света в диэлектри-
ках и первым сформулировал аналогию между жидкостью и твердым тепом. Я.И. Френкель
разработал первую количественную теорию деления ядер урана. Им созданы фун-
даментальные труды по атмосферному электричеству, земному магнетизму астрофизике,
биофизике.
куда больше, чем между шестьюдесятью и семьюдесятью годами. Вот поэтому физи-
ки и величали меня «хозяином».
Поначалу кое-что в ученых мне казалось странным. На работу все они, как по-
лагалось, приходили утром. Но я, придя, начинал сразу что-то делать в своей
комнате, рабочие из институтских мастерских принимались за дело у своих вер-
стаков и станков, а «научники» могли просто сидеть часами на крыльце, уста-
вившись в одну точку, иногда переговаривались меж собой и лишь в лучшем слу-
чае что-то чиркали карандашом на листочках, подходя к своим установкам только
время от времени. А засиживались они в институте до глубокой ночи, и за это
их рабочие называли «лунатиками». Часто они приходили ко мне в мастерскую,
говорили о разных разностях и могли начать со мной рассуждать о своей работе,
в которой я ничего не понимал. Я.И. Френкель вдруг начинал объяснять мне свои
сложнейшие теоретические выкладки.
Постепенно из непрерывного общения с этими людьми я усвоил, что когда уче-
ный вот так, как «лунатик», вроде бы ничего не делая, смотрит в одну точку,
чиркает что-то карандашом или говорит даже с таким человеком, как я, о чем-то
мне непонятном, то на самом деле в это видимое безделье как раз и происходит
самая важная часть его работы — в это время он думает, он проверяет, говоря
со мной, свои мысли сам. . . Мне все это было очень интересно. И хотя я мог не
засиживаться до ночи в лаборатории, я оставался вместе со всеми и на ночь то-
же . Опыты ставили многочасовые, но когда опыт идет, сидеть около установки
все время незачем — надо в определенные часы и минуты снимать показания при-
боров и ждать. Вот в промежутках и собирались «у хозяина» — то есть у меня.
Обычно в день зарплаты младший научный сотрудник (впоследствии — профессор и
академик УССР) А.К. Вальтер собирал со всех нас деньги, отправлялся на Нев-
ский и закупал на всех батарею сухого вина, которая хранилась в лаборатории.
Ночами мы там играли в покер, потягивали вино, рассказывали разные небылицы.
Все мы были молоды, жизнь в нас колобродила, и я мог бы припомнить немало
всяких озорных проделок, в которых принимал участие вместе с А.К. Вальтером,
Б.М. Гохбергом, Л.Н. Неменовым, Г.М. Франком и другими людьми, заработавшими
в Физтехе прозвище «возмутителей спокойствия», да не знаю, стоит ли «подры-
вать авторитет» академиков и профессоров, публично вспоминая грехи молодости
— их и своей собственной.
По чести надо сказать, что сближение с учеными, с представителями интелли-
генции для меня самого внутренне оказалось делом совсем не простым. С детства
мир для меня был разделен на перегородки, на много миров. И интеллигенция для
меня жила в другом мире — это я впитал, что называется, «с молоком матери». И
в годы революции и гражданской войны это ощущение не исчезло.
В отряде Красной Армии, в котором я воевал, были интеллигенты. И где бы я
ни работал, я с ними встречался. И отношения у нас складывались хорошие, и
все-таки где-то в затылке сидело, что они вот чем-то «не наши». Нужно было
время, чтобы понять, что та интеллигенция, которая не сбежала за кордон в
эмиграцию, а осталась на родине и работает на советскую власть, создает со-
ветскую науку — «классово своя». И очень большую роль в ощущении того, что
между рабочими и интеллигентами на самом деле никакой перегородки нет, сыгра-
ло то, что эту «перегородку» не ощущали ученые, — то есть тот настоящий демо-
кратизм, который был внутренне присущ, например, Иоффе и Курчатову. В них —
настоящих ученых — не было ни капельки той жреческой, той вельможной важно-
сти, что у мелитопольского бухгалтера.
Например, через некоторое время со мной, человеком тогда малограмотным,
сдружился Яков Ильич Френкель. То, что Френкель — замечательный ученый, те-
перь знают все (тогда его работы не всем приходились по нутру — были у Френ-
келя и недруги, старавшиеся его труд опорочить). С самого начала нашего зна-
комства Яков Ильич много раз, заходя ко мне, «выговаривался», рассуждал о
специальных физических проблемах. В том, о чем он рассказывал, я не разбирал-
ся совсем, но очень гордился своей дружбой с Яковом Ильичей: ведь я был рабо-
чий, а он «мировой ученый» (в те годы было принято такое выражение) . Яков
Ильич для меня был еще и очень добрый, простой человек. Он узнал, что у меня
есть маленький сын, ровесник его Сергея, и предложил мне привозить его по ут-
рам к нему домой на весь день.
Френкель был, кроме всего, еще очень веселым и ироничным человеком. Помню
такую историю. У нас в институте в ту пору почти совсем не было вспомогатель-
ного персонала. И вдруг1 Физтеху выделили целый штат пожарных. Но пожарные эти
— а подобрались все, как один, здоровенные парни — категорически отказывались
помогать перетаскивать из лаборатории в лабораторию насосы и другие весьма
тяжелые установки — мол, это не их дело. И все перетаскивать приходилось на-
учным сотрудникам, которые, хоть и приобретали постепенно навыки такелажни-
ков, но нередко были людьми тщедушного сложения. И вот прихожу я однажды ут-
ром в Физтех, а у входа стоит Френкель в пожарной каске и все приходящие ос-
танавливаются и спрашивают: «В чем дело, Яков Ильич?» А он отвечает невозму-
тимо : «Сегодня я не физик, а пожарник. И поэтому никто не может просить меня
перетаскивать аккумуляторы и насосы».
Огромное чувство юмора делало Якова Ильича душой наших торжеств и праздни-
ков — он веселился больше всех. Впрочем, юмору хватало и у других. Помню как
на одном из вечеров тогдашний помощник директора института по хозчасти, а ны-
не академик, вице-президент Академии и Нобелевский лауреат Н.Н. Семенов, и
нынешний член-корреспондент Академии А.И. Шальников (а тогда — младший науч-
ный сотрудник) исполнили сочиненную ими на мотив модных «Кирпичиков» песенку:
«Был я мальчиком
Подметальщиком,
А затем, проработавши год...»
Помню, что пели они под самодеятельный «шумовой» оркестр. Помню, что все
присутствующие, и я в том числе, очень хохотали над этой песенкой — она была
ехидной, веселой — и подхватывали припев. Ее мы и потом не раз пели. Вот
только слов песенки я уже не помню, да и авторы — я специально спрашивал —
тоже забыли их за сорок лет.
...Физтех с самого начала не только занимался «высокой наукой», но и всегда
решал какие-то сегодняшние задачи, чисто прикладные — и обязательно с помощью
этой самой «высокой науки».
Заместитель директора нашего института А.А. Чернышев в то время занимался
проблемами, связанными со строительством Волховской гидростанции. Однажды на
Волховстрое произошла авария — на линии от подстанции, трансформировавшей на-
пряжение на шесть тысяч вольт, пробило кабель. «Пробой» надо было найти, но
приборов для поиска не существовало. Тогда Чернышев придумал для этого специ-
альный высоковольтный мостик, но в аварийной ситуации времени на вычерчивание
не было, он мне рассказал «на пальцах», каким должен быть прибор, а я его
сделал.
Член-корреспондент АН СССР Александр Иосифович Шальников (1905-1979) . А.И. Шальни-
ков занимался многими проблемами экспериментальной физики — физикой низких темпера-
тур а физикой тонких металлических пленок, коллоидов. В Физтехе А.И. Шальников стал
работать еще студентом Политехнического института — так начинали многие из питомцев
А.Ф. Иоффе. В 1935 году А.И. Шальников принял активное участие в организации Инсти-
тута физических проблем АН СССР — там он работал. Там им выполнены замечательные ис-
следования в области сверхпроводимости, в которых А.И. Шальников установил структуру
промежуточного состояния сверхпроводников.
Помню еще такую работу: на Ленинградской табачной фабрике имени Урицкого,
прославившейся потом своим «Беломором», стояли очень плохие фильтры, и фабри-
ка выбрасывала в воздух массу табачной пыли — засоряла все жилища по соседст-
ву. С этой проблемой то ли фабрика, то ли Ленсовет обратились в Физтех. И в
институте для фабрики изготовили электрические улавливатели, основанные на
известном принципе концентрации в электрическом поле заряженных частиц. Ни
одной пылинки сквозь эти улавливатели не проходило. И вскоре после этого ап-
параты, основанные на том же принципе, конечно соответственно измененные, бы-
ли установлены уже на другом предприятии — на заводе «Красный Выборжец». для
улавливания частиц легкоплавких драгоценных металлов.
Еще производилась тогда опытная разработка слуховых аппаратов высокой чув-
ствительности — их автором был Николай Николаевич Андреев, замечательный уче-
ный и человек (теперь он тоже академик). В то время чувствительные радиопри-
емные устройства еще не были известны, поэтому звуковые аппараты Н.Н. Андрее-
ва оказались для тех дней самыми лучшими устройствами для улавливания звука
на больших расстояниях. (И это имело значение для противовоздушной оборо-
ны . . .)
Словом, каждая из работ приносила всем физтеховцам — и ученым, и рабочим —
огромное ощущение своей нужности и полезности.
И мне, конечно, тоже — ведь все эти приборы прошли через мои руки «по вин-
тику» . . .
Так прошло два года. Я сжился с Физтехом. Чувствовал себя на месте. Хорошо
зарабатывал — больше, чем научные сотрудники.
И вдруг пришел в мастерскую Иоффе и начал уговаривать меня так круто пере-
менить жизнь — начать учиться в «рабочей аспирантуре».
Его замысел насчет рабочей аспирантуры был в духе времени. Тогда при всех
учебных институтах существовали подготовительные «рабочие факультеты» — поче-
му бы не создать что-то подобное и в Физтехе?.. Об учебе я не раз подумывал,
но чем дальше, тем все менее решительно — отважиться в 32 года сесть за парту
трудно, тем более, когда понимаешь, что твое образование соответствует при-
мерно второму или третьему классу гимназии (ведь кончил я только начальную
школу и ремесленное училище). Без толчка на это я бы не пошел, но тут получил
«толчок» - и не один. После Абрама Федоровича стали меня агитировать и Я. И.
Френкель, и Б.М. Гохберг, и В.Н. Кондратьев, и А.К. Вальтер, и Л.А. Арцимович
— словом чуть ли не все. Я отговаривался, что мне, мол, и так хорошо и семья
у меня. А они наседали. Заручились поддержкой жены. Обещали помочь и по фи-
зике , и по химии, и по математике. И принялись помогать.
Вот с такими-то «репетиторами» я одолел школьный курс, и затем — вузовский.
Лев Андреевич Арцимович помогал мне по физике. Яков Ильич Френкель по мате-
матике. К Н.Н. Семенову я ходил консультироваться по химии, особенно - по фи-
зической химии.
Идея Иоффе, чтобы «рабочая аспирантура» при Физтехе стала постоянной, прав-
да , до конца осуществлена не была. Не по его вине, конечно: набрали группу в
сорок человек, однако аспирантская стипендия маловата, и многие из группы
вернулись снова на заводы.
Но те, кто всерьез жаждал выучиться, получили предварительную подготовку,
поступили в Политехнический институт и в 1935 году окончили его.
В их числе был и я. Правда, мое положение было лучшим: я продолжал работать
механиком в лаборатории, и заработок мой не ухудшился. Но из-за большой на-
грузки мне было вместе с тем и труднее, чем другим. Абрам Федорович всячески
старался поддержать мой дух и даже послал меня, хоть я еще и не стал ученым,
на съезд физиков.
Вот так и получилось, что я тоже оказался питомцем знаменитой школы А. Ф.
Иоффе, очутился в числе сотен воспитанных им исследователей, многие из кото-
рых известны замечательными своими вкладами в науку. В то время большинство
из них только начинали, и никто не ведал, какие большие дела у них впереди.
Я бережно храню память о нашей дружбе и ее свидетельства. Книги, подаренные
Я.И. Френкелем. Оттиск статьи А.И. Алиханова с надписью, в которой он благо-
дарит меня за прибор, позволивший ему успешно поставить опыт. Оттиск статьи
И.В. Курчатова9 с веселой надписью, что прибор, который я для него делал, ему
совсем не помог... Разное ведь случалось.
В небе и
на земле
Учиться мне было трудно — и потому, что учиться всегда лучше смолоду, и по-
тому, что у меня было много работы. Сначала я не оставлял своей должности ме-
ханика лаборатории, так как нужно было кормить семью — жить на стипендию не
хотелось, я привык хорошо зарабатывать. Потом к этому прибавилась исследова-
тельская работа, к которой Абрам Федорович Иоффе меня привлек, когда я сде-
лался студентом второго курса. Это было у него правилом: студенты физико-
механического факультета Политехнического института как можно раньше начинали
участвовать в самых сложных изысканиях, они входили в науку не только по
книжкам, а на деле. (Но ведь кроме физики надо было еще осваивать и другие
дисциплины и зачеты сдавать вовремя!..)
Сначала — в 1932 году — Абрам Федорович включил меня в группу, которая на-
чинала разрабатывать высоковольтный электростатический генератор, то есть
один из первых ускорителей (эта работа продолжалась много лет, о ней я рас-
скажу чуть позже) . В 1933 году он к тому же привлек меня к подготовке иссле-
дований на стратостате «Осоавиахим-1». Иоффе был членом комитета по постройке
и оснастке стратостата, принимал участие в разработке многих вопросов, свя-
занных с подготовкой этой первой вылазки советских ученых к границам земной
атмосферы и особенно с исследованиями, которые должны были расширить наши
знания о мировом пространстве.
Полету предстояло происходить в необычной и очень сложной обстановке. Гон-
дола стратостата должна была быть небольшой, и поэтому программу чисто физи-
ческих исследований решили ограничить одной проблемой — изучением интенсивно-
сти космических лучей на разных высотах. В те времена эта проблема вообще бы-
ла изучена очень мало, и к тому же на тех высотах, куда должен был подняться
стратостат, никто еще не бывал, и, естественно, такие наблюдения там никогда
не проводились.
Было известно, что одновременно готовятся полеты двух стратостатов: один
строили и оснащали ученые, инженеры и рабочие Москвы, другой — ленинградцы.
Полетам придавалось очень большое значение — от стратосферных экспедиций ожи-
дались важные научные результаты. Работали все увлеченно. Между москвичами и
ленинградцами невольно началось соревнование. И весь Питер не только интере-
совался предстоящим полетом — важным испытанием новой техники и нашей науки и
9 Академик Игорь Васильевич Курчатов (1903—1960). Его имя известно каждому школьни-
ку. Курчатов — один из самых ярких сотрудников Иоффе, очень быстро определивший для
себя самостоятельный путь в науке. Его блестящие исследования в различных областях
науки — физика диэлектриков, сегнетоэлектричество, ядерная физика — известны всем
специалистам. В 1943 году И.В. Курчатов возглавил работы по созданию ядерного оружия
— эти работы были жизненно необходимы: над таким оружием работали физики в гитлеров-
ской Германии и в Соединенных Штатах Америки. Успех советских ученых, инженеров и
техников, создавших вначале атомное, а затем и термоядерное оружие, позволил ликви-
дировать атомную монополию США. И.В. Курчатов был организатором и руководителем важ-
нейших изысканий по использованию ядерной энергии в мирных целях и инициатором со-
трудничества ученых разных стран в этой области.
людей, овладевших этой техникой,— но и хотел участвовать в подготовительных
работах. Оболочку стратостата изготовили рабочие завода «Промтехника». Гон-
долу — на Металлическом заводе. Оптическое устройство для нашей аппаратуры
вместе с нами разработали и отъюстировали сотрудники специальных лаборато-
рий. .. Другие предприятия тоже хотели участвовать в подготовке полета, пред-
ложение резко превышало спрос, и были даже обиды, что не всем достались зака-
зы от «стратостатной комиссии».
Когда утверждался состав экспедиции, то одним из трех членов экипажа стра-
тостата был назначен научный сотрудник Физико-технического института Илья Да-
видович Усыскин, а мне предложили стать его дублером. Это было очень приятно
и лестно.
Нам с Усыскиным нужно было создать установку для регистрации космических
частиц, обязательно компактную — такую, чтобы она могла уместиться в заранее
отведенном для нее месте в гондоле и в то же время позволила за те несколько
часов, которые должен был занять подъем и спуск воздушного корабля, сделать
как можно больше наблюдений.
Ученый совет Физтеха детально обсуждал всю программу нашей работы и реко-
мендовал взять за основу конструкции камеру Вильсона. Затем, когда несколько
небольших камер Вильсона было спроектировано, ученый совет снова тщательно
разобрал все предложенные варианты и остановился на одном, весьма сложном.
Этот прибор и был изготовлен.
Камера Вильсона ни для кого не диковина, но одно дело применять ее для ис-
следований в земных условиях, когда вы сколько угодно раз можете повторять
наблюдения, и другое дело — при полете стратостата, когда время, достающееся
для измерений на определенной высоте, минимально. Первейшая наша задача со-
стояла в том, чтобы аппаратура работала безотказно.
На нашей камере Вильсона были смонтированы осветительная система и стерео-
скопическое устройство для фотографирования треков космических частиц. Вся
установка запускалась одним поворотом рукоятки — в камере сразу создавалось
разрежение, одновременно же включалось на необходимый промежуток времени фо-
тографическое устройство, и на пленке фиксировались процессы, происходившие в
камере при прохождении космических лучей через ее разреженное пространство.
В течение многих недель мы отлаживали установку, осваивали ее на Земле.
Участвовали вместе с Иоффе в заседаниях комиссии, где обсуждались общие во-
просы подготовки к полету, конструкция самого стратостата (к ее разработке мы
тоже приложили руки). Кроме того, Усыскин и я совершали тренировочные полеты.
Однажды во время тренировочного полета воздушный шар, на котором находились
командир стратостата П.Ф. Федосеенко и И. Д. Усыскин, не вернулся на аэродром
своевременно. Шар занесло ветром в такое глухое, болотистое место, что аэро-
навтам понадобилось два дня, чтобы добраться до ближайшего телефона. (Сейчас
это кажется странным.)
За судьбу аэронавтов волновался весь Ленинград — это трудно описать, нужно
было видеть и слышать, что происходило. Отовсюду звонили, мы были в отчаянии,
но тогда все закончилось благополучно...
Когда оснастка стратосферного корабля, тренировки и испытания аппаратуры
были завершены, мы переехали в Москву и перевезли все оборудование. Из-за
близости моря совершать полет из Ленинграда было нецелесообразно. Стратостат
могло унести ветром туда, где «приземляться» пришлось бы только на воду. Мог-
ло, наконец, унести и за границу. Стартовать решили из Москвы.
Наши «конкуренты»-москвичи были готовы к этому же времени. Было решено, что
они полетят первыми. Стратостат москвичей по конструкции мало чем отличался
от нашего, ленинградского. А оборудование отличалось: например, для исследо-
вания космических лучей московские физики установили в гондоле не камеру
Вильсона, как мы, а два электрометра.
Долго пришлось ожидать благоприятную погоду. По любезному приглашению про-
фессора Г.А. Ландсберга, мы обосновались в Москве в лаборатории Физического
института университета и продолжали опыты на нашей установке. Академик А. А.
Лебедев (оптик) заинтересовался нашей аппаратурой и предложил применить лам-
пы, заполненные алюминиевой стружкой, — освещенность камеры значительно улуч-
шилась .
Мы ежедневно бывали на аэродроме, наблюдали за подготовкой московского
стратостата, присутствовали при отлете. Накануне отлета произошло одно не со-
всем приятное происшествие. Командир московского стратостата Г.А. Прокофьев
приложил максимум усилий, чтобы аппарат был готов к полету в срок. Уже на
старте при огромном стечении публики стратостат стали наполнять водородом, и
когда необходимое количество водорода поступило в стратостат, начали испыты-
вать клапан, которым регулировался спуск аппарата. Клапан не срабатывал, и
исправить его без того, чтобы выпустить весь газ в воздух, не удавалось. Во-
дород выпустили из оболочки, клапан исправили. Но тогда возник вопрос, где
снова и срочно взять такое количество водорода, которое нужно для того, чтобы
опять заполнить оболочку. Наша ленинградская команда находилась рядом на аэ-
родроме и тоже была готова к полету. Г.А. Прокофьев обратился к нашему коман-
диру П.Ф. Федосеенко с просьбой отдать ему свой водород, но Федосеенко отка-
зал и предложил командованию заполнить наш стратостат и взлететь.
Прокофьеву не хотелось терять первенство, он, что называется, готов был «в
лепешку разбиться», и ночью аэродромная команда принесла на руках из Кунцева
в мягких газгольдерах необходимое количество водорода. Стратостат поднялся
ранним утром 30 сентября 1933 года. Погода стояла на редкость хорошая. День
был выходной. Вся Москва была на улицах. И над городом медленно поднимался
серебристый — необычной формы — летательный аппарат с маленькой круглой гон-
долой. Все радовались огромному успеху нашей страны.
Стратонавты достигли высоты в 18 километров. Собрали интересные данные о
поведении стратостата в полете, об изменениях температуры и давления на высо-
те и многом другом и удачно приземлились.
По интересовавшей нас проблеме космических лучей москвичи получили резуль-
таты, которые до того времени не были известны. Оказалось, что количество пар
ионов, образованных в результате ионизации воздуха частицами, приходящими из
космоса, на высоте 17 километров примерно в 200 раз больше, чем на уровне мо-
ря.
Теперь была очередь ленинградского стратостата. Я и Усыскин продолжали экс-
перименты в лаборатории профессора Ландсберга, набирали статистический мате-
риал , совершенствовали установку. Стереоскопические снимки треков космических
частиц, полученные на установке в Москве, хранились у меня много лет, снимки
пропали во время блокады Ленинграда.
Так как синоптики на ближайшее время летной погоды не предсказывали, мы ре-
шили возвратиться в Ленинград. А в конце января 1934 года нам внезапно по те-
лефону сообщили, что члены экипажа должны срочно выехать — полет назначен.
Усыскина в этот момент в институте не оказалось, и меня предупредили, чтобы я
был готов к отъезду. Я приготовился. Но Ильюшу все-таки разыскали, и он, как
всегда очень веселый, подарив мне на прощание оттиск своей последней работы
по дифракции электронов, умчался на вокзал. Его лицо — оно было простое, с
веснушками и неизменно теплой улыбкой — я помню так, словно видел его вчера.
Стратостат взлетел. Пришло известие, что он достиг высоты в 22 километра —
ленинградцы перекрыли все рекорды и продолжают вести наблюдения... И вдруг —
страшное горе: авария при спуске, все погибли.
Гибель стратонавтов переживали тяжело. А мы, физтеховцы, особенно: всегда
жалко, когда погибают молодые, отважные люди, даже тебе незнакомые. Но когда
погибает близкий человек, боль много сильнее. А Илья Усыскин был нам близок.
...Похоронили Федосеенко, Васенко и Усыскина в Кремлевской стене.
По записям, сделанным стратонавтами, по остаткам разбитых приборов удалось
частично восстановить картину проведенных в полете исследований состояния и
поведения людей на высоте до 22 километров. Удалось восстановить и некоторые
результаты измерений, сделанных Усыскиным на нашем приборе, показывающие за-
висимость интенсивности космической радиации от высоты, и по ним были сделаны
выводы о природе космических лучей.
И после смерти Илья Усыскин продолжал служить науке.
Начиная с 1934 года, каждое лето в районе Эльбруса работали комплексные вы-
сокогорные экспедиции. Формировали их из сотрудников разных институтов, в том
числе и нашего. В тех экспедициях изучались свечение ночного неба и коротко-
волновое излучение Солнца, изменение интенсивности космической радиации, фи-
зиологические изменения в организме человека на высоте и другие явления — все
в зависимости от изменения атмосферного давления и высоты. Работы проводились
в районе Эльбруса в шести пунктах: в Тегенекли, в Терсколе, на Кругозоре, у
«Приюта одиннадцати», на седловине Эльбруса и на вершине. Пригласили участво-
вать в этих экспедициях и меня.
Помню, как в середине июня 1934 года из Нальчика на грузовиках мы впервые
прибыли в Терскол. Выгрузились в лесу. Шел холодный проливной дождь. Нас к
тому же предупредили, что здесь водятся дикие кабаны. Разбили палатки, распо-
ложились , а дождь все идет. Работать нельзя. Тогда поставили караулы — сте-
речь наш лагерь от кабанов (!!!).
На меня были возложены две обязанности. Первая — обеспечение лагеря элек-
троэнергией (у нас был движок) и, кроме того, проведение вместе с сотрудника-
ми нашего института исследований ультрафиолетовой части солнечного спектра.
Нашей исследовательской группой руководил Сергей Федорович Родионов. Он
был, по физтеховской терминологии, «жабодавом», то есть биофизиком. А на Эль-
брусе он исследовал оптическими методами свечение ночного неба.
В первый же сезон экспедиции, кроме того, были сняты уникальные для того
времени спектры коротковолновой части солнечного излучения на разных высотах,
в том числе на высоте более четырех тысяч метров. Результаты этих наших работ
увидели свет в 1935 году в «Докладах Академии наук».
Запланированные работы экспедиция выполнила за два месяца. Работали мы
дружно, всегда помогали друг другу. Не обошлось и без приключений.
Начальник экспедиции Яковлев был хорошим спортсменом. Он предложил всем
участникам экспедиции совершить восхождение на Эльбрус, втащить туда радиопе-
редатчик и провести впервые передачу с такой высоты. Помимо основной задачи
исследования возможности радиосвязи и оптической связи в горных условиях, ему
хотелось еще и побить рекорд массового восхождения на Эльбрус.
Подготовка началась с акклиматизации первой группы желающих участвовать в
восхождении на восточную вершину Эльбруса. Акклиматизацию проводили постепен-
но на разных высотах. И в завершение из лагеря «Приют одиннадцати» (4200 мет-
ров) надо было подняться на вершину, зарегистрировать там наше пребывание и
попробовать наладить связь с такой высоты.
Мы начали восхождение в два часа ночи. С нами был опытный проводник. При-
мерно на высоте 4800 метров была сделана небольшая остановка (с начала подъе-
ма это была третья остановка), и вдруг Яковлев нам сказал:
— Товарищи, мы здесь будем работать два месяца, и каждый член экспедиции
будет иметь возможность подняться на вершину Эльбруса и получить об этом удо-
стоверение и значок альпиниста. Поэтому старайтесь внимательно подготовиться
к подъему, чтобы не было аварий.
Он сказал еще, что у кого мерзнут ноги, надо их натереть спиртом или лучше,
— добавил Яковлев, подумав, — спуститься вниз. Рисковать не следует, а то по-
том придется сильно пожалеть.
Из тех, кто поднимался, шестнадцать человек были одеты и обуты легко — не
по-альпинистски. Но из шестнадцати только я один решил не искушать судьбу и
сказал громко, что возвращаюсь и предложил всем, у кого мерзнут ноги, идти
вместе со мной. Ноги были не в порядке, а идти еще несколько часов вверх. «К
чему этот копеечный героизм», — сказал я. Но к моим словам никто не прислу-
шался. Когда я спустился к «Приюту одиннадцати» и поглядел вверх, мне вначале
стало грустно, и я пожалел, что вернулся. Но через несколько часов к «Приюту»
спустили вниз, привязав их к лыжам, трех человек с отмороженными ногами. Их
срочно эвакуировали в Нальчик и ампутировали им пальцы на ногах.
Всем стало ясно, что горы шутить не любят, — даже такая «легкая» вершина,
как Эльбрус.
В экспедиции я набрался опыта работы в условиях гор. На вершину Эльбруса я
подымался несколько раз, конечно, хорошо экипированный, а один раз даже вы-
полнял обязанности проводника в горах, и это мне здорово импонировало.
К концу работы я получил большую денежную премию и решил не возвращаться в
Ленинград вместе со всеми, а заехать в Одессу к старым друзьям, о чем сообщил
им телеграммой.
У меня с собой была только экспедиционная одежда, так как сначала предпола-
галось, что я поеду с Эльбруса домой. А за два месяца моя одежда пришла, мяг-
ко выражаясь, в весьма непривлекательное состояние — помялась, порвалась, по-
пачкалась. Главное — на ней сидел пух от спального мешка, в котором я спал не
раздеваясь. Никакая чистка не могла избавить от пуха до конца. Вот в таком
наряде я появился в Туапсинском порту, и когда стал покупать билет первого
класса до Одессы, на меня смотрели с удивлением. (В те годы нельзя было про-
сто зайти в магазин купить новый костюм, а старый бросить. Одежду покупали по
ордерам, которые выдавались на работе.)
Теплоход отходил на рассвете, и я в ожидании расположился на траве и за-
снул . Разбудили меня пограничники — вид у меня был самый подозрительный. Бро-
дяга , да и только. Пограничники потребовали документы. Сзади них стояла уже
небольшая толпа любопытных. Большое удивление было на их лице, когда я предъ-
явил удостоверение Академии наук и билет первого класса на теплоход. Но еще
больше были поражены одесситы, когда я очутился в Одесском порту. Хорошая по-
года, мои разодетые друзья с девушками и какой-то оборванец...
Впрочем, как ни плох был мой костюм, он меня смущал мало. Да и сменил я его
быстро. Зато приехал я, человек, причастный к науке, ощутивший свое положение
в мире, в Одессу — в город, где начиналась моя самостоятельная жизнь. И начи-
налась она нелегко. И в те далекие годы даже в голову не приходило, как она в
итоге повернется...
Мой отец работал в Мелитополе молотобойцем в кузнице. Семья была в восемь
душ. Его заработка не хватало, и мать ходила работать по дому к богатым лю-
дям. Не успел я окончить талмуд-тору — начальную школу при местной синагоге,
родители стали думать, как бы пристроить меня к делу, чтобы был у семьи еще
какой-то заработок. А мне было всего двенадцать лет.
Отдали меня сначала в услужение владельцу больших садов в село Кирилловну,
и я все лето гонял птиц в тех садах, чтобы птицы не портили фруктов. А потом
за пять рублей в месяц и харчи я был продан в винодельческое заведение. С 7
утра до 10—11 часов вечера мыл бутылки, носил ящики, делал все, что прикажут.
Проработал я там два года.
Там работали два хороших человека — очень обидно, что я теперь не помню их
имена, — они помогли мне выбиться в другую жизнь, выхлопотали в Обществе по-
собия бедным евреям рекомендацию, по которой меня приняли в ремесленную школу
общества «Труд». Школа эта была очень хорошая, в ней четыре года обучали то-
карному и слесарному делу, основам электротехники, технологии металлов, рус-
скому языку и особенно хорошо — черчению. В то время таких школ в России было
очень мало. Попасть туда можно было, только сдав предварительно экзамен и за-
платив за право учения 40 рублей. От уплаты меня по очень большой бедности
освободили, а к экзаменам я готовился отчаянно.
И вот в 1911 году я очутился в самом большом городе на юге России. Впервые
увидел трамвай, море, большие пароходы, приходившие из разных стран за хлебом
и углем. Поразила меня деревянная эстакада, на которую загоняют поезда с уг-
лем для перегрузки в суда (это грандиозное сооружение в 1919—1920 годах было
разобрано на топливо). В городе я восторгался каждым зданием, а особенно фи-
гурами на Оперном театре. Много раз останавливался возле него, любовался и
гадал, как же это были сделаны украшения и как это их туда подняли.
В том году в Одессе была Всемирная промышленная выставка. Два раза я на нее
пробрался («зайцем», конечно) и был поражен диковинами: огромнейшим самоваром
(рекламой тульских самоварщиков), самодвижущимся тротуаром, вроде современно-
го эскалатора, и скользким шестом, на верху которого висели сапоги — приз для
того, кто сумеет по шесту взобраться. Один ловкач до них добрался, а сапоги,
как говорила вся Одесса, оказались на картонной подметке.
Казалось, что весь город благоденствует. На бульваре и в Александровском
парке гремели оркестры. По улицам бродили и сидели в кафе прекрасно одетые
веселые люди. (В то время Одессу недаром называли «маленький Париж».) В мага-
зинах всего было вдоволь. Было в Одессе два базара, как говорили тогда: «один
большой, а другой богатый». Привозная площадь занимала несколько кварталов.
На ней горами лежали арбузы, дыни, овощи. Там продавалась рыба — бычки, кам-
бала, пеламида, кефаль, скумбрия. На привозе торговали и готовой едой. Хорошо
помню продавца вареников с творогом и вишнями, который громко выкрикивал, что
один вареник стоит одну копейку с условием, что покупатель может один раз
окунуть его в рядом стоящую миску со сметаной. Одесситы — без различия нацио-
нальностей — народ громко говорливый, и поэтому на привозе всегда стоял неве-
роятный шум.
Но вскоре мои восторженные впечатления от одесских достопримечательностей
были сильно омрачены. Стало не до них. Мне, пятнадцатилетнему, нужно было
приспособиться: и учиться в ремесленной школе, и идти на всякие ухищрения,
чтобы добывать себе еду и платить хозяйке за угол. Ведь я же «снимал кварти-
ру» — спал на полу у торговки с привоза. Нас, «квартирантов» было на полу не-
сколько душ.
И хотя на Молдаванке место на полу стоило много дешевле, чем настоящая
квартира где-нибудь на Ришельевской, я очень скоро очутился в безвыходном по-
ложении. Я задолжал хозяйке за два месяца, и единственным выходом было просто
сбежать с этой квартиры, унеся тайком плетеную корзинку со своим «имущест-
вом». Чувствовал я себя при этом преступником, так как и в нашей бедной се-
мье, и в рабочей среде, в которой я жил, понятия о справедливости, о честно-
сти, о доброте были твердыми. Через год с лишним я смог вернуть хозяйке долг
с лихвой, и только после этого совесть моя успокоилась.
Еду себе я пытался зарабатывать сначала тем, что помогал разгружать на при-
возе продукты с подвод. Получал грушами, арбузами, а иногда вяленой рыбой.
Потом подал в дирекцию школы прошение, и мне разрешили получать бесплатные
завтраки и обеды в школе. Но этой еды тоже недоставало: необходимо было добы-
вать ужин и как-то питаться по субботам, когда школа по религиозным еврейским
правилам была закрыта. И новой хозяйке за угол тоже надо было платить.
Я нашел вечернюю работу в оптовом магазине Березовского, который поставлял
бутылки, этикетки и пробки хозяину мелитопольского винного заведения. Плел я
у Березовского металлические сетки для коньячных бутылок, делал пробки и даже
пробковые пояса — ими Березовский тоже торговал, раз у него водились большие
партии пробкового дерева. Работал ежевечерне по шесть часов плотно. Получал
за это ужин и немного мелочи, но ее для оплаты угла не хватало.
Очень трудно мне было и с одеждой. Мои единственные штаны приходилось ре-
монтировать самому — это я проделывал на берегу моря.
Такого тяжелого года, как 1912-й, у меня в жизни не было. Иногда просто ру-
ки опускались, хоть бросай все и возвращайся к родителям. Я об этом им писал,
но что они могли сделать, когда в семье восемь душ!.. Мать снова стала ходить
в Общество пособия бедным. Ходила, просила, и мне, наконец, назначили пенсию
— 5 рублей в месяц на все время обучения. По тогдашним одесским ценам это бы-
ло, конечно, мало, но с моими приработками давало возможность все же пере-
биться. И еще прожить это тяжелое время в Одессе мне помог мастер ремесленной
школы Левенштейн (забыл его имя), у которого я учился. Он привил мне любовь к
токарному и слесарному делу, относился ко мне хорошо, оценил мое старание, а
зная мое бедственное положение, когда я освоил немного дело, стал поручать
иногда мне платную работу в вечернее время и в субботние дни. Мне было не до
бога и не до соблюдения субботы.
И по мере того, как я осваивал ремесло, мне удавалось лучше зарабатывать, и
ужин мой уже не состоял, как прежде, из кусочка селедки за одну копейку, да
из куска хлеба и арбуза — на копейку того и другого... Ведь когда я в 1913
году приехал на лето домой, меня с охотой приняли слесарем на завод нефтяных
двигателей. Летние заработки помогали зимой больше думать об учебе, чем об
ужине. И вообще я начинал ощущать себя человеком, у которого в руках ремесло.
Только не гадал, каким «ремеслом» овладею спустя два десятка лет — в итоге
двух революций...
Так сказать, «для меня лично», из многих дел лаборатории Иоффе, в которых я
участвовал, самым важным оказалась разработка высоковольтного электростатиче-
ского генератора — одного из первых ускорителей.
Над конструкцией такой машины в Физико-техническом институте первым начал
работать Н. Н. Семенов10. Но ему мешало увлечение другой областью науки — хи-
мией. Точнее, химической физикой. А еще точнее, рождавшейся у него теорией
разветвленных цепных реакций, одним из самых важных открытий мировой науки
20—30-х годов. Поэтому разработку генератора Николай Николаевич оставил, не
закончив, лишь напечатал по этому поводу несколько статей.
А ядерная физика стала развиваться бурно. Каждый месяц публиковались новые
важные работы. Этому разделу науки во всем мире стали уделять большое внима-
ние.
Вести работы по ядерной физике можно, лишь имея источники очень высоких на-
пряжений. Тогда, в начале 30-х годов, были освоены напряжения в сотни тысяч
вольт, а надо было переходить к напряжениям в миллионы вольт. Над созданием
генераторов, позволявших получать такие высокие напряжения, работали многие
Академик Николай Николаевич Семенов (1896-1986). Н.Н. Семенов с первых дней суще-
ствования Физтеха был одним из ближайших сотрудников А. Ф. Иоффе. Более того, он
многие годы исполнял хлопотные обязанности помощника директора института, т.е. А.Ф.
Иоффе, по хозяйственной части. Это, впрочем, не помешало ему изучить ионизацию паров
на твердых поверхностях, изучить ионизацию паров под действием электронного удара,
создать тепловую теорию пробоя диэлектриков, а на ее основе сформулировать теорию
теплового взрыва газовых смесей и уже на ее основе — теорию разветвленных цепных ре-
акций. В многочисленных работах Н.Н. Семенова и его учеников и сотрудников в после-
дующие годы были разработаны и развиты фундаментальные положения этой теории, став-
шей крае угольным камнем химической физики — нового важнейшего направления совре-
менного естествознания, коренным образом повлиявшего на развитие многих смежных дис-
циплин — химии, физики, биологии. Труд Н.Н. Семенова получил самое высокое междуна-
родное признание — в 1956 году ему была присуждена Нобелевская премия по химии.
лаборатории и за границей, и в Советском Союзе, но до промышленного образца
дело не доходило. И вдруг в Америке наконец появилась такая электростатиче-
ская машина. Разработал и использовал ее Ван-де-Грааф. Причем Ван-де-Грааф
при конструировании применил метод изменения электрической емкости в вакууме,
разработанный Н.Н. Семеновым.
Основной элемент электростатического генератора Ван-де-Граафа — большой по-
лый сферический электрод, изолированный от земли. В полость электрода входит
движущаяся бесконечная лента и передает ему электрический заряд, который она
несет на коронирующих остриях, укрепленных на ней. А другая сторона ленты за-
ряжается от постоянного внешнего источника. При движении часть ленты, полу-
чившая низковольтный заряд, уменьшает емкость и повышает свой потенциал. На
сферической поверхности электрода можно получить напряжение в миллион вольт.
Генераторы такого типа применяют по сей день, но у них низкий коэффициент по-
лезного действия, и поэтому уже в 30-е годы сразу стали изыскивать новые кон-
струкции .
Сам Иоффе предложил конструкцию электростатического генератора (ускорите-
ля) , основанную на том же, что и у Ван-де-Граафа, принципе, но вместо движу-
щейся ленты предложил использовать жесткий ротор. Это позволило значительно
увеличить скорость переноса зарядов и получать гораздо большие значения то-
ков , чем в ленточном генераторе.
В те времена специальных конструкторских бюро, разрабатывающих, как сего-
дня, установки для исследовательских работ, не было. Все проектировать пред-
стояло нам самим. Мы изучали разные варианты электростатических генераторов с
жестким ротором. Проблем было у нас много — и частных и более общих: занима-
лись электрической изоляцией между электродами, исследовали сами генераторы —
заполняли изолирующие промежутки то жидкими, то твердыми диэлектриками, то
газом под давлением, то создавали там вакуум.
Работа по подбору веществ для высоковольтной изоляции быстро принесла очень
важные результаты.
Самыми хорошими изолирующими материалами оказались газы, а среди них лучшим
по своим электрическим, химическим и другим характеристикам оказалась шести-
фтористая сера — SF6, которой мы дали кодовое имя «элегаз» (т. е. «электриче-
ский газ»).
Элегаз во многом по своим свойствам превосходил и воздух, и азот, и углеки-
слоту, которыми до того заполняли электрические устройства. Поэтому кроме тех
выводов, которые были сделаны для основной работы, был сделан еще один: нужно
использовать элегаз в промышленных высоковольтных устройствах. И вот парал-
лельно с работой над ускорителем Б.М. Гохберг, М.В. Гликина и я, в содруже-
стве с инженерами ленинградских предприятий, в течение нескольких лет конст-
руировали и внедряли в промышленность целую серию новых высоковольтных уст-
ройств (о них я скажу позже).
Важно вот что: мы вели изыскания, нацеленные на нужды «высокой теории» —
стремились создать мощный высоковольтный источник энергии для исследований по
ядерной физике. А на первых же шагах работа на «чистую науку» принесла обиль-
ные плоды для народного хозяйства.
Но вернемся к генератору, он же был основной целью тех работ.
Одним из самых сложных вопросов было создание установки с малыми габарита-
ми.
Для этого, прежде всего, нужно было найти такой хороший диэлектрик, который
позволил бы иметь минимально малые промежутки между электродами.
Когда стали исследовать диэлектрические свойства разных жидкостей, было об-
наружено, что керосин, если его тщательно очистить разными глинами, повышает
свою электрическую прочность до 220—250 киловольт на сантиметр.
Мы изготовили в лаборатории небольшую модель генератора, работавшую в керо-
синовой среде, и при первичном напряжении в 6 киловольт получили на выходе
напряжение до 180 киловольт. После этого было решено приступить к разработке
большого генератора: по расчетам, новая конструкция позволяла создать источ-
ник напряжения до трех миллионов вольт.
Соорудить такую установку было невозможно даже силами всего института. Ос-
новные части ускорителя нам сконструировал и изготовил Металлический завод. А
вот сборку агрегата, его наладку и очистку необходимых для генератора двадца-
ти тонн керосина сделали силами лаборатории.
Труда и времени потребовалось для всего этого очень много. Пришлось самим
изготовить массу всякого оборудования для исследований на огромном нашем ап-
парате — он был высотой в четыре метра и около трех метров в диаметре. (Со-
временные ускорители много больших размеров, но наш для того времени был ги-
гантом .)
Исследовательская группа была большой. Над генератором работали Л.А. Арци-
мович11, М.В. Гликина, Б.М. Гохберг, Д.В. Филиппов, Г.П. Щепкин и я. Руково-
дил исследованиями сам А.Ф. Иоффе. Он привлекал к ним время от времени и дру-
гих сотрудников.
Работа была огромная. Проблем было тьма-тьмущая. Я начал студентом второго
курса. Дипломный проект, который я защитил в 1935 году, назывался, конечно,
«Высоковольтный электростатический генератор с жестким ротором». Меня сделали
научным сотрудником, а работа все продолжалась — до самой войны.
Самым напористым человеком в нашей группе был Л. А. Арцимович, кстати, он
был еще и самым молодым. Должен сказать, что институт я закончил во многом
благодаря именно его напористости, хотя помогали мне учиться многие товарищи
по Физтеху, и сам Абрам Федорович всегда интересовался моими учебными «успе-
хами» и официально руководил моей дипломной работой (практически руководил ею
Б.М. Гохберг). Но ученье без отрыва от работы — дело обременительное, а рабо-
тали мы, не считая времени. Я уходил из дому, когда мои дети спали, и прихо-
дил, когда они уже снова спали. А тут еще учиться! . . Не раз были у меня по-
ползновения облегчить себе жизнь, но у Льва Андреевича отличное чутье — он
всегда угадывал мои тайные замыслы и в союзе с моей покойной женой Анной Ми-
хайловной «с двух фронтов» пресекал всякие попытки уклониться от учебы и за-
ставил пройти начатый путь до конца. (Думаю, что управляемая термоядерная ре-
акция у нас будет осуществлена обязательно: характер Л.А. Арцимовича тому по-
рука . Я этот характер испытал на себе.)
А.Ф. Иоффе разделил исследования на генераторе на два этапа: первый — изу-
чение работы самой машины, второй — вывод высокого напряжения или использова-
ние его внутри генератора для ускорения частиц.
Кроме физических знаний и экспериментаторского мастерства такое сложное де-
ло, проводимое впервые, требовало от руководителя больших организаторских
способностей. И эту сторону своего таланта Абрам Федорович показал во всей
красе.
Трудности у нас встретились сразу. Началось с того, что наибольшее напряже-
ние , которое мог развивать генератор, оказалось значительно ниже расчетного.
А выявить, что именно мешает получать расчетные результаты, можно было только
Академик Лев Андреевич Арцимович (1909-1973). Уже в первых работах, выполненных в
начале 30-х годов в Физико-техническом институте, Л.А. Арцимович показал себя неза-
урядным исследователем. Им было открыто тормозное излучение электронов, им была экс-
периментально доказана справедливость квантово-механической теории быстрых электро-
нов. В последующие годы Л.А. Арцимович занимался теоретическими проблемами электрон-
ной оптики и разработал теорию хроматической аберрации электронно-оптических систем.
Л.А. Арцимовичу принадлежат важные труды в области атомной физики. Последние годы
его изысканий посвящены проблеме получения управляемой термоядерной реакции.
в процессе эксперимента.
Эксперименты на генераторе дороги. Пришлось их начать. Оказалось, что ис-
пользованию полного напряжения, развиваемого генератором, мешают диэлектриче-
ские потери.
Решили этот вопрос — возникли новые. Такие сложные дела, как создание пер-
вого ускорителя, сразу никогда не решаются и требуют больших усилий и време-
ни. А некоторые сотрудники, которых Абрам Федорович привлек к работе (я их не
называю), были этим недовольны, работали спустя рукава и говорили по углам,
что генератор — праздная затея, напрасная трата средств и времени и из этой
работы ничего не выйдет. Было бы полбеды, если бы люди только болтали внутри
института. В конце концов, критика всегда полезна. Но болтовня переросла в
злую инсинуацию, которая была доведена до высоких инстанций, и однажды Абраму
Федоровичу сообщили, что из Москвы для проверки этой работы едет комиссия во
главе с Г.М. Кржижановским.
Иоффе пригласил меня в кабинет и с обычной мягкостью сказал, что было бы
очень важно — и это, кроме того, принесет пользу для дальнейшего,— если бы
комиссия имела возможность оценить работу с максимальной объективностью. А
чтобы комиссия убедилась в серьезности и важности нашей работы, кроме озна-
комления с теоретическими выкладками, хорошо было бы показать ей действующую
модель генератора. Абрам Федорович тут же начертил мне, какой, по его мнению,
она должна быть.
«Иоффе нужна модель!». Я забыл, что я уже инженер и научный сотрудник (это
было три года спустя после того, как я окончил институт). Снял пиджак, зака-
тал рукава и взялся за работу на станках. За несколько дней и ночей я изгото-
вил маленький генератор, наладил его и оснастил приборами.
Генератор был невелик — примерно 200 мм высотой и 150 мм в диаметре. А на-
пряжение он развивал в сто тысяч вольт! Это и произвело внушительное впечат-
ление . Все были довольны, в том числе и я сам. Недоброжелатели потерпели фиа-
ско . А работа над ускорителем пошла своим чередом.
И когда после многих мытарств генератор, наконец, заработал в нужном режи-
ме , мы пришли в телячий восторг. Мы тотчас решили кроме запланированных Абра-
мом Федоровичем измерений характеристик самой установки произвести дополни-
тельно наблюдения над воздействием мощного электронного пучка на разные веще-
ства.
Опыта работы с проникающими излучениями ни у меня, ни у моих товарищей не
было никакого, и это едва не кончилось трагически, ведь мы не соблюдали эле-
ментарных правил техники безопасности.
Мы смело (или, скажем прямо, нахально) входили в помещение, где работал ге-
нератор, и руками помещали в электронный пучок объекты исследования. Для нау-
ки результаты оказались новыми, а для исследователей печальными — мы были
обожжены электронным пучком.
Наибольший ожог получил я после того, как подержал в пучке кусок каменной
соли. Соль окрасилась быстро, а биологическое действие электронного пучка на-
чало проявляться только спустя несколько дней — в Москве, куда я с группой
ленинградцев прибыл по дороге в очередную экспедицию на Эльбрус. У меня на
правой руке вдруг появились признаки сильного ожога. В московском Рентгенов-
ском институте руку осмотрели. Определили сильный ожог электронами. Сказали,
что болезнь только еще развивается и нужно ожидать худшего, мол, мне следует
остаться в Москве, чтобы своевременно принять меры. Но я не к месту расхраб-
рился и поехал на свой риск дальше. Через три дня в Нальчике мне сделали пе-
ревязку — рука у меня сильно опухла. Но я решил, что теперь делу уже пора
пойти на улучшение, а кроме того, в составе экспедиции есть врачи, и последо-
вал дальше к Эльбрусу. В лагере, который находился на высоте 2500 метров,
беспокоить товарищей мне не хотелось, и я скрывал, что с рукой у меня все ху-
же и хуже. Однако экспедиционные «жилищные условия» были не совсем легкими:
спать приходилось в мешке при температуре минус 20 С. Если я прятал руку в
мешок, то малейшее прикосновение к ткани мешка вызывало страшную боль, а если
высовывал руку наружу из мешка, то рука к тому же начинала еще и замерзать.
Пришлось обратиться к врачам. Наши врачи старались мне помочь, но безрезуль-
татно . Уже потом они рассказали, что в один прекрасный час пришли к решению
срочно ампутировать мне кисть руки, так как поражение стало распространяться
выше (видимо, они решили, что у меня началась гангрена).
Спасла мне руку счастливая случайность. Вблизи нашего лагеря разбила палат-
ку большая группа летчиков — они проходили тренировки по длительному пребыва-
нию на большой высоте. С ними был старый врач Калиновский, к которому наши
врачи обратились за советом. Доктор Калиновский быстро разобрался в моем пе-
чальном положении — в рентгеновских ожогах он был сведущ — и руку мне выле-
чил , применив так называемый «метод застойной гиперемии». Он по несколько раз
в день через определенные интервалы перетягивал руку жгутом, нарушая отток
крови на какое-то время, и на третий день мне стало лучше... За это я ему всю
жизнь благодарен. Так окончилась беда, которая пришла благодаря собственному
моему легкомыслию.
...Война не позволила довести работу с генератором до логического заверше-
ния, а после войны эту работу отложили уже из-за более важных и нужных для
страны дел. (Сейчас генератор конструкции А.Ф. Иоффе сделан и используется
французскими учеными для медицинских исследований. Физики нуждаются в намного
более мощных ускорителях.)
Но в предвоенные годы мы успели сконструировать, довести и внедрить в про-
мышленность наши высоковольтные элегазовые устройства, работающие под давле-
нием.
Это, во-первых, серия компактных высоковольтных конденсаторов на большие
переменные и постоянные емкости. Только на одном заводе, изготовлявшем мощ-
ные радиопередающие устройства, внедрение элегазовых конденсаторов принесло
десятки миллионов рублей экономии.
Я предложил использовать наши высоковольтные конденсаторы для мощных высо-
кочастотных закалочных агрегатов на станкостроительных заводах. После первых
опытов в Ленинграде Наркомат тяжелой промышленности решил внедрить такие кон-
денсаторы на всех своих предприятиях, потому что их применение произвело пе-
реворот в самой технике обработки поверхности крупных деталей для станков.
Потом вместе с сотрудниками завода «Севкабель» были разработаны высоко-
вольтный кабель и коаксиальный фидер с применением высокого давления (в каче-
стве диэлектрика снова был использован элегаз). Далее были сконструированы
трансформатор с газовым наполнителем, высоковольтный выключатель и многое
другое. По поводу работ с высоковольтными устройствами мы опубликовали не-
сколько статей в физических журналах. Б.М. Гохберг, М.В. Гликина, я и другие
сотрудники получили авторские свидетельства.
В те годы из-за дел, связанных с созданием электростатического генератора,
я постоянно посещал разные заводы в Москве и Ленинграде. Мне нужно было при-
сматриваться к производству, я присматривался и попутно делал много предложе-
ний. Изобрел, например, автоматический самоустанавливающийся съемник для
штамповальных станков. Изобрел новый привод для эскалаторов метро, которые
изготовляли на заводе «Красный металлист», и очень жалею, что он не был вне-
дрен , хотя я получил авторское свидетельство.
Изобретать мне понравилось. К тому же за изобретения давали премии, и они
стали серьезным подспорьем, ведь зарабатывал я один в семье, дополнительный
заработок был кстати. Внедрить в производство до войны удалось восемь изобре-
тений, и меня пригласили быть постоянным консультантом по рационализации на
заводе «Красный металлист».
Итак, главной в довоенные годы была для меня работа по генератору и высоко-
вольтным устройствам. В летнее время — экспедиции, изучение космических час-
тиц и спектров солнца. К тому же еще — изобретательство. Казалось бы, хватит.
Но тут появляется искуситель — Н.Н. Семенов. С 1931 года он — директор Инсти-
тута химической физики, который помещается через квартал от Физтеха. И Се-
менов говорит, что у него есть очень интересная работа — изучение влияния вы-
соких давлений на протекание органических реакций. Исследования при таких
давлениях должны дать очень интересные результаты для физики, для химии и для
химической физики. Эти результаты можно будет использовать в про-
мышленности. . .
Семенов говорил мягко, почти как сам Иоффе. И я согласился.
Исследовательскую группу возглавлял Юлий Борисович Харитон12. В нее входили
сотрудники его лаборатории, среди них Овсей Ильич Лейпунский и я. (Я очутил-
ся, таким образом, одновременно в трех исследовательских группах.)
Начали, конечно, с разработки аппаратуры сверхвысоких давлений. Приборов,
работающих при давлении 10—20 тысяч атмосфер, у нас тогда не производилось.
(Их вообще еще нигде не производили.) Конструирование установок для сверхвы-
соких давлений в предшествующие годы упиралось в целый ряд теоретических
трудностей. Главная трудность была в том, как достичь равномерного распреде-
ления давления в камере. Однако как раз в это время американский физик Брид-
жмен опубликовал работу, где излагал очень интересную схему аппарата — прин-
ципиально новую. Мы за эту схему сразу ухватились и вскоре создали установку
для исследования газов при давлениях до 12000 атмосфер и температурах до 450
С.
Затем разработали и построили установку, состоящую из большого пресса на 40
тонн, мультипликатора для предварительного сжатия жидкости до 3000 атмосфер и
из деталей, позволяющих проводить опыты с газом.
Эта установка обладала оригинальными особенностями. Мы могли заполнять ка-
пилляр исследуемым газом при 150 атмосферах. При объеме капилляра в 3 см3 это
позволяло производить опыты при давлениях до 20000 атмосфер. Мы могли в этой
установке отделять газ от жидкости и подогревать газ в процессе опыта при
сверхвысоких давлениях. По стеклянному капилляру, в котором находился иссле-
Академик Юлий Борисович Харитон (1904-1996). В 1921 году семнадцатилетний второ-
курсник Политехнического института Юлий Харитон начал в Физтехе исследовательскую
работу в лаборатории Н.Н. Семенова с изучения явлений конденсации молекулярных пуч-
ков паров металлов на охлаждаемых поверхностях в вакууме. Результаты этих работ лег-
ли в основу теории конденсации, созданной впоследствии Ю.Б. Харитоном и другими со-
ветскими учеными. В 1925 году — в год окончания Политехнического института — Ю.Б.
Харитон открыл «явление нижнего предела холодного воспламенения паров фосфора». В
его опытах была обнаружена определенная граница низкого давления кислорода, ниже ко-
торой реакция окисления фосфора не идет вовсе, а выше — идет с заметной скоростью.
Эта работа послужила отправной точкой для фундаментальных исследований в области
разветвленных цепных реакций. В 1927—1928 годах молодой ученый — в научной команди-
ровке в Англии. Там, в знаменитой Кавендишской лаборатории Эрнеста Резерфорда он вы-
полнил сложную работу по обоснованию метода сцинцилляции альфа-частиц. В последующие
годы в Физико-техническом институте, а затем в Институте химической физики Ю.Б. Ха-
ритон работает над рядом важнейших проблем кинетики химических реакций, кинетики го-
рения и взрывов. Им исследованы химические реакции при высоких давлениях и адиабати-
ческих сжатиях, разработаны вместе с сотрудниками вопросы теории возбуждения и рас-
пространения детонации взрывчатых веществ и, в частности, установлен принцип, связы-
вающий взрывную способность веществ со скоростью химической реакции во фронте взрыв-
ной волны. Ряд работ Ю.Б. Харитона посвящен проблемам ядерной физики. Так, например,
Ю.Б. Харитон и Я.Б. Зельдович в трудах, опубликованных еще в 1939—1940 годах, дали
первый в научной литературе расчет цепной реакции деления урана.
дуемый газ, давление распределялось равномерно во всех направлениях, и поэто-
му работа проводилась в условиях полной безопасности.
Такой микрометодикой были изучены при высоких давлениях реакции газов с
твердыми телами, затем каталитические реакции на тонких проволочках, газовая
коррозия металлов, растворимость газов в твердых телах, сжимаемость газов,
теплоотдача и т. п.
Были проведены опыты по разложению метилового спирта при 8000 атм и 350 С.
Опыты показали, что с повышением давления растет скорость образования димети-
лового эфира, увеличивается скорость разложения и выход метана и С02 (вслед-
ствие реакции водорода и СО с метиловым спиртом).
При помощи той же микрометодики проведены были исследования поведения кол-
лоидных растворов под давлением. Оказалось, что с повышением давления значи-
тельно ускоряется застудневание коллоидов гидрата окиси железа, но образова-
ние некоторых других гидратов замедляется...
Все это было удивительно интересно, мы очутились в мире новых, никому не
известных явлений, происходящих в веществе. И тут я решил изменить Абраму Фе-
доровичу Иоффе.
Н.Н. Семенов нарисовал мне картину моих будущих успехов в науке и предложил
мне перейти на основную работу из лаборатории Иоффе в Физтехе в Институт хи-
мической физики. Он обратился в Президиум Академии наук с просьбой присвоить
мне звание старшего научного сотрудника, и несмотря на то, что я не имел уче-
ной степени, по результатам моей всего двухлетней работы с Ю.Б. Харитоном и
О.И. Лейпунским Академия наук присвоила мне сан старшего научного сотрудника.
Я перешел из Физтеха в Химфизику.
Когда определился успех наших работ с высокими давлениями, мы задумали сде-
лать машину для исследования химических реакций при сильных адиабатических
сжатиях. Физико-химическую часть работ составляли и проводили совместно с
Ю.Б. Харитоном, а конструирование, монтаж и отработку адиабатической машины
вел я один.
Машина удалась. Маленький — всего двадцатимиллиметровый — ее поршень дви-
гался в горизонтальном направлении и производил сильные адиабатические сжа-
тия, при которых возникали высокие давления и температуры. Это позволило по-
лучать в машине при очень высоких давлениях и температурах реакции газовых
продуктов, происходившие через очень короткие промежутки времени. (При скоро-
сти поршня 85 метров в секунду в момент наибольшего сжатия получалась темпе-
ратура около 2200 С, а наши приборы регистрировали процессы, длившиеся Ю-4
секунды.)
Первые опыты проводились при однократном действии поршня машины, а впослед-
ствии мы стали вести опыты при непрерывных периодических движениях поршня
(импульсы получали сжатым газом). И с помощью этой методики нами была получе-
на азотная кислота непосредственно из азота воздуха.
Правда, это было только начало: мы получили небольшие количества продукта,
и у нас с Ю.Б. Харитоном появилась надежда довести машину до промышленного
образца и внедрить новый метод химического синтеза.
К сожалению, эти наши исследования прервала война. А те, кто работал в нау-
ке, знают, как трудно вернуться к теме, которую ты почему-то оставил, как за-
сасывает новое, начатое позднее дело...
Жизнь у меня шла превосходно. Из рабочего я сделался исследователем. Дела в
институте шли отлично. Дружил с хорошими людьми. Дома тоже все было радостно.
И я и мои близкие были здоровы. Моя жена, хорошая хозяйка, простой душевный
человек, трогательно заботилась обо мне, хотя я и доставлял ей немало огорче-
ний. Сын мой к этому времени стал уже студентом второго курса Корабле-
строительного института и за успехи был отмечен Сталинской стипендией. И дочь
тоже выросла незаметно для меня — я день и ночь работал — и отлично училась в
школе.
Не раз, рассуждая о том, как сложилась моя жизнь, люди относили все, в ней
совершившееся, на счет везения (одному везет, а другому не везет, или, как
говорят, одного боги наделили талантом, а другого удачей). Но всем, чего я
достиг, я был обязан коллективу людей, с которыми связала меня жизнь и рабо-
та, тем, кто помог мне вырасти и направить свою энергию к цели, избранной то-
же не без их участия, и стать частью нашей новой рабоче-крестьянской интелли-
генции. От А.Ф. Иоффе и Н.Н. Семенова я заразился стремлением не быть одиноч-
кой, работать в коллективе, не тянуть на себя, работать для института — со
всеми и для всех. Это убеждение меня никогда не покидало, я и до конца жизни
буду ему верен.
...В мае 1941 года мне вручили новые авторские свидетельства за очередные
изобретения и премию. Я стал собираться в очередную экспедицию на Эльбрус,
теперь нашей группой, исследовавшей космические лучи, руководил Владимир Ио-
сифович Векслер. Нам предстояло продолжать исследовать, свойства тяжелых
электронов, которые были нашей же группой обнаружены в составе космического
излучения.
Я обсуждал с товарищами планы на будущее. Принялся за работу над кандидат-
ской диссертацией. Собирался в экспедицию и готовил свою семью к поездке на
отдых к морю.
21 июня 1941 года Николай Николаевич Семенов пригласил меня с женой на бан-
кет — он праздновал получение Сталинской премии, которую ему присудили за ис-
следования разветвленных цепных реакций.
Трудный
лед Ладоги
Итак, вечером в субботу 21 июня 1941 года Николай Николаевич Семенов решил
отпраздновать присуждение ему Сталинской премии и устроил банкет в Доме уче-
ных, который по сей день помещается на территории Политехнического института.
Когда мы с женой возвращались с банкета домой, солнце уже поднималось (впро-
чем, было время белых ночей). Несмотря на ранний час, в небе вдалеке гудели
самолеты. Внимания на них мы не обратили: воинские учения — даже на рассвете
— не были редкостью для ленинградцев.
А оказалось, это шел над городом первый настоящий воздушный бой...
Через четыре дня я был в Пскове, в 12-м танковом полку. Командовал ремонт-
ной ротой. Полк еще только формировался. Людей было достаточно. Машин недос-
таточно . Пополнялся полк за счет танков, выведенных из боя, и ремонтникам ра-
боты хватало по горло.
Ход событий тяжкого первого лета войны известен, я не буду повторять то, о
чем уже писали много раз.
9 июля Псков пришлось оставить. Наш полк был отведен в Павловск — здесь,
уже в двадцати километрах от Питера, продолжалось обучение солдат. Здесь
позднее полк принял первые бои.
В Павловске я узнал, что мой сын вместе со своими товарищами-студентами из
Кораблестроительного уходит добровольцем в ополчение. Комполка отпустил меня
на день в Ленинград. Проводили мы с женой сына, попрощались, поплакали...
Провожать на войну, детей тяжелее, чем идти самому.
Часть, в которой был сын, ушла под Гатчину — на очень трудный участок фрон-
та — и сразу вступила в бои. Я знал об этом и очень волновался за судьбу сы-
на. Позднее под Понтонной, на самом берегу Невы, почти все товарищи его были
ранены или убиты, но сын остался цел и воевал дальше. Хорошо воевал. Одной из
самых важных проблем в те дни была организация противотанковой обороны. Ле-
нинградцы — юноши, женщины — строили укрепления и под бомбежкой, и даже под
вражеским огнем. Противотанковые пушки приходили на передовую прямо с ленин-
градских заводов, но их не хватало, и недостаток в орудиях к танках в то вре-
мя приходилось возмещать «индивидуальными средствами борьбы». Пехотинцев воо-
ружали бутылками с бензином и обычными ручными гранатами (для борьбы с танка-
ми гранаты связывали вместе по пять штук). Для единоборства с танком человеку
нужно большое мужество. У наших бойцов его хватало. Красноармейцы дрались от-
чаянно , как ни нажимал враг. Но первые индивидуальные средства борьбы с тан-
ками были несовершенны, и тогда мне пришла в голову идея создать специальную
противотанковую гранату. Я сделал кое-какие наметки, доложил о них начальст-
ву, и меня тотчас командировали из Павловска в город, в Физтех. В институте
вместе с Юлием Борисовичем Харитоном, с которым еще какие-то считанные недели
назад (до войны!) занимались адиабатической машиной, мы принялись за деталь-
ную разработку конструкции гранаты.
С первых же дней войны Ленинградский горком создал Комиссию по реализации
оборонных изобретений из ученых и инженеров, которая занималась многими инже-
нерно-техническими вопросами обороны. Возглавил ее Николай Николаевич Семенов
и, конечно, он в первую очередь немедленно включил в работу весь Физтех и об-
ратился к ученым и инженерам всего Ленинграда с призывом сообща искать и вне-
дрять все новые и новые средства для борьбы с врагом, улучшать существующие
виды оружия.
Надо сказать, что сам Николай Николаевич обладает удивительной способностью
находить неожиданное практическое применение самым, казалось бы, отвлеченным
теоретическим знаниям. Пример тому — знаменитая «каталитическая грелка», соз-
данная в конце 1939 года в отделе, который Семенов возглавлял. Во время боев
на Карельском перешейке стояли свирепейшие морозы, и наша армия стала нести
большие потери из-за обморожений. Я очень хорошо помню, как Николай Ни-
колаевич ходил по институту и уговаривал всех сотрудников — и своих, и не
своих — попытаться «сотворить нечто маленькое, компактное, обогревающее»...
«Каталитическая грелка», родившаяся в результате коллективных усилий, сохра-
нила жизнь многим тысячам советских солдат и в 1939—1940-м, и в 1941—1945-м
годах тоже.
...Предложений комиссия получала сотни — и от ученых, и от военных, и от
рабочих. Предложения тщательно разбирали, и все, что было ценно, отправлялось
в институты и конструкторские бюро для разработки, а затем — на заводы для
реализации.
Противотанковая граната, над которой работали мы с Ю.Б. Харитоном, была од-
ним из первых «детищ» комиссии. И когда дело у нас пошло, то командование со-
всем отчислило меня из полка в распоряжение штаба Ленинградского фронта и Ле-
нинградского горкома партии, и меня назначили членом Комиссии по оборонным
изобретениям.
Разрабатывать гранату вскоре закончили. Ю.Б. Харитон внес в ее конструкцию
очень много интересных и важных деталей. И он обязательно хотел испытать гра-
нату своими руками.
Завод изготовил опытную партию гранат. Танкисты 12-го танкового полка при-
тащили на полигон под Павловском трофейный немецкий танк, и профессор Харитон
принялся собственноручно подрывать гранатами разные узлы машины.
Результаты испытаний оказались очень хорошими. Наша противотанковая граната
некоторое время применялась на Ленинградском фронте. А позднее на вооружение
армии поступила граната другой конструкции — более совершенная, чем наша.
В августе 1941 года враг начал новое наступление на Ленинград, и после тя-
желейших боев нашим войскам пришлось оставить Лугу.
Бои пошли уже в дачных местах. Укрепления строили уже на ленинградских ули-
цах. Танковый полк, в котором я служил первые недели, вывели из Павловска и
расквартировали теперь неподалеку от Физико-технического института.
Дальше отступать было некуда. Мужчины — военные и штатские — готовились к
боям. Детей, женщин, музейные ценности, предприятия вывозили из города на
Восток, в тыл. Одни люди стремились уехать: они боялись бомбежек, которые
участились, боялись приближения фронта, боялись за себя или за детей. Другие
не хотели ехать, так как не верили, что гитлеровцы смогут войти в Ленинград.
Вылезли на свет и третьи: те, что ждали немцев и теперь пытались сеять панику
— без успеха. Естественно, о тех, кто эвакуировался, в городе говорили много,
одни сочувственно, так как уезжавшим предстояли трудности дальнего пути, уст-
ройство в чужих местах, отрыв от дома и близких. Другие говорили с недоброже-
лательством, с осуждением и даже злорадством — в зависимости от степени пони-
мания обстановки, от своих взглядов и настроений.
События развивались быстро, и положение Ленинграда становилось все более и
более тяжелым.
В середине августа гитлеровцы перерезали железные дороги, шедшие от Ленин-
града на восток, за исключением одной ветки — северо-восточной. Кольцо вот-
вот могло замкнуться. В это время горком партии принял решение эвакуировать
из города всех ученых, чтобы сохранить для страны ценные кадры, развернуть
исследовательские работы на оборону в тылу. Комиссия по реализации оборонных
изобретений тоже должна была почти вся выехать в Казань, чтобы вести основную
работу там.
Организовать эвакуацию поручили Н.Н.Семенову и члену обкома Н.Г. Никитину.
Вывезти в те дни удалось не всех ученых: одни не хотели бросать Ленинграда,
другие не могли подняться с места за считанные дни, которые оставались на
эвакуацию. Остался, например, в городе и перенес самую тяжкую зиму 1941/1942
года академик А.А. Байков. И пережив все, он в 1942 году снова отказывался
уезжать из города. В 1942 году эвакуация оставшихся ученых была поручена мне,
и пришлось сказать А.А. Байкову, что приказ о его спасении отдан самый кате-
горический и если он продолжит упрямиться, то красноармейцы усадят его в ма-
шину силой. Почти так же было и с матерью Игоря Васильевича Курчатова...
А тогда, в августе 41-го, на станции Кушелевка было сформировано несколько
эшелонов из пассажирских вагонов и теплушек. Погрузили ученых с семьями.
Скарб. Погрузили приборы и исследовательские установки, без которых нельзя
было развернуть работу на новом месте.
Хоть я и числился на военной службе и носил форму со «шпалой» в петлице,
мне было тоже предложено эвакуироваться — «как военному изобретателю». Для
меня, моей жены и дочери были выделены места даже в мягком вагоне.
Эшелоны простояли в Кушелевке больше двух суток. Как ни строга была дирек-
тива о срочной эвакуации ученых, очень трудно было включить эти поезда в по-
ток составов, которые спешно проталкивали из Ленинграда и в Ленинград — с
войсками, продовольствием, оружием.
Все эти двое суток я мучительно думал об одном и том же.
. . .Мой сын сейчас сражается под Гатчиной в окружении, быть может, он уже
погиб. Мне всего сорок четыре года. Я здоровый боеспособный мужчина, у меня
есть солдатский опыт, нажитый в гражданскую войну. Я много пережил вместе со
всей страной и все, что я получил хорошего, я получил от Советской власти...
Формально мне предоставлено право уехать из осажденного города в тыл и делать
там что-то полезное, но имею ли я моральное право уехать?..
Утром 20 августа объявили, что до вечера наши эшелоны не тронутся. Я поехал
в город, в свою квартиру за какими-то оставленными вещами и, когда возвращал-
ся на трамвае в Кушелевку, к поезду, услышал в вагоне очередной разговор об
эвакуирующихся — «мол, бегут, такие-сякие». Это было последней каплей.
На станции маялись пассажиры из наших эшелонов. Стоило появиться какому-
нибудь железнодорожнику, его обступали, начинали расспрашивать, когда же, на-
конец , отправят поезда.
Я подошел к начальнику эшелона Н.Н. Семенову и члену обкома партии Н.Г. Ни-
китину и сказал, что решил остаться в Ленинграде и вернуться в свой танковый
полк. Прошу только позаботиться о моих близких — и в дороге, и в Казани. Ни-
колай Николаевич спросил, чем вызвано мое решение, выслушал, подумал и ска-
зал , что я поступаю правильно. Но и он и Никитин решили, что работать мне на-
до не в полку, а в горкоме — быть представителем комиссии по реализации обо-
ронных изобретений, обеспечить на месте продолжение работ и применение того,
что будет разработано для обороны Ленинграда в Казани. Здесь же, в поезде,
была написана бумага о моем прикомандировании к горкому.
В купе у Семенова распили бутылку вина, которая была припасена в чемодане
Натальи Николаевны Семеновой. Расцеловались. Распрощались.
Наутро эшелоны ушли.
А еще спустя сутки гитлеровцы перерезали последнюю железнодорожную нить,
которая связывала Ленинград с «Большой землей».
Я родился в Мелитополе. Жил в Одессе, в Симферополе, в Батуми, в Кобулети.
В гражданскую войну прошел со своим отрядом через многие города России, в
мирное время много путешествовал по стране — то как командировочный, то как
турист. Но ни один город из тех, в которых бывал, не вызывал у меня такой
острой любви, как Ленинград. И прекрасен он. И связаны с ним самые важные со-
бытия моей жизни.
Впервые я попал в Питер в 1914 году, сразу как началась первая мировая вой-
на . Патриотический угар охватил тогда всю страну и меня тоже. Я решил вое-
вать . Возраст у меня был еще не призывной, и я надумал поступить в школу во-
енных авиамехаников в Петрограде. Бросил ремесленное училище, в котором учил-
ся в Одессе, приехал в Питер. Но в школу меня не приняли и из Петрограда тот-
час выдворили, поставив в паспорте штамп «выехать в 24 часа», так как по за-
конам империи евреям в столице жить не полагалось. Разрешалось это только бо-
гатым купцам или тем, кто получил образование.
Но Петроград я успел немножечко рассмотреть, и был им потрясен, хоть прие-
хал в него не из деревни, а из Одессы — этого «маленького Парижа».
Год спустя я окончил ремесленное училище и стал работать на Мелитопольском
заводе нефтяных двигателей. Хозяин завода взял заказ на изготовление трехдюй-
мовых снарядов от военного министерства, но оборудования для производства
снарядов в России не производилось, а приобрести его за границей было трудно,
и хозяин решил сам спроектировать и изготовить своими силами нужную па-
рогидравлическую установку. Когда делали главные паровые цилиндры, у меня
случайно мелькнула мысль, как быстрее и экономичнее нарезать отверстия. Я из-
ложил это хозяину. Прибыль от экономии времени и рабочей силы, естественно,
получил хозяин, но в благодарность он рекомендовал мне поехать в Петроград,
поработать на больших предприятиях, поучиться мастерству (сам-то он жил в
Петрограде, у него там была контора по продаже электрических машин) . Он по-
обещал мне помочь устроиться на завод, а впоследствии даже помочь продолжить
учебу и одно из этих своих обещаний выполнил — порекомендовал меня на механи-
ческий завод Н.Г. Сургайло.
Собственно говоря, это были две маленькие мастерские, которые Сургайло пыш-
но называл заводом, видимо, из коммерческих соображений. Помещался весь завод
во дворе дома на углу Обводного канала и Измайловского проспекта.
На этот раз я очутился в Петрограде без особых трудностей, так как свиде-
тельство об окончании ремесленного училища давало право там жить. Приняли ме-
ня на этот завод в июле 1916 года токарем — после испытания, конечно. Дела-
лись здесь по заказам морского ведомства плавучие буи, плавучие мины, замки
для механических взрывателей, детали для судов. Рабочих было человек сорок, в
основном молодые латыши, очень дружные, усердные и умелые. Я многому у них
научился.
А старшим мастером завода был Климент Ефремович Ворошилов. Он раздавал ра-
боту, давал советы, указания.
Хозяин наш очень быстро разбогател на военных заказах, купил себе дом на
Лиговке и перебазировал туда же весь свой завод. Когда мы стали устанавливать
на новом месте оборудование, у нас что-то произошло с одним из токарных стан-
ков . При включении шпиндель станка вхолостую вращался с нужной скоростью, но
как только станок загружался, шпиндель останавливался. Возились долго, но об-
наружить причину не могли. Пришел Климент Ефремович — хорошо помню, что он
был в черном пальто с бархатным воротником. Стали вместе разбирать, в чем де-
ло . Я предложил проверить соединения фаз, и оказалось, что внутри моторов од-
на фаза была отключена. Дело было несложным, но мне было приятно, что именно
я догадался, почему моторы малосильны. А Ворошилов, который очень любил меха-
ническое производство, меня после этого приметил и стал время от времени раз-
говаривать со мной о рабочих делах, а потом и о событиях в городе и в стране.
Я был в политике совсем неискушенным. Помнил одну демонстрацию, произошед-
шую в моем детстве в Мелитополе. Там на заводе, где работал отец, убило при-
водом одного рабочего, и на похоронах его товарищи говорили горячие речи. По-
том на кладбище явилась полиция и всех разогнала. Еще помнил, как в Одессе в
ремесленной школе кто-то собирал с нас по гривеннику на общество защиты жи-
вотных и вручал значок — птичку, а потом оказалось, что деньги собирались на
какое-то революционное дело.
Приехав в Питер, я первое время в окружающем мало разбирался. Был доволен,
что ремесло мое в связи с войной ценилось высоко, что я смог1 теперь снять се-
бе хорошую отдельную комнату неподалеку от завода (тогда в Питере везде можно
было видеть наклейки с объявлениями о сдаче комнат или угла). Работа продол-
жалась долго: с семи утра до семи вечера с часовым перерывом. Но я был молод
и здоров, сил хватало. Увлекался танцами и много вечеров проводил с то-
варищами по работе в трактирах, чтоб не отставать от компании. Пили больше
водку, разговоры велись о работе. Ко всему происходившему вокруг я относился
сначала, как к чему-то само собой разумеющемуся — мол, так заведено, и уже
ничего не переделаешь.
Примерно в октябре 1916 года я случайно встретил на Невском проспекте моего
товарища по Одесскому ремесленному училищу, который вместе со своим старшим
братом работал на заводе «Промет». Оба брата оказались большими театралами,
они скоро увлекли и меня, и мы иногда оставались втроем дежурить на всю ночь
у кассы Мариинского театра, чтобы купить билеты на спектакль с участием Ф.И.
Шаляпина, и это после того, как отработали по 12 часов и уже просидели четыре
часа на театральной галерке. Правда, вскоре посещать спектакли с участием
Ф.И. Шаляпина стало легче, так как он оставил Мариинский театр и пел в Народ-
ном Доме на Петроградской стороне. (Говорили, что Федор Иванович был удален
из Мариинского по распоряжению царя.)
Интересы мои переменились, и поэтому, кстати, я стал больше думать и заду-
мывался над теми суждениями, которые при мне высказывал иногда мастер Вороши-
лов.
Событий начиная с осени 1916 года было много. Обстановка все время накаля-
лась. Петроградские газеты стали то и дело выходить с чистыми полосами, отто-
го, что царская цензура вымарывала уже набранные выступления депутатов Госу-
дарственной думы, критиковавших положение в стране и на фронтах. Из-за не-
хватки хлеба и продуктов в Петрограде то и дело происходили инциденты у бу-
лочных и у продовольственных магазинов. На заводах шло брожение: рабочие тре-
бовали окончания войны и экономических улучшений. Правда о войне и о пораже-
ниях доходила до нас из окопов незримо — в газетах о ней не писали. Да в то
время лишь немногие рабочие читали газеты, и поэтому мы жадно вслушивались в
рассказы Климента Ефремовича. Объяснял он все очень просто, понятно, за-
душевно, но ему приходилось соблюдать в своих объяснениях определенную осто-
рожность: если бы кто-то донес, жандармы могли расправиться с ним по законам
военного времени. Но что он настроен против самодержавия, капиталистов и вой-
ны, мы понимали, и то, что Климент Ефремович в февральские дни возглавил
группы восставших рабочих, было потом для нас естественно. (После этого я ви-
дел Климента Ефремовича еще раз в 1920 году в Житомире, но подойти к нему по-
стеснялся — он был уже прославленным военачальником, а я всего простым крас-
ноармейцем .)
В январе 1917 года я перешел на завод «Феникс». На нем, кроме военной про-
дукции, изготовляли паровые машины и станки. Мечта о том, чтобы учиться даль-
ше, оставалась только мечтой. А здесь, на большом заводе, я мог хотя бы усо-
вершенствоваться в своем ремесле.
В инструментальной мастерской, куда меня приняли после испытаний, работали
первоклассные мастера. Точность изготовления инструмента исчислялась тысячны-
ми дюйма. Мастерская выпускала специальные фасонные резцы, метчики, фрезы,
развертки не только для завода «Феникс», но и для многих предприятий Выборг-
ской стороны. За несколько месяцев работы на «Фениксе» я многому научился: и
повысил свою квалификацию, и стал лучше понимать что к чему — как и что нужно
делать, чтобы рабочему классу стало лучше. Здесь, на Выборгской стороне, я
почувствовал приближение революции. Беседы с К.Е. Ворошиловым подготовили ме-
ня к этому, а кроме того, на «Фениксе» рабочие были революционными, сплочен-
ными . Отношение к хозяевам высказывали открыто: «Я на него горб за кусок хле-
ба ломаю, а он на рысаках по ресторанам». Когда не стало хлеба — забастовали.
Главный инженер «Феникса» начал нас агитировать: «Мы так не сможем войну кон-
чить ! Надо всем жертвовать для победы!». А ему кричали: «Сам жертвуй, сам во-
юй, сам горб ломай!». А вскоре разгорелись революционные события февральских
дней 1917 года, и я участвовал в них вместе со всеми рабочими «Феникса».
Когда в первые дни мы направлялись в центр Питера, чтобы принять участие в
общегородских демонстрациях, нам пришлось несколько раз сражаться с городовы-
ми , которые преграждали путь через Троицкий мост. У нас было мало оружия, мы
больше пользовались булыжниками, и переходить в итоге приходилось по льду Не-
вы. На второй или третий день мы уже относительно хорошо вооружились, разгро-
мив арсенал возле Петропавловской крепости. Каждый из участников разгрома
склада принес на завод по два пистолета «кольт». Тут уж стычки с полицией по-
шли при нашем превосходстве. Рабочие стали разоружать городовых и захватывать
полицейские участки. Потом вместе с перешедшими на нашу сторону солдатами мы
принимали участие в освобождении из «Крестов» политических заключенных. При-
шли к тюрьме. Открыли ворота и выпустили.
...В апреле меня включили в заводскую делегацию для встречи Ленина, возвра-
щавшегося из-за границы.
Помню, как несколько часов стояли у Финляндского вокзала, ожидая пока при-
дет поезд. Помню флаги, прожектора, знаменитый броневик, площадь, запруженную
рабочими и матросами, приветствия, которые были так шумны и неуемны, что рас-
слышать краткую ленинскую речь я не смог, хоть и был недалеко от бронеавтомо-
биля. Но в том 1917 году я не раз слышал речи Ленина, — он выступал с балкона
бывшего особняка Кшесинской, где помещался тогда ЦК большевиков...
С Ленинградом у меня были связаны лучшие дни жизни — и юности, и зрелости.
Я не мог покинуть свой город, когда к его стенам подошел враг.
О блокаде написано много. И все-таки мне кажется, что тот, кто не пережил
ее сам, не может представить всего происходившего — всего, что вкладывают в
это слово ленинградцы-блокадники.
На фронте, в окопе, ты, как правило, знаешь, где находится враг, откуда
можно ожидать опасность, какие меры предосторожности надо принять. Военные
знают: умелые, опытные солдаты живучее неумелых... Но угадать, откуда и когда
прилетят вражеские снаряды, в осажденном с трех сторон городе было невозмож-
но : никакое умение, никакая осторожность не укрывали. В доме — тоже, как в
мышеловке. К тому же для гибели даже не нужны были прямые попадания, доста-
точно было голода. Он был самым ужасным в первую зиму блокады.
Город казался пустым. Ни электричества, ни тепла, ни воды не было. Трамваи
и троллейбусы стояли. Стояли на улицах засыпанные снегом автомобили. Из-за
недостатка бензина ходили только военные машины.
И медленно двигались вдоль домов похожие на тени фигуры. Сколько раз я ви-
дел на улицах людей, которые в отчаянии переставали бороться за жизнь... Они
прислонялись к стенам домов, долго стояли, потом опускались на снег, сидели,
лежали, ждали, чтобы все скорее кончилось. Мимо шли другие люди. И сил у них
было лишь столько, чтобы идти самим. Помочь лежавшим они не могли. И я тоже
помочь не мог.
.. .Я занимал должность заместителя председателя Комиссии по оборонным изо-
бретениям при горкоме партии (хотя в начале войны был еще беспартийным, в
партию я вступил в 1942 году, в блокадные дни). Потом начальник штаба фронта
генерал Д. Н. Гусев предложил мне исполнять обязанности инспектора по изобре-
тательству при штабе фронта, ведь функции совпадали. Я был «большая шишка»:
жил в Смольном на казарменном положении, был прикреплен к тамошней столовой,
и кормили меня по нормам, полагавшимся командирам, служившим в Ленинграде, то
есть «в тылу».
До передовой можно было доехать на трамвае, если бы трамвай ходил. На любом
другом участке такой тыл считался бы фронтом, а мы — фронтовиками. В Ленин-
граде пришлось разграничивать по-другому. Максимально большая часть продо-
вольствия отдавалась на самый передний край. Ленинградские жители, в том чис-
ле все служащие, а с ними и научные работники получали 125 грамм хлеба. Я —
военный — получал вдвое больше и еще немного горячей пищи, ленинградской, ко-
нечно . Но мой паек был меньше, чем у солдат на передовой. Когда я ходил в
Физтех, то часть своего пайка нес друзьям, которым было еще хуже. Меня все же
кормили так, что смерть мне не грозила, хотя силы убавлялись, и голоден я был
беспрерывно.
Много страшного осталось в памяти. Встречались и люди, стремившиеся выжить
за счет других, даже самых близких; тут становились видны подлинные душевные
качества каждого: кто настоящий сын, настоящий брат, друг... В институте ми-
зерные пайки прятали в несгораемые ящики, все остальные хранилища оказывались
ненадежными. Дома наводнили крысы. Бороться с ними не было никакой возможно-
сти. Некоторые люди ловили крыс и ели, и этому никто не удивлялся.
Но кроме страшного и горького осталось в памяти и много прекрасного. Я уже
сказал, что становились видны подлинные качества людей.
Сотрудница института Евгения Григорьевна Степанова принесла в Физтех из го-
рода трехлетнюю девочку, чьи родители погибли от голода. Среди сотрудников
института в те дни немало умирало от голода, и все же «всем миром» помогли
Степановой спасти девочку, отдавая крохи от собственных пайков.
Помню молодую девушку, которая, как многие ленинградки, жила на работе, на
казарменном положении. Казарменное положение в тех условиях было большим бла-
гом : не надо тратить сил на трудный пеший путь от дома до работы и обратно.
Но эта девушка получала к своему хлебному ленинградскому пайку порцию каши и
потому каждый день ходила от Александро-Невской лавры на Васильевский остров
— несла свою кашу старенькой матери.
У меня (да и не только у меня) создалось впечатление, что в блокаду в оди-
наковых условиях погибали в первую очередь те, кто опускал руки и переставал
бороться за жизнь, а выживали те, кто боролся, и не только за свою жизнь, а
за то, чтобы выжили другие.
В Агрофизическом институте (рядом с территорией Физтеха) работала младшим
научным сотрудником Елена Петровна Бутыркина. В страшную первую зиму блокады
она хранила посевной материал. Часть посевного картофеля и овощей Бутыркина
раздала людям, чтобы поддержать самых слабых. Она сама была так же истощена,
как и все, выглядела старухой, хотя ей было всего тридцать лет. Ходила со
свертком или с сумкой и — могли ведь какие-нибудь отчаявшиеся люди отнять у
нее все, что в сумке было, — потихоньку то одному, то другому сунет пару кар-
тофелин , луковицу, морковку и уйдет незаметно. И еще она подкармливала детей,
даже совсем незнакомых. Узнавала, где остались дети без родителей, и ходила к
ним и старалась пристроить к людям, сохранившим нравственные силы.
Елена Петровна точно определила, сколько посевного материала надо оставить
неприкосновенным, чтобы весной высадить его, потому что война будет еще дол-
гой и в осажденном городе надо будет растить картофель и овощи, чтобы продер-
жаться дальше. Весной 1942 года она сама засадила овощами все оранжереи и еще
большой участок на территории Физтеха и раздала семена сотрудникам: институт-
ские дворы и все переулочки вокруг были превращены в огороды. В городе ого-
роды были на всех газонах. Это серьезно помогло продержаться дальше, ведь
блокада была прорвана только в январе 1943 года, и продовольствие в город
доставлялось с трудом.
А зимой 1941 года пищу старались добывать из самых неожиданных веществ. От-
мачивали крахмал с обоев, варили кисель из столярного клея — об этом расска-
зывали чуть ли не все, кто писал о блокаде. В Физтехе на складе обнаружили
большой запас масляных красок, и вот замечательный физик и химик Павел Павло-
вич Кобеко13 придумал, как выделять из красок олифу и как ее очищать, чтобы
Член-корреспондент АН СССР Павел Павлович Кобеко (1897—1954). В ноябре 1917 года,
когда был принят декрет о мире, рядовой артиллерийского дивизиона Павел Кобеко вер-
нулся с фронта и стал учителем в сельской школе неподалеку от Смоленска. В 1921 году
он поступил учиться в Сельскохозяйственный институт в городе Горки Смоленской губер-
нии на отделение агрохимии и буквально с первых месяцев сделался в том же институте
научным сотрудником кафедры органической химии и лекционным ассистентом на кафедре
физики. В 1925 году после окончания института П.П. Кобеко приехал в Ленинград и на-
чал работать в лаборатории физики полимеров — изучал полимеризацию высыхающих масел
и электрические свойства образующихся полимеров. Затем принялся исследовать элект-
ропроводность борных стекол, и вскоре А.Ф. Иоффе предложил ему перейти в свою лабо-
раторию и заняться физическими свойствами диэлектриков. Восемь лет П.П. Кобеко по-
святил физике твердого тела — проблемам механической и электрической прочности, ме-
ханизму электрического пробоя. Далее — изучение механизма выпрямления сернистых со-
лей — первая в СССР работа по физике полупроводников. Наконец — вместе с И.В. Курча-
товым и К.Д. Синельниковым — Павел Павлович провел фундаментальные исследования по
сегнетоэлектричеству. В 1933 году П.П. Кобеко организовал и возглавил в Физтехе «ла-
бораторию аморфных состояний», здесь им было положено начало новому направлению в
науке. В его дважды переиздававшейся монографии «Аморфное состояние» были обобщены
все знания, накопленные по этой проблеме физикой и физической химией, и результаты
собственных уникальных изысканий об аморфных состояниях мономеров, физикохимии про-
цесса полимеризации, о кинетике полимеризации под давлением. Кобеко создал блестящую
школу физико-химии полимеров — она рождвлась в Физтехоаской лаборатории. А в итоге
его собственных теоретических исследований им были созданы вместе с академиком А.П.
Александровым морозоустойчивая резина из синте тического каучука и морозоустойчивый
изолирующий материал эскапон. В годы блокады Кобеко возглавил Ленинградский филиал
Физико-технического института — так называлась та часть учреждения, которую не успе-
ли эвакуировать. Он возглавил Объединенный ученый совет научных учреждений Ленингра-
да, работал в Комиссии по реализации оборонных изобретений при горкоме партии. В эти
дни Кобеко работал только для фронта: он создал метод борьбы с обледенением самоле-
тов, один из видов пуленепробиваемых стекол для самолетов, занимался размагничивани-
она стала пригодной для пищи. Эту олифу маленькими порциями выдавали сотруд-
никам, и они поджаривали на ней хлеб — крохотные свои блокадные пайки. Добав-
ка такого жира, изобретенная Кобеко, спасла жизнь многим людям.
...Стояли лютые морозы — до тридцати пяти градусов, а в институте кончились
дрова. Райисполком предложил разобрать на дрова деревянный дом, стоявший не-
подалеку. А разборка дома — тяжелый физический труд — была не по силам исто-
щенным людям. Помогли солдаты 12-го танкового полка: приехали на танке и сва-
лили дом машиной. И потом помогли растащить его по бревнышку...
В ту пору в печках-буржуйках сгорали стулья, шкафы, книги — целые библиоте-
ки, которые часто собирали годами. Мерзнувшие бойцы воинской части, занимав-
шей здание Института химической физики (в квартале от Физтеха), принялись за
институтскую библиотеку, очень ценную. Об этом узнала сотрудница института
Наталья Федоровна Шишмарева и принялась библиотеку спасать: она одна перета-
щила на саночках в Физтех уцелевшие книги и журналы, отбиваясь от мерзнувших
людей, которые не понимали, о какой ценности этих книг и журналов может идти
речь, если им так смертельно холодно.
Шишмарева сама мерзла. Она была истощена, как все, но сохранила и физтехов-
скую библиотеку, и часть библиотеки Института химфизики. А.Ф. Иоффе после
войны говорил, что Шишмарева совершила истинный подвиг.
Я жил в Смольном, но в институте бывал постоянно. В трудное время хотелось
быть среди близких людей, которых знал многие годы, и как только выдавалось
свободное время — шел из Смольного в Физтех. К тому же я непрерывно был свя-
зан с Физтехом текущими делами — ведь с самого начала войны он сделался ос-
новной исследовательской базой, где разрабатывались и опробовались образцы
нового вооружения. Одни виды вооружения были задуманы и выполнены сотрудника-
ми института. Другие были предложены ленинградскими рабочими и инженерами — в
нашу Комиссию по оборонным изобретениям при горкоме ежедневно приходили де-
сятки писем от изобретателей. И сами изобретатели приходили в Смольный. Одни
приносили дельные предложения. Другие — фантастические. Разбираться со всем
этим мне, П.П. Кобеко и профессору Остроумову, более других работавшим в ко-
миссии , было нелегко, точнее хлопотно. Обо всем не расскажешь. Но многие
дельные предложения нам удалось осуществить.
Например, в начале 1942 года в Смольный на имя А.А. Жданова пришло письмо
от сотрудников одного из ленинградских заводов. Они предложили повысить эф-
фективность авиационных бомб. Дело заключалось в следующем: авиабомбы, кото-
рые в то время состояли на вооружении наших ВВС, срабатывали при ударе о зем-
лю. Осколки при этом разлетались веером и поражали солдат противника лишь на
ограниченной площади «конуса разлета». Авторы письма предложили оснастить
бомбы небольшой радиотехнической схемой, которая заставляла бы срабатывать
взрывной механизм на определенном расстоянии от земли — в воздухе. Осколки
при этом должны разлетаться не веером, а параллельно земле и поражать боль-
шую, чем обычно, площадь.
Это предложение вызвало очень большой интерес и у членов нашей комиссии, и
у командования фронтом, и для доведения дела до конца мне предложили создать
и возглавить специальную группу — в нее вошло пятеро сотрудников разных обо-
ем корпусов кораблей Балтийского флота, разработал зажигательную смесь для снарядов,
исследовал деформацию ледового покрова на Ладожском озере и разработал вместе с СВ.
Кобеко, Н.М. Рейновым и другими сотрудниками безопасный режим движения автомобилей
по «дороге жизни». Он был контужен, а затем тяжело ранен. Вернулся к жизни и работе
— к исследованиям фундаментальных проблем физикохимии полимеров. Он вел их в Физте-
хе, где до 1951 года был заместителем директора института, и продолжал их до по-
следних своих дней в Институте высокомолекулярных соединений АН СССР, где для него
была создана новая лаборатория.
ронных предприятий. Мы довольно быстро изготовили несколько вариантов устрой-
ства и уже в феврале 1942 года были готовы начать испытания. Но проводить ис-
пытания в осажденном Ленинграде было негде, а сбрасывать неиспытанные и еще
«не отработанные» новые бомбы сразу на немцев было просто опасно; не разо-
рвется одна бомба, и изобретение окажется в руках врага. Поэтому командование
решило провести испытания в тылу. Нашу группу со всем имуществом переправили
по воздуху через фронт в небольшой тыловой город. Местное авиационное коман-
дование предоставило нам бомбардировщик, и весь февраль мы вели опыты, испы-
тывали схемы, привезенные из Ленинграда, испытывали устройства, придуманные
уже во время испытаний. Результаты оказались хорошими, изобретение надо было
пускать в дело. И я заспешил в Ленинград — доложить командующему фронтом об
удаче.
.. .Четырежды по случайности миновала меня верная смерть. И тонул я, когда
не умел плавать. И махновской пули избежал в гражданскую войну: ехал на поез-
де, а поезд захватили бандиты. И на стратостате мох1 погибнуть вместо Ильи
Усыскина,— ведь в тот день, как пришло распоряжение члену экипажа немедленно
ехать в Москву, Илью никак не могли разыскать, и я, его дублер, уже принялся
собираться в дорогу. И тут меня снова миновала смерть, да как!..
На том тыловом аэродроме, где мы вели испытания, я уже собрался погрузиться
на ТБ-3 — старый тяжелый тихоходный бомбардировщик, который использовали уже
как «воздушный грузовик»,— он должен был в очередной раз доставлять в Ленин-
град продукты. И вдруг на аэродром сел самолет командующего ВВС Ленфронта ге-
нерала А.А. Новикова (ныне Главного маршала авиации). Мне не раз приходилось
встречаться с ним по делам комиссии, а сейчас я очутился в тылу из-за изобре-
тения, прямо касавшегося его ведомства. Я подошел к Новикову. Поговорили о
деле, и он мне предложил лететь не на ТБ-3, а в его «Дугласе» — быстрее,
удобнее и, что тогда немаловажно было, теплее.
ТБ-3 взлетел. Спустя какое-то время мы погрузились в «Дуглас», и самолет
стал отрываться от земли. Я сидел в хвосте. Меня вдруг сорвало с места, швыр-
нуло через всю кабину и ударило головой о перегородку пилотского отсека. Са-
молет лежал на земле.
Оказывается, летчик зацепил крылом телеграфный столб. И хоть все отделались
лишь ушибами, я себя ругал, что не улетел на предыдущей машине. А несколько
часов спустя нам сказали, что ТБ-3, на котором я чуть было не полетел, сбит
над Ладожским озером фашистскими истребителями. К тому времени, как они напа-
ли на тихоходный ТБ, наш «Дуглас» тоже мог оказаться поблизости... На следую-
щее утро с воздуха я увидел на льду озера распластанный, искалеченный само-
лет.
Комиссия по оборонным изобретениям занималась не только разбором предложе-
ний, которые приходили сами собой. Большое значение имела в те дни разработка
проблем, которые перед нами ставила жизнь.
Ленинградские заводы, производившие снаряды, испытывали постоянную нехватку
меди — она нужна для снарядных поясков. Комиссии была поставлена задача найти
какой-то выход. Решили задачу ученые Физтеха: они пересчитали баллистические
характеристики снарядов и определили, что медные пояски делались по обычаю
мирного времени с запасом. Их размеры можно было уменьшить вдвое. Это дало
гигантскую экономию дефицитного металла: из того количества меди, которое бы-
ло в распоряжении предприятия, можно было делать вдвое больше поясков для
снарядов.
Вот другой случай. Во время боев на Синявинском направлении наши войска по-
теснили гитлеровцев на одном участке, захватили склад боеприпасов и вывезли
все, что на складе было, в город. Там среди прочего оказалось большое количе-
ство особых тонких полых снарядных корпусов — гитлеровцы предназначали их для
заполнения отравляющими веществами. Было решено эти трофейные корпуса исполь-
зовать, и П. П. Кобеко, очень активно работавший в нашей комиссии, предложил
начинять их зажигательной смесью и, добавив простенькие стабилизаторы, ис-
пользовать снаряды как мины. Он сам быстро подобрал довольно простой состав
смеси из сырья, которое было в осажденном Ленинграде, и разработал технологию
ее изготовления. На испытательный полигон приехали командующий фронтом Л. А.
Говоров и член военного совета А.А. Жданов. Они по достоинству оценили изо-
бретение — и снаряды, и минометы, для них сделанные, и поэтому следующая пар-
тия мин была обрушена уже на гитлеровцев, и эти зажигательные мины нанесли
врагу большой урон: были разрушены блиндажи и дома, в которых гитлеровцы ук-
рывались, подожжены склады. А разведка донесла, что, кроме материального уро-
на, фашисты потерпели еще и урон моральный. Гитлеровское командование посто-
янно твердило солдатам, что все население Ленинграда уничтожено бомбежками,
обстрелами и голодом и их армия вот-вот войдет р опустевший город, а тут на
головы солдат обрушиваются тяжелые удары, наносимые новым и неведомым оружи-
ем. Дух вражеских войск был этим подорван.
Расскажу еще об одной работе, в которой мне пришлось участвовать в те тяже-
лые дни вместе с товарищами из Физико-технического института и других иссле-
довательских учреждений. Память о ней нам, оставшимся в живых, пожалуй, более
всего дорога.
До прорыва блокады (в начале 1943 года) Ленинград в зимнее время был связан
с «Большой землей» лишь знаменитой ледовой дорогой через Ладожское озеро —
«дорогой жизни». По ней везли продовольствие для голодающих жителей и для
солдат, защищавших город, по ней эвакуировали в тыл обессилевших ленинград-
цев .
Таких дорог, как эта, история не знала. Когда ее создавали, думали о защите
дороги с воздуха, об организации на дороге медицинской и технической помощи —
на случаи аварий и бомбежек, но никто не представлял себе другой проблемы, с
которой пришлось столкнуться. Через некоторое время после того, как «дорога
жизни» начала действовать, на ней время от времени автомашины без видимых
причин стали проваливаться под лед. Причем, когда грузовики шли в Ленинград с
«Большой земли» с полной нагрузкой, они, как правило, доходили благополучно,
а проваливались они под лед обычно, когда шли в обратный рейс с изголодавши-
мися людьми, которых вывозили из блокады — с грузом, много меньшим...
А.А. Жданов сам собрал ученых, изложил суть дела и сказал, что мы обязаны
выяснить причины катастроф и найти выход — необходимо изучить поведение озер-
ного льда при разных нагрузках. Было ясно, что движение машин вызывало коле-
бание и деформацию ледяного покрова, — при неких определенных условиях это и
вело к страшным последствиям. Весь вопрос был в том, что это за условия?..
Гидрометслужба располагала приборами, которыми можно было определять коле-
бания льда, но только визуально: у каждого такого прибора должен был непре-
рывно сидеть человек и записывать показания. А чтобы понять закономерности
деформаций льда, условия и причины возникновения разломов, нужно получить
большой статистический материал: одновременно в десятках точек трассы в те-
чение многих дней непрерывно регистрировать колебания льда, имевшие разную
продолжительность — и очень короткие, и очень длинные.
Мы распределили обязанности — кому и чем в первую очередь заниматься в
сложной предстоявшей работе. Как всегда, мне пришлось заняться прибором, на
этот раз прибором для регистрации колебаний льда. Изрядно помучившись — голо-
ва в голодное время была тяжелой,— я такой прибор создал и дал ему имя «про-
гибограф».
Прибор этот регистрировал колебания длительностью от 0,1 секунды до суток и
автоматически их записывал. Осенью 1942 года была изготовлена большая серия
прогибографов; станины, на которых прогибографы монтировались, мы изготовили
из прутьев ограды клумб Политехнического института. Когда Ладога снова за-
мерзла, мы установили эти приборы в разных точках озера и стали вести на-
блюдения. Гитлеровцы тоже не оставили нашу работу без внимания: они обстрели-
вали сотрудников, работавших у приборов, несколько человек ранили, несколько
стендов разрушили. На Ладоге стояли сильные морозы: тридцать — тридцать пять
градусов ниже нуля. Проруби, у которых устанавливались прогибографы, то и де-
ло затягивало льдом, его приходилось заново прорубать. Потом Софья Вла-
димировна Кобеко (жена Павла Павловича) предложила заливать проруби трансфор-
маторным маслом, чтобы они не замерзали. Это позволяло участникам работы реже
выходить из укрытий к приборам, и мы стали снимать графики с прогибографов
только ночью, когда ни артиллерийского обстрела, ни самолетов врага не было.
Изучение полученных данных позволило понять закономерности деформации льда,
которые прежде известны не были, и в первую очередь зависимость деформации
льда от скорости движения по нему машин. Оказалось, что наиболее опасные ко-
лебания льда возникают при скоростях около 35 километров в час. И так получа-
лось , что шоферы перегруженных грузовиков, шедших с продовольствием в Ленин-
град, при неблагоприятных условиях на трассе шли с меньшей скоростью, а когда
они везли в обратном направлении голодных, больных, страдающих от морозного
встречного ветра людей, они ехали обычно именно на скоростях, близких к кри-
тическим. Тут же водителям машин была дана жесткая инструкция ездить по ледо-
вой дороге либо медленнее, либо быстрее 35 км в час. На этом работа наша не
закончилась, мы определили, при какой толщине какие динамические нагрузки лед
может выдержать, и составили специальные таблицы, которые передали военному
командованию.
В конце 1942 года командование фронта начало готовить прорыв блокады Ленин-
града. Наиболее выгодным участком прорыва оказался район Петрокрепости: здесь
можно было нанести по гитлеровцам удар с двух сторон — и со стороны «Большой
земли», и со стороны осажденного города. У военных, которые готовили операцию
и были знакомы с нашими работами, возникла мысль перебросить по Ладожскому
льду танки. Они снова с нами посоветовались, мы подсчитали, какой режим дви-
жения танков возможен, и на лед вышли целые танковые части, которые нанесли
вражеским войскам тяжелейший удар. А наши экспериментальные данные тем самым
были подтверждены на практике (об этом мы, конечно, не забыли упомянуть, ког-
да после войны работы об изучении деформаций льда были опубликованы в «Журна-
ле технической физики»).
Прорыв блокады был произведен в январе 1943 года — сразу вслед за разгромом
фашистов под Сталинградом. Две эти победы были тесно связаны между собой.
Рассказать о ликовании, которое охватило всех жителей, я просто не сумею.
Знакомые и незнакомые люди целовались и обнимались на улицах, плача от радо-
сти. Особенно «доставалось» военным, мне в том числе.
Но положение города продолжало оставаться серьезным. В результате январско-
го прорыва в 1943 году был создан «коридор» шириной в несколько километров,
который связывал Ленинград с «Большой землей». Снабжение города теперь уже не
должно было зависеть только от Ладожского озера и ледовой «дороги жизни». Бу-
квально в тот же день, как блокада была прорвана, 18 января, саперы начали
строить железнодорожную ветку в «коридоре» и деревянный мост через Неву.
Строительство шло днем и ночью на глазах у озверевшего противника, который
днем и ночью обстреливал и дорогу и мост, но несмотря ни на что они были по-
строены. Мы установили на мосту прогибографы, определили его устойчивость к
нагрузкам, и по «коридору», который непрерывно обстреливала вражеская артил-
лерия, началось движение поездов Гитлеровцы предпринимали отчаянные усилия,
чтобы снова отрезать Ленинград, но все они были напрасны.
В блокадные времена в Физтехе не было своего ученого совета, ведь основной
состав сотрудников института эвакуировали в Казань. Существовал Объединенный
ученый совет научных учреждений Ленинграда.
В 1942 году на одном из заседаний этого Объединенного ученого совета я за-
щитил кандидатскую диссертацию. Работа называлась «Высоковольтные конденсато-
ры постоянной и переменной емкости под давлением», в ней были систематизиро-
ваны результаты предвоенных исследований с элегазовыми устройствами, в кото-
рых я принимал участие вместе с Б.М. Гохбергом и М.В. Гликиной. Экспери-
ментальный материал — более чем достаточный. На заседание пришли ученые со
всего города. Все были голодными, истощенными: и оппоненты, и члены совета, и
диссертант. Идти на заседание надо было пешком, транспорта не было, и тем не
менее все, у кого остались силы, явились на ученый совет. Был очень важен сам
факт: в осажденном городе, который обстреливает фашистская артиллерия, проис-
ходит защита диссертации, написанной в дни блокады.
Председателем ученого совета был П. П. Кобеко. Он и поздравил меня первым с
присуждением степени кандидата технических наук. Вскоре после прорыва блокады
пришло извещение, что Высшая аттестационная комиссия утвердила решение учено-
го совета. Я был на седьмом небе.
Летом 1943 года меня как научного работника из армии демобилизовали, и офи-
циально я снова стал научным сотрудником Физико-технического института, но
продолжал работать и в Комиссии по оборонным изобретениям и, несмотря на то,
что был теперь штатским человеком, оставался инспектором по изобретательству
при штабе Ленинградского фронта.
Вскоре по служебным делам меня командировали в Москву, и я первым делом от-
правился в Президиум Академии наук — повидаться с Абрамом Федоровичем Иоффе
(он был в это время вице-президентом Академии). Встреча была радостной. Иоффе
расспрашивал меня о пережитом, об институте, о сотрудниках, о положении дел в
Ленинграде, о планах работы Комиссии по оборонным изобретениям. А закончил он
беседу тем, что предложил мне съездить в Казань и повидаться с семьей и това-
рищами.
Я был очень тронут. Конечно, согласился поехать и пробыл в Казани два дня.
Какой была встреча с женой, дочерью и друзьями, рассказывать незачем — каж-
дый может это легко себе представить. Замечу одно: перед отъездом в команди-
ровку мне была вручена медаль «За оборону Ленинграда», ее тогда получили еще
лишь считанные люди. И хотя на улицах Казани встречалось немало фронтовиков с
орденами и медалями, за мной постоянно следовали кучки мальчишек и девчонок,
старавшихся разглядеть, как выглядит «Ленинградская медаль», приколотая к
лацкану моего пиджака.
. . .Я был тесно связан работой со штабом фронта и знал, что готовится новое
наступление для полной ликвидации блокады. После свидания с женой и дочерью
дальнейшая разлука стала уже совсем невыносимой, и они тоже рвались из Каза-
ни, хоть и знали, что немцы по-прежнему продолжают обстреливать город. Я об-
ратился в штаб фронта и в Ленсовет и получил разрешение на въезд в Ленинград
моей семьи. Кроме того, мне предоставили квартиру (пустых квартир в городе
было тогда много). И в декабре 1943 года мы очутились все вместе.
Когда жена и дочь получили пропуска на въезд в Ленинград, это переполошило
всю Казань. Раз две первые ленинградки возвращаются домой, значит, конец и
блокаде, и, наверное, конец войне. Были уже пережиты тяжелые 1941-й, 1942-й
(и 1943-й тоже был на исходе), было собственной кожей испытано, как трудна и
долга война, и все-таки у людей, даже очень сведущих, жила надежда, что вдруг
завтра может сразу прийти полная победа и долгая дорога на Берлин неожиданно
превратится в короткую.
И представьте себе радость эвакуированных в Казань ленинградцев, когда один
из их прогнозов оправдался: через полтора месяца после того, как первые их
землячки вернулись домой, гитлеровцев разгромили под Ленинградом наголову и
отогнали от города далеко и навсегда.
После того как фронт откатился на запад, ленинградским ученым пришлось еще
некоторое время заниматься военными делами. П.П. Кобеко, например, вел работу
по размагничиванию корабельных корпусов — без этого судам нельзя было плавать
в Финском заливе, который фашисты буквально нашпиговали магнитными минами.
Занимались физтеховцы и поисками метода разминирования суши — гитлеровцы,
удирая, оставили в ленинградской земле около двенадцати миллионов противопе-
хотных мин, на них подрывались колхозницы, выходившие работать в поле, гибли
старики, дети. Методики разминирования, которые тогда применялись, были очень
трудоемки и небезопасны, немало саперов погибало. У нас в Физтехе с моим уча-
стием была разработана конструкция специальной установки, которую потом сде-
лали на заводе «Большевик». На старом танке вместо пулеметной башни монтиро-
вался компрессор. При движении танка компрессор накачивал сжатый воздух в ре-
сивер (специальную емкость). Перед танком двигался в горизонтальной плоскости
гибкий рукав, связанный с ресивером. Воздух бил из него под давлением в 10—12
атмосфер и буквально вспахивал землю перед машиной, подрывая спрятанные в ней
мины.
С помощью этой установки было очищено немало минных полей.
После того как гитлеровцы от Ленинграда были отогнаны окончательно, научные
учреждения, вывезенные в первый год войны в Казань, стали постепенно возвра-
щаться домой, в родной разрушенный город. Возникло много новых трудностей:
квартиры одних сотрудников были разбиты бомбами или снарядами, квартиры дру-
гих заняты людьми, переселившимися из разбитых домов. Вернувшимся в Ленинград
Абраму Федоровичу Иоффе и его ближайшим помощникам П. П. Кобеко и М.С. Сомин-
скому пришлось решать много хлопотных вопросов, прежде чем жизнь института
смогла войти в нормальное русло.
Надо начинать развертывать исследовательскую работу, но ее не начнешь с
пустыми руками. Старые установки оставили в Казани, а новых не было, и обору-
дование мастерских пришло в негодность. Не было сырья, не было инструмен-
тов ... Здесь нас выручила моя «счастливая звезда». Во время одной из моих ко-
мандировок в Москву я встретил на улице полковника — бывшего командира 12-го
танкового полка, в котором служил первые недели войны и с которым бок о бок
провел тяжелую зиму 1941/42 года.
Встретились. Поговорили. Полковник пригласил меня домой. Посидели. Я пожа-
ловался на трудности. Полковник сказал, что он сейчас работает в Наркомате
обороны и попробует нам помочь. На следующий день я пришел в наркомат. Коман-
дир познакомил меня с несколькими военными специалистами. Мы с ним «на два
голоса» объяснили им положение, объяснили, что будущие работы института очень
важны — и для мирных дел, и для обороны Родины. Сотрудники наркомата стали
обсуждать, чем нам помочь, и для начала институту была выделена и передана
походная механическая мастерская для ремонта танков, смонтированная на амери-
канском грузовике «Студебеккер».
Для тех дней она была истинным кладом. В Ленинграде мы быстро сняли с гру-
зовика станки, автономную электростанцию, слесарное оборудование, верстаки,
инструмент — все это дало возможность развернуть нашу лабораторную мастер-
скую. Машину переоборудовали в автобус (его в мою честь назвали «Рейнобус»),
и каждое утро он вез от Владимирской площади к институту сотрудников, и каж-
дый вечер отвозил обратно... Жизнь понемногу налаживалась.
И работа налаживалась. Новая, очень сложная и важная работа. Если бы она не
была выполнена, не знаю, что было бы сегодня с миром и нами. Ведь с 1943 года
было известно, что германские физики ведут работу над каким-то «секретным
оружием». А после того, как выяснилось, что для этого секретного оружия добы-
вается огромное количество «тяжелой воды», стало ясно, что речь — об атомной
бомбе.
И примерно в это же время стало понятно, что американские физики тоже рабо-
тают над созданием атомного оружия. И, естественно, за это же дело нужно было
срочно взяться и советским физикам.
Первое специальное научно-исследовательское учреждение было создано в Моск-
ве, и сразу же в него были переведены многие физики из Физтеха. Немного спус-
тя к работе были подключены и другие институты, в том числе и наш.
И Абрам Федорович попросил меня тоже принять участие в этой работе. Я, ко-
нечно, согласился. И, конечно, понимал, что и здесь мне придется заниматься
приборами и экспериментальными установками. Хотя я и был теперь кандидат на-
ук , дипломированный ученый, никаких иллюзий на свой счет у меня не было. Моим
фундаментом с юности была профессия механика. Просто за свою жизнь я прошел
путь от механика самого низкого класса до класса высокого. Я не хочу напус-
кать туману, как ученый мелитопольский бухгалтер из моего детства. Моя жизнь
прошла счастливо: мне удалось быть полезным науке, полезным людям, с которыми
я работал, мне удалось быть полезным стране, в которой я родился и вырос, с
которой перенес горе и радости. И тем я счастлив.
Ну, а о той работе, в которой А. Ф. Иоффе предложил мне участвовать в конце
1944 года, я расскажу в другой раз. Мне хочется продолжить эти мемуары, но,
оказывается, писать их мне труднее, чем придумать еще один прибор.
СЕТИ ШПИОНАЖА
Д. Реколдин
Первое серьезное испытание выпало на мою долю, помнится, в начале пятидеся-
тых годов, я работал тогда в Ведомстве Безопасности Клетки. Известно, что до-
брая слава лежит, а худая по дорожке бежит. Но что-то уж слишком быстро пошла
молва об утечке наших производственных секретов...
— Вас вызывает шеф, — сказал мне дребезжащий голос из телефонной трубки.
Я выскочил из конторы, сел на первую попавшуюся растворенную молекулу и до-
брался до ядра Клетки. Когда я вошел, шеф мрачно спросил:
— Что вы думаете делать с этой утечкой?
— Сам не знаю. Может быть, у вас есть какие-нибудь предложения?
— Клеточная безопасность — ваша работа. Дело плохо: Противник вплотную за-
нялся сравнительной биохимией. Если Он раскроет наши секреты, Он узнает и про
дрожжи, и про хлореллу, и даже про штучки покрупнее, вплоть до шпината. Это
грозит всем.
Выйдя от шефа, я отправился на производство. По дороге я в который раз пе-
ребирал в уме то немногое, что нам было известно. Мы знали, что Противник по-
лучает важнейшую информацию о нашей технологии изготовления Сахаров — я имею
в виду метод фотосинтеза. Может быть, Они похищают промежуточные продукты и
складывают их в нужной последовательности? Если бы так просто! Полтора месяца
я проверял все накладные и пересчитывал изготовленные глюкозные остатки. А
недостачи нигде не обнаружил.
Были, правда, периодические изъятия. Время от времени целую группу наших
набивали, как сельдей, в небольшой контейнер, освещали его слепящим светом, а
потом погружали в кипящий спирт. Даже среди Их методов этот был самым жесто-
ким . Так Они пытались изучить нас. Кажется, они применяли нашумевшую тогда
новинку — хроматографию, но никакого толку добиться не могли: у Них не было
ни малейшего представления о том, в каком порядке расставлять промежуточные
продукты. Догадывались мы и о попытках извлечь информацию из наших ферментов.
Но ведь всякий знает, что ферментам с самого их рождения запрещено сообщать
что-либо ценное, оказавшись вне клетки. Имя, звание, номер — и точка.
Как же Они умудряются получать информацию?..
Я уныло стоял в упаковочном отделении, рядом со стариной Джорджем. Поднату-
жившись , он поднял дюжину ящиков с гранулами крахмала и потащил их к отделу
доставки.
— Старею, должно быть, — сказал Джордж. — Раньше таскал их по четырнадцать
штук зараз. А теперь больше двенадцати не могу.
— Может быть, ящики потяжелели? — сказал я наобум.
— С чего бы это?
— Джордж, а есть у нас старые запасы с прошлого года?
— Есть наверху.
— Дай-ка мне один твой ящик,— попросил я.
Наверху я поставил его на весы. Потом взвесил ящик из старых запасов. Он
был легче! Правда, я не понял сначала, при чем здесь безопасность клетки. А
потом в голове у меня как будто что-то щелкнуло, — словом, меня осенило.
Два раза я неправильно набирал телефон лечебницы, пока не дозвонился. Я
спросил и лоб:
— В каком отделе за этот год больше всего больных?
— Мы все ждали, когда нас об этом спросят. В отделе поглощения углекислоты.
Не поймем, в чем дело.
— Что с ними?
— Понимаете, это звучит странно, но у них что-то вроде лучевой болезни. Ко-
нечно, это чушь, но все симптомы...
Я подпрыгнул от радости и швырнул трубку. Потом я аккуратно взял ее и на-
брал номер Управления.
— Шеф? Это Ведомство Безопасности. Что вы скажете о радиоуглеродных метках?
— Каких метках?
— Радиоуглеродных! Эти хитрецы кормят нас углекислотой с радиоактивным уг-
леродом, а потом измеряют радиоактивность всех промежуточных продуктов. Оста-
ется только расположить их по степени разбавления — и дело в шляпе, вся це-
почка готова.
— Ничего не понимаю.
— Разрешите предложить контрмеры?
— Изложите в рапорте.
Мой рапорт был настоящим шедевром, поверьте на слово. А своими контрмерами
я до сих пор горжусь. Говоря коротко, мы приготовили целую серию липовых фер-
ментов , которые делали с молекулами сахара бог весть что. Трехуглеродные са-
хара они превращали в пятиуглеродные, четырехуглеродные — в семиуглеродные, а
потом обратно... В общем, получилась настоящая чертовщина. Труднее всего было
составить из всего этого запутанный донельзя цикл (Они обожают циклы), кото-
рый на одном из этапов потреблял бы углекислоту, а на другом, в числе проче-
го , выделял бы сахар.
Успех был блестящий. Полгода спустя Они уверовали, что познали углеродный
обмен во всех деталях. Они похлопывали друг друга по спине и раздавали Нобе-
левские премии. И с тех пор нас уже больше не беспокоят. Они думают, что рас-
крыли тайну клетки, и очень этим довольны. Мы же вернулись к доброму старому
способу фиксации углерода, и, поверьте, довольны не меньше.
НОВЫЕ СТРАНИЦЫ
ЗВЕЗДНЫХ ДНЕВНИКОВ
ИЙОНА ТИХОГО
Станислав Лем
Путешествие
восьмое14
Итак, это свершилось. Я был делегатом Земли в Организации Объединенных Пла-
нет или, точнее, — кандидатом, хотя даже и не так: ведь не мою кандидатуру, а
кандидатуру всего человечества должно было рассмотреть Пленарное заседание.
В жизни я так ужасно не волновался. Следовало готовиться к выступлению, а я
и слова не выдавил бы сквозь ссохшееся от переживаний горло; поэтому, увидав
большой блестящий автомат с хромированной полочкой и маленькими щелями для
монет, я поскорей сунул туда монетку, предусмотрительно подставив крышку тер-
моса под кран.
Это был первый дипломатический инцидент в истории человечества, разыграв-
шийся на галактической арене, поскольку мнимый автомат с газированной водой
оказался заместителем председателя тарраканской делегации в полной парадной
форме. К величайшему счастью, именно Тарракания решила рекомендовать нашу
кандидатуру. Я, однако же, не сразу об этом узнал: я понял все, проглотив ин-
формационно -толмаческую таблетку, которую подал мне некий благосклонный чи-
новник ООП; бренчащие звуки, окружавшие меня, немедленно превратились в пре-
восходно понятную речь, каре из алюминиевых кеглей в конце плюшевой дорожки
оказалось почетным караулом, а приветствующий меня тарраканин показался мне
давно знакомой личностью, совершенно обычной по внешности. Только волнения я
не мог побороть.
Подъехала маленькая повозка, специально переоборудованная для таких двуно-
гих существ, как я; сопровождающий меня тарраканин не без усилий втиснулся
туда вслед за мной и, усевшись одновременно и справа и слева от меня, сказал:
- Уважаемый землянин, я должен вам объяснить, что произошло маленькое про-
цедурное осложнение в связи с тем, что председатель нашей делегации, наиболее
подготовленный для защиты вашей кандидатуры как землист по специальности, к
сожалению, вчера вечером был отозван в столицу, и мне придется его заменять.
Вы ознакомились с протоколом?
- Нет... не довелось, — пробормотал я, пытаясь как-нибудь понадежней устро-
иться на сиденье повозки, которая была не слишком-то хорошо приспособлена для
человеческого тела: сиденье походило на яму с полметра глубиной, так что на
выбоинах я стукался лбом о колени.
- Ну, ничего, мы с этим справимся, — сказал тарраканин. Его складчатое
одеяние, заглаженное острыми прямыми гранями с металлическим отблеском (что и
заставило меня вначале принять его за автомат с газированной водой; сам же он
скорее напоминал большой слоеный пирог), издало легкий звон, он же, откашляв-
шись , продолжал:
- Историю вашу я знаю; до чего же это великолепно — человечество! Разумеет-
ся, все знать — это входит в мои обязанности. Делегация наша выступит по
пункту восемьдесят третьему повестки дня с предложением принять вас в ряды
Объединения как членов полноправных, всецелых и всесторонних... А верительные
грамоты вы случайно не потеряли?! — вставил он так внезапно, что я вздрогнул
и рьяно опроверг это предположение. Пергаментный сей рулон, слегка размякший
от пота, я стискивал в правой руке.
- Хорошо, — продолжал тарраканин, — значит, я произнесу речь — не так ли? —
в сокращенном виде
обрисовывающую ваши великие достижения, которые дают вам право занять место в
Астральной Федерации... Это, понимаете ли, в известном смысле устаревшая фор-
мальность ; ведь вы же не ожидаете каких-либо оппозиционных выступлений... а?
- Н-нет... не думаю... — буркнул я.
- Конечно! Да и с какой бы стати! Значит, формальность, не так ли, однако
же мне нужны точные данные. Факты, подробности, понимаете? Атомной энергией
вы, разумеется, располагаете?
- О да! Да! — поспешно заверил я.
- Отлично. А, в самом деле, это у меня есть, председатель оставил мне свои
заметки, но его почерк... гм... Итак, давно ли вы располагаете этой энергией?
- С шестого августа 1945 года!
- Превосходно. Что это было? Первая энергетическая станция?
- Нет,— ответил я, чувствуя, что краснею. — Бомба. Она уничтожила Хиросиму.
- Хиросиму? Это что, метеор?
- Не метеор... город.
- Город?... — произнес он с некоторым беспокойством. — Значит, как бы это
сказать... — Он некоторое время раздумывал. — Лучше ничего не говорить, —
вдруг решил он. — Ну, ладно, но какие-то основания для похвал мне необходимы.
Подбросьте что-нибудь такое, только поскорей, мы уже скоро прибудем на место.
- Э.. . э. . . космические полеты... — начал я.
- Само собой понятно, иначе вас здесь не было бы, — пояснил он, как мне по-
казалось , чуточку бесцеремонно. — На что вы расходуете основную часть народ-
ного дохода? Ну, припомните же! Какие-нибудь громадные строительные предпри-
ятия, архитектура в космическом масштабе, гравитационно-солнечные фонтаны, а?
— быстро подсказывал он мне.
- А, строим . . . мы строим, — с трудом выговорил я. — Народный доход не
очень-то велик, много поглощают вооружения...
- Вооружения чего? Континентов? Против землетрясений?
- Нет... войска, армия...
- Это что? Хобби?
- Не хобби... внутренние конфликты...— бормотал я.
- Это же никакая не рекомендация! — сказал он с явным неодобрением. — Ведь
не прилетели же вы сюда прямо из пещер! Ученые ваши давно должны были подсчи-
тать, что всепланетное сотрудничество как-никак выгодней, чем драки за добычу
и гегемонию!
- Подсчитали, подсчитали, но есть причины... исторического характера, знае-
те ли. . .
- Оставим это! — сказал он.— Ведь я же здесь не защищать вас должен, как
обвиняемых, а рекомендовать, выдвигать, указывать на ваши заслуги и доброде-
тели. Понимаете?
- Понимаю...
Язык мой одеревенел, будто его кто заморозил, воротничок фрачной сорочки
жал, манишка размякла от пота, который с меня ручьями лился; я зацепился ве-
рительными грамотами за ордена и надорвал наружный лист.
Тарраканин, такой нетерпеливый, с его барски-пренебрежительным и в то же
время слегка отсутствующим видом, заговорил с неожиданным спокойствием и мяг-
костью (ловкий дипломат!):
- Я, пожалуй, буду говорить о вашей культуре. О ее выдающихся достижениях.
Есть у вас культура? — бросил он внезапно.
- Есть! Великолепная! — заверил я.
- Это хорошо. Искусство?
- О да! Музыка, поэзия, архитектура...
- Значит, все же есть архитектура! — воскликнул он. — Превосходно. Надо за-
писать . Взрывчатые вещества?
- То есть, как это взрывчатые?
- Ну, взрывы, творческие, и для регулировки климата, передвижения континен-
тов , рек... это у вас имеется?
- Пока только бомбы... — сказал я и уже шепотом добавил. — Но они очень
разные, - напалмовые, фосфорные, даже с ядовитыми газами...
- Это не то, — сухо ответил он. — Будем держаться в сфере духа. Во что вы
верите?
Этот тарраканин, которому предстояло нас рекомендовать, вовсе не был, как я
уже понял, специалистом по земным делам, и при мысли о том, что от выступле-
ния такого невежественного существа зависит, быть нам или не быть в объедине-
нии всей Галактики, у меня, по правде говоря, дыхание сперло. «Что за невезе-
нье, — думал я, — надо же было, чтобы отозвали именно того, настоящего зем-
листа !»
- Верим во всеобщее братство, в превосходство мира и содружества над вой-
ной, считаем, что человек должен быть мерой всех вещей...
Он положил тяжелый присосок на мое колено.
- Почему же человек? — сказал он. — Впрочем, не будем об этом. Но ваш пере-
чень негативен: не надо войны, не надо ненависти, — туманности ради, вы разве
не имеете ни каких положительных идеалов?
Мне было невыносимо душно.
- Мы верим в прогресс, в лучшее будущее, в силу науки...
- Наконец хоть что-нибудь! — воскликнул он. — Да, наука... это хорошо, это
мне пригодится. Какие науки вы больше всего развиваете?
- Физику... Исследования в области атомной энергии.
- Это я уже слыхал. Знаете что? Вы, главное, молчите. Я уж сам этим зай-
мусь . Говорить буду я. Положитесь во всем на меня. Не падайте духом! — эти
слова он произнес, когда повозка остановилась.
Голова у меня кружилась, и все перед глазами вращалось: меня вели хрусталь-
ными коридорами, какие-то незримые засовы раздвигались с мелодичным вздохом,
потом я помчался вниз, вверх, опять вниз, тарраканин стоял рядом со мной,
громадный, молчаливый, покрытый складчатым металлом, и вдруг все вокруг за-
стыло, стекловидный шар вздулся передо мной и лопнул. Я стоял на дне зала Ге-
неральной Ассамблеи. Безупречной серебряной белизны амфитеатр, воронкообразно
расширяясь, уходил вверх спиралями скамей; уменьшенные расстоянием силуэты
делегатов расцвечивали изумрудом, золотом, пурпуром белизну спиральных яру-
сов, бередя глаз мириадами таинственных сверканий. Я не сразу научился отли-
чать глаза от орденов, тела делегатов от их искусственных продолжений — видел
только, что двигаются они оживленно, придвигают к себе побелоснежным пюпитрам
кипы документов и какие-то черно-блестящие, будто антрацитовые, пластинки; а
напротив меня, на расстоянии полусотни шагов, окруженный с флангов стенами
электронных машин, за рощицей микрофонов покоился на возвышении председатель-
ствующий .
В воздухе носились обрывки разговоров на тысячах языков, звездные жители
говорили в диапазоне от глубочайших басов до тонов высоких, как птичий щебет.
Чувствуя, что пол проваливается подо мной, я одернул фрак. Раздался протяжный
нескончаемый звук — это председательствующий пустил в ход машину, которая
ударила молотком по пластинке из чистого золота, и металлические вибрации
ввинтились мне в уши. Тарраканин, возвышаясь надо мной, указал, куда надо са-
диться, и голос председательствующего поплыл из невидимых мегафонов. Я же,
перед тем, как сесть у прямоугольной таблички с названием родной планеты, об-
вел взглядом круги скамей. Я силился сыскать хоть одну родственную душу, хоть
одно человекообразное существо, но — тщетно. Огромные клубни, окрашенные в
теплые тона; слоистое желе, вроде бы красносмородинное; мясистые выросты,
опирающиеся на пюпитры; лица, по цвету схожие с хорошо заправленным паштетом,
либо светленькие, как рисовые запеканки; плавники, присоски, щупальца, в ко-
торых находилась судьба планет дальних и ближних, двигались передо мной, буд-
то в замедленной съемке; не было в них ничего уродливого, вопреки всем нашим
земным предположениям: будто я имел дело не со звездными чудищами, а с суще-
ствами, вышедшими из-под резца скульпторов-абстракционистов либо каких-то
виртуозов от гастрономии...
...Чувствовал я себя прескверно. Зачем я послушался профессора Тарантоги!
На что мне понадобилась эта проклятая почетная миссия?..
...Незримый ток пронизал меня, на громадной таблице вспыхнула цифра 83, и я
почувствовал энергичный толчок. Это мой тарраканин, выпрямившись на своих
присосках — или щупальцах,— потащил меня за собой. Юпитеры, плавающие под
сводом зала, направили на нас ливень голубого света. Обливаемый со всех сто-
рон водопадами сияния, которое словно насквозь меня просвечивало, машинально
сжимая порядком размякший рулон верительных грамот, слушал я мощный бас тар-
раканина, который гремел рядом со мной, красноречиво и непринужденно, на весь
амфитеатр, но содержание его речи доходило до меня лишь обрывками: как мор-
ская пена обрызгивает смельчака, во время шторма перевесившегося через волно-
рез .
...Замечательная Земийя (он не смог даже правильно выговорить название моей
родины!) ... великолепное человечество. . . присутствующий здесь его выдающийся
представитель... симпатичные млекопитающие... ядерная энергия, освобожденная
с уменьем и сноровкой в их верхних отростках... молодая, динамичная культура,
полная одухотворенности... глубинная вера в плентимолию, хотя и не лишенная
амфибрунтов (он явно путал нас с кем-то другим) . . . преданные делу единства
звездожителей... в надежде, что принятие их в ряды... замыкая период расти-
тельного общественного бытия... хоть они и одиноки, на своей галактической
периферии... выросли смело и самостоятельно, и они достойны...
Пока что, как-никак, хорошо,— мелькнуло у меня в голове.— Хвалит он нас
будто бы удачно... а это что же?
— Конечно, парные! Их жесткие опоры. .. следует, однако же, понять.. . на
этом Высоком Собрании имеют право представительства также исключения из норм
и правил... никакое отклонение не позорит... трудные условия, в которых они
сформировались... водянистость, даже соленая, не может быть, не должна стать
препятствием... с нашей помощью они в будущем избавятся от своего ужасн... от
своего теперешнего облика, о котором Высокое Собрание, со свойственным ему
великодушием, говорить не будет... поэтому от имени тарраканской делегации и
Союза Звезд Бетельгейзе настоящим я вношу предложение о принятии населения
планеты Зимай и в ряды ООП, а тем самым о предоставлении присутствующему
здесь благородному землянину полномочий делегата, аккредитованного при ООП. Я
закончил.
Раздался мощный шум, прерываемый загадочными посвистываниями: аплодисментов
ввиду отсутствия рук не было, да и не могло быть; шум и говор сразу стихли
при звуке гонга, и послышался голос председательствующего:
— Желает ли какая-либо из высоких делегаций высказаться по вопросу о приеме
Человечества с планеты Земейи?
Сияющий тарраканин, по-видимому, чрезвычайно довольный собой, потащил меня
на скамейку. Я уселся, невнятно бормоча слова благодарности, и тут два свет-
ло-зеленых лучика одновременно стрельнули с различных сторон амфитеатра.
— Предоставляю слово делегату Тубана! — сказал председатель.
Что-то встало. Я услыхал далекий пронзительный голос — будто разрезали лис-
товое железо, — но вскоре я перестал обращать внимание на его тембр.
— Высокий Совет! — говорил представитель Тубана. — Услыхали мы тут, из уст
полпитора Воретекса, теплую рекомендацию племени с дальней планеты, еще неиз-
вестного присутствующим. Хотелось бы мне выразить сожаление, что неожиданное
отсутствие сульпитора Экстревора на сегодняшнем заседании лишило нас возмож-
ности детально ознакомиться с историей, природой и обычаями этого племени,
принятия которого в ООП так жаждет Тарракания. Не будучи специалистом в об-
ласти космической тератологии, хотел бы я, однако, в меру своих скромных сил,
дополнить то, что мы имели удовольствие услышать. Прежде всего — в общем-то
вскользь, попутно отмечу, что родная планета Человечества именуется не Зе-
мийя, Зимайя или Земейя, как — не по незнанию, разумеется, а я глубоко убеж-
ден, лишь в ораторском запале и порыве, — говорил блистательный тарраканин.
Конечно, это несущественная подробность. Однако же и термин «человечество»,
которым он пользовался, взят из языка племени Земли — так звучит настоящее
имя этой отдаленной провинциальной планеты, — наша же наука определяет землян
несколько иначе. Осмелюсь, в надежде, что не утомлю этим Высокое Собрание,
зачитать полное наименование и классификацию вида, вопрос о членстве которого
мы рассматриваем, причем воспользуюсь безукоризненным трудом специалистов, а
именно «Галактической тератологией» Граммплюсса и Гзеемса.
Раскрыв перед собой на пюпитре огромную книгу в месте, обозначенном заклад-
кой , представитель Тубана начал читать:
— Согласно с принятой систематикой, по являющиеся в нашей галактике ано-
мальные формы следует относить к типу Aberrantia (искаженцы), который делится
на подтипы Debilitales (недоумки), а также Antisapientinales (противоразумщи-
ки) . Последних мы разделяем на тупоголовцев и безобразников. Некоторые из
безобразников создают собственные псевдокультуры; сюда относятся такие виды
как Idiotus erectus Gzeemsi — «идиот прямоходящий» или «подонковец строевой
Гзеемса», который именует себя Genius pulcherrimus mundanus (прекраснейший
гений мира), или же как тот своеобразный, с совершенно лысым телом экземпляр,
замеченный Граммплюссом в самом темном закоулке нашей Галактики, —
Monstroteratum furiosum — «одержимей, монстроподобный», который называет себя
Home sapiens.
В зале поднялся шум. Председательствующий включил машину с молотком.
— Держитесь! — прошипел мне тарраканин.
Я его не видел из-за сияния юпитеров, а может, из-за пота, который заливал
мне глаза. Слабая надежда возникла у меня, когда кто-то попросил слова по
формальному вопросу. Представившись собранию в качестве члена делегации Водо-
лея, вместе с тем астрозоолога, он начал пререкаться с тубанцем, к сожалению,
лишь на той почве, что, будучи сторонником школы профессора Хагранапса, счи-
тал представленную классификацию неточной. Вслед за своим учителем он счел
ошибочным определение Monstroteralus в применении к человеку, ибо следовало
воспользоваться номенклатурой водолейской школы, где последовательно применя-
ется термин Artefactum abhorrens (искусственник уродиковый).
После краткого обмена мнениями тубанец продолжал свою речь:
— Достойный представитель Тарраканин, рекомендуя кандидатуру так называемо-
го Человека разумного, или, чтобы быть более точным, — типичного представите-
ля плотоядных! — одержимца, не упомянул в рекомендации слово «белок», считая
его неприличным. Бесспорно, оно вызывает ассоциации, о которых приличия не
позволяют мне распространяться. Правда, наличие даже такого строительного ма-
териала не позорит (возгласы: «Слушайте! Слушайте!»). Не в белке дело, Высо-
кий Совет!
Я был словно в полуобморочном состоянии — до меня доходили лишь обрывки ре-
чей.
— Даже плотоядность не может никому вменяться в вину, поскольку она возник-
ла в ходе естественной эволюции. Однако же различия, отделяющие человека от
животных — его сородичей, почти не существуют! Подобно тому, как высокий ин-
дивидуум не может считать, что рост дает право ему пожирать тех, кто ниже
ростом, так и наделенный несколько более высоким разумом не может ни убивать,
ни пожирать тех, кто ниже по умственному уровню, а если уж он должен это де-
лать (выкрики: «Не должен! Пускай шпинат ест!»), если, говорю, должен вслед-
ствие трагического наследственного отягощения, то он обязан поглощать свою
окровавленную жертву в тревоге, тайком, в норах своих и в самых темных зако-
улках пещер, терзаемый угрызениями совести, отчаянием и надеждой, что когда-
нибудь удастся ему освободиться от бремени этих непрерывных убийств. К сожа-
лению, не так поступает искусственник! Он подло бесчестит останки, колошматит
и шпигует, душит и тушит их, забавляясь тем, и лишь потом поглощает их на
публичной кормежке, среди прыжков обнаженных самок своего вида, потому что
это разжигает его вкус к мертвечине... Он напридумывал себе высшие оправда-
ния, которые, разместившись между его желудком, этим могильным склепом бес-
численных жертв, и бесконечностью, дают ему право убивать с гордо поднятой
головой. Чтобы не отнимать время у Высокого Собрания, больше не буду говорить
о занятиях и нравах так называемого Человека разумного. Среди его предков
один как будто подавал некоторые надежды. Был это вид Homo neanderthalensis
(Человек неандертальский). Им стоит заинтересоваться. Походя на современного
человека, он имел больший объем черепа, а значит, и большой мозг, или же ра-
зум. Собиратель грибов, склонный к раздумьям, страстно любящий искусство,
кроткий, флегматичный, он, несомненно, заслуживал бы того, чтобы вопрос о его
членстве сегодня рассматривался на этом Высоком Собрании. К сожалению, его
нет средь живых. Не может ли нам сообщить делегат Земли, которого мы имеем
честь принимать здесь, что случилось с таким культурным, таким симпатичным
неандертальцем? Землянин молчит, так я скажу за него: неандерталец истреблен
целиком, стерт с лица Земли так называемым Homo sapiens. Мало ему, однако же,
было мерзости братоубийства, принялись вдобавок земные ученые чернить не-
счастную жертву, себе, а не ей, большемозгой, приписывать высший разум! Итак,
Высокий Совет...
Из этой двухчасовой речи до меня доходили по сути лишь отрывки, но и этого
вполне хватало. Тубанец создавал образ чудовищ, купающихся в крови, и делал
это не спеша, систематически, открывая все новые, заранее заготовленные уче-
ные книги, анналы, хроники, а уже использованные швырял об пол, словно охва-
ченный внезапным отвращением к ниц, будто те страницы, где говорилось о нас,
слиплись от крови жертв. Постепенно дошел он до истории нашей цивилизации;
рассказывал об избиениях и резне, о войнах и крестовых походах, о массовых
убийствах, показывал эстампы, демонстрировал на эпидиаскопе технологию пре-
ступления и пытки, древние и средневековые; когда же он обратился к современ-
ности, шестнадцать служителей подкатили к нему на прогибающихся от тяжести
тележках кипы нового фактографического материала; другие же служители, или
вернее санитары ООП, передвигаясь на маленьких геликоптерах, оказывали тем
временем первую помощь массам сомлевших слушателей этого реферата, обходя
лишь меня одного, в простодушной уверенности, что поток кровавой информации о
земной культуре мне не повредит. А я где-то в середине этой речи начал, как
на грани безумия, пугаться самого себя, будто бы средь этих причудливых,
странных созданий я один был чудовищем. Я уж думал, что эта страшная обвини-
тельная речь никогда не кончится, но тут прозвучали слова:
— А теперь прошу Высокое Собрание поставить на голосование предложение тар-
раканской делегации!
Зал застыл в гробовой тишине. Что-то шевельнулось рядом со мной. Это мой
тарраканин встал, чтобы попытаться опровергнуть хоть некоторые упреки... Бед-
няга! Он засыпал меня окончательно, стараясь убедить собрание, что человече-
ство уважает неандертальцев как достойных своих предков, которые погибли аб-
солютно сами по себе. Тубанец сразу припечатал моего защитника одним метким,
напрямик заданным мне вопросом: если назовут кого-нибудь неандертальцем, то
как это воспринимается на Земле — как похвала или как оскорбительный эпитет?
Я думал, что все уже кончено, проиграно навсегда, что теперь я поплетусь
обратно на Землю, как пес, у которого вырвали из пасти загрызенную им птицу;
но среди тихого ропота в зале председательствующий, склонившись к микрофону,
сказал:
- Предоставляю слово члену эриданской делегации.
Эриданин был маленький, серебристо-сизый и округлый, словно клубящийся ту-
ман, озаренный косыми лучами зимнего солнца.
- Я хотел бы выяснить, — сказал он, — кто будет платить вступительные взно-
сы землян? Неужели они сами? Ведь взносы-то не малые: биллион тонн платины —
это нагрузка, с которой не всякий плательщик справится!
Амфитеатр наполнился гневным говором.
- Вопрос этот будет к месту лишь в том случае, если предложение тарракан-
ской делегации будет принято, — после некоторого колебания заметил председа-
тельствующий .
- С разрешения Вашего Галактичества! — возразил эриданин. Я осмеливаюсь
придерживаться иного мнения, и поэтому заданный мною вопрос подкрепляю рядом
замечаний, на мой взгляд, весьма существенных. Во-первых, вот передо мной
труд знаменитого дорадского планетографа, гипердоктора Враграса, и я цитирую
из него: «... Планеты, на которых жизнь спонтанно зародиться не может, отлича-
ются следующими свойствами: а) катастрофическими изменениями климата в быст-
ром переменном темпе (т. н. цикл «зима — весна — лето — осень»), а также еще
более губительными, на большие отрезки времени (ледниковые периоды); б) нали-
чием больших собственных спутников; их приливные влияния также имеют смерто-
носный характер; в) часто появляющейся пятнистостью центральной или же роди-
мой звезды, ибо пятна являются источником губительного для жизни излучения;
г) преобладанием площади вод над площадью континентов; д) постоянством полюс-
ного обледенения; е) наличием осадков в виде жидкой либо затвердевшей...» Как
видно из этого...
- Прошу слова по формальному поводу! — Тарраканин, словно оживленный новой
надеждой, вскочил. — Спрашиваю: делегация Эридана будет голосовать за наше
предложение или же против него?
- Мы будем голосовать за ваше предложение, но с поправкой, которую я и
представлю Высокому Собранию, — ответил эриданин, после чего продолжал. —
Уважаемый Совет! На девятьсот восемнадцатой сессии Всеобщего Собрания мы об-
суждали кандидатуру расы распутняков задоголовых, которые представлялись нам
как Вечные Совершенцы, однако же, были до такой степени телесно неустойчивы,
что за время упомянутой сессии состав распутнякской делегации сменялся пятна-
дцать раз, хотя сессия продолжалась не более восьмисот лет. Эти бедняги, ко-
гда пришлось им представить жизнеописание своей расы, путались в противоречи-
ях, заверяя Высокое Собрание столь же голословно, сколь и торжественно, что
создал их некий Совершенный Творец по собственному великолепному подобию,
благодаря чему они, между прочим, бессмертны духом. Поскольку из других ис-
точников выяснилось, что исследуемая противоразумная раса возникла не вслед-
ствие игры природы, но в результате достойного сожаления инцидента, вызванно-
го посторонними лицами...
В зале все громче кричали: «Что он говорит?!», «Молчите!», «Неправда!»,
«Убери свой присосок, ты, распутняк!».
- Результаты работы Следственной Подкомиссии, — продолжал эриданин, — при-
вели к тому, что на очередной сессии ООП была утверждена поправка к пункту
второму Хартии Объединенных Планет, каковая поправка гласит следующее, — тут
он развернул пергамент длиною в сажень и начал читать: «Настоящим утверждает-
ся категорический запрет предпринимать жизнетворные действия на всех планетах
типа А, Б, В, Г, Д, а также Е по Враграсу, и одновременно на руководителей
экспедиций и командиров кораблей, совершающих исследования на таких планетах,
налагается обязанность строго соблюдать вышеупомянутый запрет. Касается он не
только умышленных жизнетворных действий, как то: рассеивание водорослей, бак-
терий и тому подобное, но также неумышленного зачинания биоэволюции, по не-
брежности или рассеянности. Эти предупредительные меры продиктованы наи-
лучшими намерениями ООП, отдающей себе отчет в следующем. Во-первых, неблаго-
приятная по природе среда, в которую попадают принесенные извне первоэлементы
жизни, приводит, в ходе дальнейшего их развития, к возникновению таких извра-
щений и уродств, которые никогда не встречаются в сфере естественного биоге-
неза. Во-вторых, в указанных обстоятельствах появляются виды не только физи-
чески ущербные, но и обремененные тягчайшими формами духовного вырождения;
если же в подобных условиях вылупятся существа хоть отчасти разумные, — а это
иногда случается,— то судьба их полна духовных терзаний. Ибо, достигнув опре-
деленного уровня сознания, начинают они искать в окружающей среде причину
собственного возникновения и, не будучи в состоянии там ее найти, заходят на
ложные пути верований, создающихся от растерянности и отчаяния. А посему, в
искренней заботе о благе и о достоинстве жизни вообще, разумных же существ в
особенности, Всеобщее Собрание ООП постановляет, что тот, кто нарушит ныне
установленную правомочную противозачаточную статью Хартии ОП, будет подлежать
санкциям и наказаниям, согласно духу соответствующих параграфов Межпланетного
Юридического Кодекса».
Эриданин, отложив Хартию ОП, взял растрепанный том Кодекса, который вложили
ему в щупальцы проворные помощники, и, открыв огромную эту книгу в соответст-
вующем месте, начал читать звучным голосом:
— Том второй Межпланетного Уголовного Кодекса, статья восьмидесятая, под
названием «О распутстве планетарном».
Параграф 212: Кто оплодотворяет планету, от природы бесплодную, подлежит
наказанию от ста до тысячи пятисот лет зазвездения, помимо гражданской ответ-
ственности за моральный и материальный ущерб, причиненный потерпевшим.
Параграф 213: Кто действует согласно параграфу 212, проявляя значительное
напряжение злой воли, а именно предпринимая действия означенного характера с
заранее обдуманным намерением, результатом каковых должна явиться эволюция
видов жизни, крайне деформированных, возбуждающих всеобщее отвращение или
всеобщий ужас, подлежит зазвездению до тысячи пятисот лет...
— ...Подчеркну, — добавил эриданин, — что Кодекс предусматривает материаль-
ную ответственность виновных, но соответствующих параграфов Гражданского Ко-
декса зачитывать не буду, чтобы не утомить присутствующих. Добавлю лишь, что
в каталоге тел, признанных решительно бесплодными в понимании как гипердокто-
ра Враграса, так и Хартии Объединенных Планет совокупно с Межпланетным Уго-
ловным Кодексом, на странице 2618, строка восьмая снизу фигурируют следующие
небесные тела: Зезмайя, Зембелия, Земля и Зызма...
Челюсть у меня отвисла, верительные грамоты выпали из рук, в глазах потем-
нело. «Внимание! — кричали в зале. — Слушайте! Кого он обвиняет?! Долой! Да
здравствует!». — Высокий Совет! — загремел представитель Эридана, бахая об
пол томами Межпланетного Кодекса (по-видимому, это был излюбленный прием ора-
торов ООП) . — Надо вновь и вновь говорить об этих позорных деяниях нарушите-
лей Хартии Объединенных Планет! Надо снова и снова клеймить безответственные
элементы, которые зачинают жизнь в условиях, того недостойных! Ибо вот явля-
ются к нам существа, которые не понимают ни омерзительности собственного су-
ществования, ни также его причин! Вот стучатся они в достопочтенные двери
этого уважаемого Собрания, и что же мы можем тут ответить всем этим противо-
разумщикам, безобразникам и тупоголовцам, когда они заламывают свои ложноруч-
ки и шатаются на своих ложноножках, узнав, что относятся к псевдотипу «искус-
ственник» и что Совершенным Творцом их был какой-то матрос, который вылил на
скалы мертвой планеты забродившие помои из ракетного ведра и для забавы при-
дал этим жалким первоэлементам жизни такие свойства, которые впоследствии
сделают их посмешищем всей Галактики! И как потом защищаются эти несчастные,
если какой-нибудь Катон попрекнет их этими позорными левовращающими белками!!
Зал бушевал, машина непрерывно и тщательно бухала молотком, вокруг кричали:
«Позор! Долой! Засанкционировать! О ком идет речь? Смотрите, землянин уже
растворяется, монстроподобный весь течет!». Действительно, я обливался готом.
Эриданин, перекрывая своим мощным голосом общий шум, кричал:
— Я задам теперь несколько заключительных вопросов достопочтенной тарракан-
ской делегации! Разве не правда, что в свое время совершил посадку на мертвой
тогда планете Земля ваш корабль, у которого вследствие аварии холодильников
испортилась часть припасов? Разве не правда, что на корабле этом находились
два пустотника, впоследствии вычеркнутые из всех реестров за их бесстыдные
махинации, и что эти подлецы, эти млечные лодыри назывались Банн и Пугг? Раз-
ве не правда, что Банн и Пугг решили спьяну не удовлетвориться обычным за-
грязнением беззащитной пустынной планеты, ибо захотелось им организовать на
ней, преступным и наказуемым образом, биологическую эволюцию, какой свет до-
селе не видывал?.. Разве не правда, что эти мерзавцы, лишенные нравственных
тормозов и всяких понятий о приличиях, вылили на скалы мертвой Земли шесть
бочек прогоркшего желатинного клея и два бидона подпорченной альбуминовой
пасты, что подбавили в эту смесь забродившей рибозы, пентозы и левулозы и,
словно мало еще им было пакостей, облили все это тремя большими ведрами за-
гнивших аминокислот, а получившуюся бурду размешивали лопаткой для угля, ис-
кривленной влево, и кочергой, загнутой в ту же сторону, вследствие чего белки
будущих земных существ стали ЛЕВОвращающими? Разве, наконец, не правда, что
Пугг, страдавший в то время жестоким насморком, смеялся, что вдохнул «распро-
клятый дух» в несчастную эволюционную закваску? Разве не правда, что это ле-
вовращение перешло впоследствии в тела земных организмов и осталось в них по-
ныне, от чего страдают теперь безвинные представители расы «искусственник
уродиковый», которые наименовали себя Homo sapiens единственно из невежест-
венной наивности? А поэтому разве не правда, что тарракане должны не только
уплатить за землян вступительный взнос в размере биллиона тонн драгоценного
металла, но обязаны также выплачивать несчастным жертвам, кои появились на
свет, КОСМИЧЕСКИЕ АЛИМЕНТЫ?!
После этих слов эриданина в амфитеатре начало твориться нечто невообрази-
мое. Я съежился, потому что в воздухе летали во все стороны папки с докумен-
тами, тома Межпланетного Юридического Кодекса и даже вещественные доказатель-
ства в виде основательно заржавевших ведер, бочек и кочережек, которые не-
весть откуда взялись; возможно, что смекалистые эридане, имея зуб против Тар-
ракании, с незапамятных времен занимались археологическими изысканиями на
Земле и собирали доказательства их вины, старательно громоздя их на палубах
Летающих Тарелок. Однако же трудно было мне обдумывать эти вопросы, ибо все
кругом сотрясалось, всюду мельтешили щупальцы и присоски, мой тарраканин,
ужасно взволнованный, сорвавшись с места, орал что-то, но его слова тонули в
общем шуме.
Тут кто-то больно дернул меня за волосы, я даже застонал; это тарракапин,
силясь показать, что я был удачно выполнен через посредство земной эволюции и
что меня никак нельзя считать таким-сяким существом, кое-как склеенным из
гнилых отбросов, неустанно лупил меня по голове своим громадным тяжелым при-
соском. .. я же, чувствуя, что расстаюсь с жизнью, дергался все слабей, зады-
хался, брыкнул еще раза два в агонии и... упал на подушку.
Я сейчас же вскочил, еще не совсем придя в себя; я сидел на постели, ощупы-
вая шею, голову, грудь и убеждаясь таким образом, что все пережитое мной —
лишь кошмарный сон. Я вздохнул с облегчением; однако вскоре начали мучить ме-
ня некоторые сомнения. Я сказал себе: «Страшен сон, да милостив бог», но это
не помогло. В конце концов, чтобы развеять черные мысли, я поехал к тетке на
Луну. Однако же трудно мне эту восьмиминутную поездку на планетобусе, который
останавливается у моего дома, назвать восьмым звездным путешествием, уж ско-
рее заслуживает этого наименования путешествие, проделанное во сне, во время
которого я так настрадался за человечество.
Разное
БИОСЕНСОРЫ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
Мокрова Д.
Методология биоаналитической химии, как, впрочем, и других есте-
ственных наук, развивается в направлении миниатюризации и сверх-
миниатюризации устройств. А недавние достижения в области нано-
технологий и исследования чувствительных полимеров смогли пред-
ложить абсолютно новые инструменты для биоанализа. Эта статья
познакомит вас с методиками разработки наносенсоров для медицины
и биологии, а также расскажет о проблемах, с которыми сталкива-
ются ученые в процессе их синтеза.
ЧАСТЬ 1.
ВВОДНАЯ
Аналитическая химия — наука о методах определения химического состава веще-
ства и его структуры. Разработка новых, более чувствительных и точных методов
анализа, конструирование новых приборов, а также совершенствование уже суще-
ствующих методов, их автоматизация и компьютеризация — всё это задачи совре-
менной аналитической химии. Одним из наиболее востребованных и быстро разви-
вающихся ее разделов считается биоанализ. Именно он занимается разработкой
технологий, связанных с анализом биомедицинских объектов: определением кон-
центраций анализируемых веществ в образцах (ионов, метаболитов, биомолекул) и
описанием свойств изучаемых тканей. С биоанализом тесно связаны токсикология,
медицинская диагностика, фармакология и многие другие науки. Сложность иссле-
дуемых в биоаналитической химии объектов вынуждает использовать практически
весь спектр современных химических, физико-химических, физических, а также
биологических методов анализа.
Развитие современных методов биоаналитической химии направлено в сторону
миниатюризации и сверхминиатюризации устройств для биоанализа, и это стано-
вится возможным благодаря нанотехнологиям и получению чувствительных полиме-
ров . Но прежде чем описывать новые разработки, сделаем небольшой экскурс в
историю и специфику развития биоаналитических методов и систем.
Краткая история развития
биоаналитических методов
исследования
Корни биоаналитики уходят глубоко в прошлое. Еще в 50-е годы до н.э. Клео-
патра на своих рабах проверяла действие различных ядов (рис. 1). Таким обра-
зом, эти рабы, сами того не желая, стали одной из первых «биоаналитических
систем». Кстати, по одной из версий, именно так небезызвестная египетская ца-
рица выбрала подходящий яд для совершения самоубийства: быстрый и позволяющий
сохранить красоту даже после смерти.
Рис. 1. «Клеопатра испытывает яды на рабах», худ. Александр Кабанель.
Развитие же всех современных биоаналитических методов связано с молекуляр-
ным узнаванием — способностью молекул взаимодействовать друг с другом с высо-
кой специфичностью и большим показателем силы взаимодействия (аффинности).
Ярким примером молекулярного узнавания можно считать, например, ферментатив-
ное: во время транскрипции, где участвует РНК-полимераза, и во время трансля-
ции, где узнающими системами, наряду с мРНК, служат аминоацил-тРНК-синтетаза,
рибосома и прочие факторы. С молекулярным узнаванием связан и такой важный
прием в биоаналитической сфере, как молекулярное кодирование.
Теоретические основы процессов молекулярного узнавания описывает супрамоле-
кулярная химия, иначе — химия молекулярных ансамблей и межмолекулярных свя-
зей. Ее основателем является Жан-Мари Лен, в 1987 году совместно с Ч. Дж. Пе-
дерсеном и Д. Дж. Крамом получивший Нобелевскую премию по химии.
Дальнейшее развитие биоаналитических методов было связано с последователь-
ным продвижением от биосенсоров к биочипам и в конце концов — к нанобиосенсо-
рам. Итак, пойдем по порядку.
Биосенсоры — аналитические устройства, использующие биологические материалы
для «узнавания» определенных молекул и выдающие информацию об их присутствии
и количестве в виде электрического сигнала. Автором первого биосенсора и био-
сенсорной концепции в целом по праву считается американский профессор-
биохимик Леланд Кларк. В 1956 году Кларк опубликовал свою основополагающую
работу, посвященную аналитическому применению изобретенного им кислородного
электрода, который в дальнейшем получил название электрода Кларка. В 1962 го-
ду Кларк на выступлении в Нью-Йоркской академии наук озвучил идею совершенст-
вования уже существующих в то время электрохимических сенсоров посредством их
сопряжения с ферментами. Эту идею он подкрепил экспериментом с иммобилизован-
ной на электроде глюкозооксидазой.
Биочипы — размещенные на специальном носителе (платформе) биологические
макромолекулы (ДНК, белки), способные избирательно связывать вещества, содер-
жащиеся в анализируемом растворе. Чаще всего платформы изготавливают из стек-
ла или пластика, но иногда используют кремний. Основная доля (94%) производи-
мых в настоящее время биочипов приходится на матрицы, несущие молекулы ДНК, —
ДНК-чипы. Оставшиеся 6% составляют белковые чипы. Биочипы широко используются
в диагностике in vitro. Их действие основано на молекулярном распознавании
анализируемых молекул биополимерами, нанесенными на чип: на взаимодействии
рецепторов с лигандами (например, антител с антигенами) либо на гибридизации
комплементарных цепей ДНК. В частности, разработаны биочипы, распознающие ко-
роткие олигонуклеотидные последовательности и позволяющие регистрировать еди-
ничные мутации в генах. Высокие эффективность и специфичность таких микрочи-
пов обеспечиваются в том числе и размерными характеристиками олигонуклеотидов
(наномасштаб).
Наносенсоры — любые биологические, химические или другие сенсорные точки
для передачи информации о наночастицах на макроскопический уровень. Появлению
разработок в области бионаносенсорики мы обязаны квантовым точкам1 (КТ) . Ис-
пользование КТ в качестве зондов позволяет измерять параметры среды в локаль-
ных областях, размер которых сравним с размерами зонда.
Основными ограничениями в биологическом приложении наносенсоров стали ток-
сичность и гидрофобность квантовых точек. Но логично предположить, что избе-
жать связанных с этими моментами проблем можно, например, покрыв сенсоры ка-
ким-нибудь биосовместимым материалом, который одновременно будет решать про-
блему гидрофобности точек, иметь большое количество функциональных групп и
при этом сохранять столь важные для нас оптические свойства КТ. Таким универ-
сальным материалом являются разного рода полимеры.
Полимеры как
«орган чувств»
Последние два десятилетия ознаменовались значительными подвижками в синтезе
полимеров. Особенный подъем сейчас наблюдается в области чувствительных поли-
меров — мягких материалов, которые могут испытывать обратимые или необратимые
изменения физических свойств и/или химической структуры, реагируя на разного
рода внешние факторы или их комбинации: рН, температуру, ионную силу, излуче-
ние, механические вмешательства, электрические и магнитные поля, внешние до-
бавки (ионы, биоактивные молекулы и т.п.). Возможность легкого манипулирова-
ния растворимостью, гидродинамическим объемом, конфигурацией и устройством
цепи чувствительного полимера позволила разработать целые системы чувстви-
тельных полимеров с большим количеством новых функций. Таким образом, полиме-
ры играют очень важную роль в детектировании и зондировании. Тем не менее,
1 Квантовые точки - Домашняя лаборатория 2024-08
системы детектирования, основанные на таких полимерах, всё еще находятся на
этапе становления.
ЧАСТЬ 2.
ДИЗАЙН СИСТЕМ
ТИПА КТ/ПОЛИМЕР
Столь активные попытки внедрения КТ в полимерные микро- и наносферы связаны
как с возможностью легкого манипулирования строением и физическими свойствами
полимеров, так и с несколькими другими немаловажными факторами. Первый, уже
упомянутый, — это универсальность свойств полимеров: биосовместимость, обилие
свободных функциональных групп, сохранение оптических свойств КТ. Второй свя-
зан с широким спектром возможных применений такого рода систем в области био-
аналитики и фотоники.
Работа систем типа КТ/полимер может быть основана как на люминесцентных
свойствах КТ, так и на других фотофизических процессах, например, на FRET-
эффекте (фёрстеровском безызлучательном резонансном переносе энергии). В двух
словах суть этого эффекта состоит в том, что при сближении двух объектов (до-
нора и акцептора) и перекрытии спектра флуоресценции первого со спектром по-
глощения второго, энергия передается безызлучательно — и, если акцептор может
флуоресцировать, он засветится с удвоенной силой.
На данный момент разработано множество способов внедрения КТ внутрь поли-
мерных сфер. И хотя общепринятой методики всё еще не существует, количества
проведенных исследований достаточно для того, чтобы выделить основные направ-
ления в развитии дизайна биологических наносенсоров. Итак, сейчас почти все
методы можно условно разделить на три категории:
1. Синтез КТ непосредственно в присутствии полимеров. Особенность этого на-
правления заключается в том, что полимер выступает в роли стабилизатора
растущих нанокристаллов (НК) или, говоря иначе, обеспечивает ограничение
зоны роста кристаллов, тем самым контролируя их средние размеры и обеспе-
чивая малый разброс по ним. Но, к сожалению, большинство новых гибридов
зачастую очень тяжело или вовсе невозможно получить таким путем, а синтез
специализированных полимеров несколько опередил развитие синтеза КТ, в
свете чего удалось детально прописать методы работы лишь с весьма ограни-
ченным числом материалов. И хотя определенное количество новых КТ с уни-
кальными свойствами таким путем всё же было получено, сильно перспективным
такой метод назвать тяжело.
2. Прямая функционализация КТ макромолекулами (т.е. молекулами полимеров).
Здесь был достигнут достаточно серьезный прогресс, причем как в случае по-
крытия КТ заранее подготовленным полимером, так и в случае выращивания по-
лимера прямо на поверхности КТ. Проблемы этого направления в основном свя-
заны с тем, что мы всё еще очень плохо разбираемся в специфических момен-
тах электронных взаимодействий, происходящих на границе КТ—полимер.
3. Раздельный синтез КТ и полимеров с дальнейшим получением гибридов комбина-
циями разного рода стратегий молекулярной сборки. Именно это направление
получило наиболее широкое распространение, поскольку объединяет в себе ме-
тодологии двух предыдущих, отбирая наиболее удачные опыты, комбинируя их
для получения «максимального КПД». Чаще всего в таком подходе используют
методы эмульсионной и дисперсионной полимеризации, присоединения КТ к по-
лимерным микросферам с помощью полимеризуемых поверхностных лигандов, ме-
тоды физического улавливания квантовых точек полимерами (рис. 2) , иммоби-
лизации КТ за счет сил электростатического взаимодействия, внедрения нано-
частиц за счет последовательного разбухания/сжатия полимера и, конечно же,
методики послойной сборки.
Сфера из микрогеля
При рН от
3 до 10
сфера сжимается
Точки попадают
в ловушку
При рН>11 точки
высвобождаются
обратно в раствор
Рис. 2. рН-зависимый фазовый переход стимулочувствительнохю PNIPAM-
co-PVP-сополимера используют для внедрения/выпускания CdTe-
нанокристаллов в /из сфер гидрогеля. При рН=3 микрочастицы полимера
набухают, и КТ проникают внутрь полимерных сфер. По мере роста рН
сферы сжимаются, заключая таким образом КТ в ловушку. При рН>11 КТ
могут снова высвобождаться в раствор.
Особенно успешны подходы, основанные на разбухании полимера (рис. 3) и по-
строении слоистых структур (рис. 4). Первый позволил получать гибриды с рав-
номерным жестким распределением КТ по всему объему полимерных микросфер, что
решает сразу две насущные проблемы дизайна наносенсоров: выпадение токсичных
КТ из образцов и хаотичность интенсивности свечения каждого индивидуального
нанозонда. Второй подход позволил создавать гибриды с контролируемой толщиной
слоев и произвольной формой. Этот метод особенно примечателен тем, что зато-
чен под нанесение слоев не только на ровные подложки, но и на сильно волокни-
стые материалы, а также полимерные микро- и наносферы, то есть метод можно
использовать для производства совершенно разных гибридных наноструктур. Одна-
ко минусы есть абсолютно у всего: на изготовление каждого гибрида таким спо-
собом уходит слишком много времени. Именно поэтому послойная методика пока не
может перейти в разряд фабричных.
Немного обособленной ветвью развиваются исследования гидрофилизации КТ. Са-
мыми удачными и востребованными для дальнейшего дизайна биологических сенсо-
ров являются методики, построенные на взаимодействии между октильным лигандом
ТОФО на поверхности НК и алкильными группами амфифильных полимеров. Таким об-
разом можно получить не только коллоидно и химически устойчивые гидрофилизи-
рованные НК, но и большое количество функциональных групп, находящихся на по-
верхности квантовых точек, что, несомненно, облегчает процесс наматывания по-
следующих слоев, необходимых для придания сенсору большей биосовместимости и
специфичности.
@ Q Q
^_ ^^ ^^ ^^ Экстракция
Отрицательно
заряженные CdTe
нанокристаллы
в воде
Покрытые ПАВ
нанокристаллы
в хлороформе
ПС микросферы,
расворённые в
изопропаноле
Гибридная CdTe-ПС
микросфера
Рис. 3. Процесс внедрения водо-растворимых КТ внутрь гидрофобных по-
листироловых (ПС) матриц. Отрицательно заряженные квантовые точки
CdTe сначала покрываются положительно заряженными поверхностно-
активными веществами (ПАВ) и переводятся в хлороформ. Далее КТ вне-
дряются в ПС-микросферы в процессе их набухания в изопропаноле.
Полиакриловая
кислота
поли(Ы-винилкарбазол
со-4-винил пиридин)
н
**-
Полиакриловая кислота
СООН
—
CdTe
I*
II
Рис. 4. Послойная методика создания гибридной структуры типа
КТ/полимер посредством взаимодействия водородных связей. В качестве
поверхностных лигандов для покрытия КТ используется полиакриловая
кислота. Подложка покрыта слоем положительно заряженных полиэлектро-
литов , на которых расположены модифицированные КТ. Последующие слои
создаются за счет размещения поли(Ы-винилкарбазол-со-4-
винилпиридина). Водородные связи образуются между карбоксильными
группами в полиакриловой кислоте и частями пиридина.
Не менее популярна и гидрофилизация КТ посредством создания на них оболочки
из сополимера малеинового ангидрида и 1-тетрадецена за счет гидрофобных взаи-
модействий (рис. 5), а также дополнительного покрытия уже гидрофилизованных
ТОФО наночастиц полиэтиленгликолем (ПЭГ) (рис. 6).
Подводя итоги раздела, хочется подчеркнуть, что, несмотря на различия между
методиками изготовления гибридных наноструктур, все они направлены на решение
одних и тех же проблем: биосовместимости, жесткого удержания КТ внутри поли-
мера (выпадение КТ в организме в большинстве случаев может нанести ему непо-
правимый вред) , их равномерного распределении внутри образцов, а также регу-
лирования количества КТ внутри каждого индивидуального наносенсора.
Полимер
Ангидридные
кольца
Гидрофобные
алкиловые
цепи
Рис. 5. Покрытие КТ сополимером малеинового ангидрида и 1-
тетрадецена посредством гидрофобных взаимодействий. Для стабилизации
оболочки в качестве сшивающего агента используются диамины. Раскры-
тые ангидридные кольца заряжают карбоксильные группы на поверхности
КТ, делая их стабильными в водных растворах.
Квантовая точка,
// f\\
X покрытая ТОФО
ПЭГ
Полимерное покрытие
Афинные лиганды
Гидрофильные
Гидрофильные
сРх
■£?
CJ
С Н -NH °
Гидрофобные ■ - ■ - v'"'
•С"
Гидрофобные
Гидрофобные
Рисунок 6. Структура триб л очного полимера и покрытых им КТ. а — Схе-
матическая иллюстрация КТ, покрытых триблочным сополимером, б — Со-
полимер, состоящий из трех блоков, каждый из которых разработан спе-
циально для реализации какой-то специфической функции: защиты in
vivo, обнаружения лиганда, придания биосовместимости. Полимер само-
произвольно инкапсулирует покрытые слоем ТОФО наночастицы с помощью
сильных гидрофобных взаимодействий. В итоге цепи полиэтиленгликоля
или биологически активных молекул крепко сцепляются с полимерной
оболочкой.
ЧАСТЬ 3.
ПРИМЕНЕНИЕ ГИБРИДНЫХ
МИКРО- И НАНОСФЕР В
БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Гибридные микро- и наносферы типа КТ/полимер представляют значительный ин-
терес для аналитической химии и биоинженерии. Такого рода нанокомпозитные ма-
териалы можно было бы использовать в проведении мультиплексированных биоана-
лизов, для разработки новых инструментов медицинской диагностики, транспорти-
ровки и слежения за движением лекарственных препаратов внутри организма, а
также для проведения комбинаторного химического синтеза.
В биологических исследованиях применяются в основном КТ, функционализиро-
ванные амфифильными полимерами посредством сильных гидрофобных взаимодейст-
вий, а также гибриды, полученные прямым внедрением КТ в полимерные матрицы.
Такими гибридами очень удобно метить клетки.
Флуоресцентный биоанализ с помощью гибридных микросфер может стать замеча-
тельной альтернативой обычному биохимическому анализу крови. Такой анализ бу-
дет основан на использовании латексных шариков, «нашпигованных» квантовыми
точками нескольких цветов в строго определенных соотношениях. Таким образом
можно будет реализовать идею мультиплексного оптического кодирования, приме-
нимого в биоанализе (рис. 7).
А А
А
В
В В
В г.оо В
в в в
с
С с Считывание
кода
С -/& С ►
С С
С
D
D D
D D
D
Е
Е Е
4&
Е Е
Е
2:1 : 1
3:2:3
;•; a i
6:1:4
5 : 3
□
Л
Длина волны
Рис. 7. Мультиплексное оптическое кодирование. а — Флуоресцентное
изображение смеси ПС-шариков, отмеченных разными квантовыми точками
CdSe/ZnS. б — Схема оптического кодирования, основанного на разнице
в длине волн и интенсивности свечения КТ. Для получения характери-
стического соотношения цветов каждого индивидуального гибрида объем
разных типов КТ (красных, зеленых, синих) можно изменять. Функциона-
лизация поверхности шариков рецепторами (А, В, С, D, Е) позволяет
производить идентификацию разных биособытий.
Еще одним замечательным примером применения гибридных систем типа
КТ/полимер являются ратиометрические нанотермосенсоры, созданные группой ис-
следователей из Института биоорганической химии РАН. Принцип действия таких
термосенсоров основан на FRET-эффекте. В их состав входят два разных типа
квантовых точек: красные, находящиеся в ядре термосенсора, и зеленые — в его
оболочке, покрытой термочувствительным полимером поливинилкапролактамом (ПВК)
(рис. 8). Такая конструкция позволяет получать эмиссию флуоресценции, зависи-
мую от температуры, а следовательно, позволяет проводить температурные изме-
рения в пространственной области нанометровохю диапазона и получать таким об-
разом информацию о качестве протекания интересующих нас реакций in vitro
(рис. 9).
•cm < Н)ч ^тс
С
С
«Л
С
v.
С
с- /.<■
■cm <ЯЬ slii-ll
Д
v
S
о
\0
у г ион
О/
гее
м
\/ о
\
о \
\
VVavn ongth
о о
"V.
• /X
>\
ф
00
Q)
Q.
Е
О)
'• .'о
V/ •/о о,
-/ о о..."
red
green
/
FRET
•а>
о
с
Ф
СО
4>
О
^
LL
U
,
/ \
У
Wavelenyth
>4-mQ]K<<.U' '"' '-I'm QIK slull
Рис. 8. Конструкция нанотермосенсора с переносом энергии между КТ ядра
и оболочки. Сверху слева: в случае, корда длина волны эмиссии ядра
меньше длины волны эмиссии оболочки, перенос энергии от ядра к оболоч-
ке приводит к одновременному тушению квантовых точек, как ядра, так и
оболочки, что должно приводить к снижению чувствительности сенсора.
Внизу справа: если же длина волны эмиссии ядра больше длины волны
эмиссии оболочки, перенос энергии от КТ оболочки на КТ ядра, наоборот,
увеличивает флуоресценцию КТ ядра при одновременном тушении флуорес-
ценции КТ оболочки. Эффект разнонаправлен в отношении КТ ядра и обо-
лочки, что должно приводить к увеличению чувствительности сенсора.
/ = 42°С
А
jLAJ V.
500 550 600 650 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ ЬСЭ 55С 600 650
Wavelength, nm Wavelength, nm
Рис. 9. Конфокальное изображение нанотермосенсоров на нагреваемой
подложке и спектры флуоресценции единичного нанотермосенсора при
температуре 24 С и 42 С. Использованы флуоресцентные КТ с длиной
волны эмиссии 615 нм (ядро) и 540 нм (оболочка).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С помощью перечисленных выше методик и их комбинаций удалось получить сла-
ботоксичные образцы, способные циркулировать в крови в течение достаточного
для проведения необходимых анализов времени, а также проявляющие стабильность
относительно гидролиза и процессов ферментативной деградации в исследованиях
in vivo. Придумано множество схем использования гибридных нанокомпозитов в
качестве биосенсоров и флуоресцентных меток. Не менее важную роль таким
структурам отвели и в области фотоники и квантовой электроники.
Наблюдая за нынешними темпами развития этой области, а также учитывая уже
достигнутые результаты, можно утверждать, что применение гибридных систем ти-
па КТ/полимер в медицине и биологии стало просто вопросом времени. Рабочие
гибридные системы такого рода можно будет считать уверенным шагом в мир нано-
медицины и нанотехники.
ЛАБОРАТОРИЯ НА ЛАДОНИ
Бозрова С.
Можно ли сейчас найти человека, не слышавшего о нанотехнологиях? Приставкой
«нано» пестрят научно-популярные новостные ленты, названия высокорейтинговых
компаний, даже вывески на улицах. Современным мужчинам предлагаются автомо-
бильные «наномойки», столь же современным дамам — «нанокосметика». Так что же
кроется за этой магической приставкой? Правда ли, что за нанотехнологиями бу-
дущее, и что нас в нём ждет, если это так? Попробуем, например, заглянуть в
будущее онкодиагностики, вооружившись знаниями о природе и возможностях кван-
товых точек.
Если заглянуть в словарь, то можно обнаружить, что «нано» — это приставка,
используемая в Международной системе единиц (СИ) и означающая одну миллиард-
ную часть какой-либо единицы измерения. Другими словами, если к измеряемой
единице прибавить приставку «нано», то получится произведение исходной едини-
цы и числа 10~9. Например, метр, умноженный на 10~9, станет нанометром (нм) .
То есть, спросите вы, получается, что нанотехнологии — это одна миллиардная
часть обычных технологий? Логично, однако, не совсем так. Нанотехнологии —
это методы и приемы, основанные на использовании материалов или устройств,
обладающих очень маленькими размерами — в районе 100 нм и меньше. Такие тех-
нологии очень востребованы в наше время, так как обладают совершенно уникаль-
ными свойствами по сравнению с технологиями традиционными. Сложно найти об-
ласть человеческой жизни, где нанотехнологии не проявили бы себя: это и кос-
мическая промышленность, и государственная оборона, и компьютерная техника, и
телекоммуникации, и видеоустройства, и медицина... Всё перечислить невозмож-
но . Перед глазами встает картина далекого будущего, где вместо автомобилей
люди передвигаются на летающем транспорте, повсюду сворачиваются и разворачи-
ваются жидкокристаллические прозрачные экраны и никто не болеет раком. Да ну,
такое не под силу даже нанотехнологиям, усмехнетесь вы. Соглашусь, может, всё
будет совсем не так. Кто знает, как пойдет развитие транспортной инфраструк-
туры и мобильных технологий...
Только вот что с онкологическими заболеваниями? Можно ли их излечить, ис-
пользуя нанотехнологии, или это из области несбыточных мечтаний? Однозначного
ответа, конечно, нет, однако ученые по всему миру работают над этим вопросом.
И уже даже есть результаты.
Охватить всё разнообразие идей деятелей науки невозможно, поэтому хотелось
бы остановиться на одном нанообъекте, имеющем потенциал в области диагностики
и терапии онкологических заболеваний — квантовых точках (англ. quantum dots).
Этот наноматериал был открыт в 1981 году русским физиком Алексеем Иванови-
чем Екимовым (рис. 1) .
Рис. 1. Свечение полистиреновых микрочастиц, кодированных квантовыми
точками с длинами волн флуоресценции 488 (голубые), 520 (зеленые),
550 (желтые), 580 (оранжевые), 610 nm (красные).
Квантовые точки представляют собой полупроводниковые нанокристаллы (рис.
2) , обладающие благодаря своему малому размеру (1-20 нм) особыми оптическими
и электронными свойствами. Именно особенность кристаллов потрясающе малого
размера — квантовый размерный эффект — отразил Марк Рид в названии этих объ-
ектов в 1988 году.
а
-' Г
1
50 nm
Q 0 0.5 nm
1 i ,т / ,-.■• ,
1 -•* •" ' ' ' :
<?",' ; л*-—~t> ~:v ---. / ^-~;'
Рис. 2. Квантовые точки селенида кадмия, а — Трансмиссионная фо-
тография квантовых точек CdSe размером 4 нм. б — Структура кван-
товой точки CdSe. Изображение получено с помощью дифракции рент-
геновского излучения.
Особый интерес к квантовым точкам вызвала их способность изменять свои оп-
тические свойства в зависимости от размера и формы. Чем меньше нанокристалл,
тем больше расстояние между его энергетическими уровнями. Таким образом, при
возбуждении квантовой точки и последующем переходе электрона на более низкий
энергетический уровень появляется возможность регулировать энергию испускае-
мого фотона, а следовательно, и длину волны испускаемого квантовой точкой
света. Благодаря невероятной яркости свечения и удобству регулировки его цве-
та, квантовые точки приобрели популярность в научно-технической среде и даже
за ее пределами. И правда, кто сможет устоять (рис. 3).
Рис. 3. Светящиеся квантовые точки.
Конечно же, ученые-медики и биологи тоже не остались в стороне. Уже доволь-
но давно в медицине и лабораторной диагностике используются разнообразные
красящие агенты. Например, в гистологических исследованиях тонкую пластинку
человеческой ткани окрашивают специальными красителями — гематоксилином и эо-
зином , — благодаря чему становятся видны клетки и их содержимое (рис. 4) . В
основе популярного метода исследования клеточных суспензий, который называет-
ся проточной цитометрией (рис. 5), лежит принцип мечения клетки светящимся
веществом с последующей ее визуализацией в специальном приборе. Человеку все-
гда хочется «увидеть» болезнь, ее «расположение» в организме, изменения, ко-
торым она подвергает ткани, ее распространение. Такой подход очень эффекти-
вен, ведь так врач сможет поставить диагноз наиболее точно, ему не придется
действовать вслепую.
Рис. 4. Гистологический срез опухоли шейки матки.
SSLin
Рис. 5. Результат дифференциации клеток крови методом проточной
цитометрии.
Квантовые точки очень ярко светятся при самом слабом облучении, что, конеч-
но же, сразу натолкнуло ученых на мысль использовать их для визуализации раз-
личных процессов, протекающих в человеческом организме. Итак, что же конкрет-
но мы можем с их помощью увидеть и как это поможет людям взять контроль над
ужасной болезнью — раком?
С/)
П.
В клинических лабораториях уже несколько десятилетий проводятся анализы на
так называемые онкологические маркеры. Они появляются в организме в ответ на
злокачественную трансформацию клеток и циркулируют в крови заболевшего чело-
века, что очень упрощает раннюю диагностику рака. Иногда онкомаркеры появля-
ются в крови незадолго до начала роста опухоли, и по ним можно предсказать
развитие болезни. Однако эти исследования довольно дорогие и трудоемкие, и
это, к сожалению, не позволяет использовать их часто и для всех нуждающихся.
Вот тут-то на помощь и приходят квантовые точки.
Вспомним мечту о будущем: летающие машины, небоскребы... Почему бы не доба-
вить в эту картину моментальную диагностику рака? Да еще в лаборатории, уме-
щающейся на ладони? С помощью квантовых точек создание такой системы стано-
вится возможным.
Традиционно для определения раковых маркеров используется метод иммунофер-
ментного анализа (ИФА), в основе которого лежит следующая схема молекулярных
взаимодействий (рис. 6). На пластик (обычно — полистирольный планшет с множе-
ством лунок), покрытый антителами к искомому антигену (онкомаркеру), наносит-
ся сыворотка крови пациента. Затем к полученной смеси добавляется еще одно
антитело, меченное органическим флуорофором или молекулой пероксидазы. Моле-
кулы пероксидазы окрашивают субстрат в определенный цвет, что позволяет с по-
мощью спектрофотометра определить, есть ли в данной сыворотке раковый маркер
и в каком количестве.
Capture
Antibody
i i
Target
Antigen
Г^&Л
1 1
Biotinylated
Detection
£ Antibody
\\]
w
IS-
i " i
Streptavidin-HRP
Complex
e
A
fr
M
<c%
i i
.*4
™B^V, у
©
A
?..
A>
i . i
Рис. 6. Иммуноферментный анализ.
Весь процесс занимает около шести часов и требует особой аккуратности и до-
рогих расходных материалов. Как же можно его ускорить и облегчить?
Квантовые точки благодаря своей яркости и маленькому размеру позволяют го-
раздо быстрее и проще получать ответ о присутствии в крови пациента тех или
иных раковых маркеров. Для этого ученые предлагают кодировать квантовыми точ-
ками маленькие полимерные микросферы (рис. 7), к которым прикреплены антитела
к онкомаркерам. Кодировать — значит помещать в структуру таких микросфер
квантовые точки разного размера и цвета.
Так как микросферы не прикреплены ни к какой поверхности и могут нести на
своей поверхности любые антитела к раковым маркерам, то даже в одной пробирке
можно сформировать систему, в которой различные онкомаркеры будут прикреп-
ляться к соответствующим антителам, и при облучении ярким светом такие ком-
плексы будут светиться за счет квантовых точек, содержащихся в микросферах.
Рис. 7. Микросферы, кодированные различными квантовыми точками.
Чтобы определить, к каким именно сферам, и каким именно антителам прикреп-
ляется искомая молекула, в систему необходимо добавить еще одно антитело с
флуорофором — детектирующее (рис. 8). Засечь свечение от квантовых точек и от
флуорофора можно с помощью проточного цитометра за считанные секунды. Таким
образом, чтобы определить, есть ли в крови пациента тот или иной онкомаркер,
врачу-лаборанту требуется всего лишь взять пробирку, добавить в нее микросфе-
ры с пришитыми к ним антителами, сыворотку крови пациента и детектирующее ан-
титело с флуорофором и поместить эту смесь в проточный цитометр.
4 к
\
%
к
,—-т> 1 Excitation with C'.-j ^
Л ч V з laser in flow Г"' _Л, \"
\ ;"'*,-> cytometer '— \ Г
'-W ■• v'r"
M :*>¥
M °*^
Рис. 8. Принцип действия экспресс-лаборатории по детекции рако-
вых маркеров. Зеленым цветом обозначены антитела, прикрепленные
к сферам, синим — онкомаркеры, коричневым — меченные флуорофором
детектирующие антитела.
Если в будущем такая технология будет в лаборатории каждой больницы, то
проверить свою кровь на раковые маркеры сможет каждый желающий за небольшую
плату. Только представьте себе, сколько жизней можно будет спасти, «поймав»
рак на ранней стадии! Конечно, всё не так просто, как хотелось бы: самое
сложное — найти молекулы, присущие только какому-то определенному типу опухо-
ли, нелегко составить оптимальный набор онкомаркеров для каждого конкретного
пациента. Но квантовые точки позволяют нам хотя бы немного приблизиться к
мечте о том, что такую жестокую болезнь, как рак, можно будет диагностировать
быстро, дешево и надежно.
Разное
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ РЕПОРТЕРЫ
Пучков Е.
Флуоресценция: свечение, индуцированное светом. Мы почти не встреча-
ем или не замечаем это явление в обычной жизни. Интенсивность флуо-
ресценции слишком мала по сравнению с вызывающим ее светом. Так, на-
пример, мы даже не догадываемся, глядя на зеленый лист растения, что
хлорофилл в нем флуоресцирует красным светом. Однако ученым удалось
разработать приборы и методы, позволяющие не только выявлять, но и
измерять различные параметры флуоресценции. Причем оказалось, что,
благодаря этим измерениям, можно получать уникальную информацию о
молекулярной организации и функционировании биологических систем.
Так был создан и постоянно расширяется богатый арсенал оптических
методов исследований, в которых особую роль играют специальные веще-
ства — флуоресцентные репортеры.
Как известно, однажды свет был успешно отделен от тьмы. С тем, что такое
тьма, еще предстоит разобраться. Пока наметились лишь некоторые перспективы в
этом направлении в связи с изучением темной материи и темной энергии. А вот
свет человечество давно и успешно изучает и использует, в том числе в качест-
ве исследовательского «инструмента». Одно из направлений использования света
в экспериментальных исследованиях связано с явлением флуоресценции. За по-
следние тридцать лет использование различных методов, основанных на регистра-
ции флуоресценции, в биологических и медицинских исследованиях стремительно
возросло. Обусловлено это появлением как новых технических возможностей — в
первую очередь компьютеров и лазеров, — так и широкого спектра доступных
флуоресцирующих молекул и молекулярных комплексов. Словно микроскопические
репортеры эти соединения сообщают нам особыми световыми сигналами о свойствах
молекулярного мира, в котором они находятся. Флуоресцентная методология обес-
печила решение многих принципиальных задач биологии и медицины. Благодаря вы-
сокой чувствительности и сравнительной безопасности она вытеснила многие тра-
диционные методы, связанные с применением радиоактивных веществ. Методы флуо-
ресцентного анализа используются как в фундаментальных исследованиях для по-
лучения новых знаний о живом, так и в прикладных работах в биотехнологии, ме-
дицинской диагностике, криминалистике и многих других областях. Что же пред-
ставляют собой флуоресцентные репортеры? Какую информацию можно получить с их
помощью из глубин микромира? Как эту информацию регистрируют и анализируют?
Но, прежде всего — что такое флуоресценция?
Некоторые вещества после поглощения света в определенном диапазоне длин
волн начинают излучать свет в другом, более длинноволновом, диапазоне. Впер-
вые это явление было описано как видимое изменение цвета растворов некоторых
органических соединений и минералов при наблюдении не на просвет (в проходя-
щем свете) , а под углом к проходящему свету. Так, например, Дэвид Брюстер
(Sir David Brewster) в 1833 году заметил, что при освещении белым светом зе-
леного спиртового раствора хлорофилла от него «отражается» красный свет.
Позднее, в 1845 году, Джон Хершель (Sir John Herschel) описал подобные наблю-
дения — появление голубой окраски у бесцветного раствора сульфата хинина при
облучении солнечным светом. В 1852 году Джордж Стоке (George Gabriel Stokes)
обнаружил видимое на глаз свечение минерала флуорита при его облучении неви-
димым ультрафиолетовым излучением. Учитывая источник происхождения наблюдав-
шегося свечения, он назвал это явление флуоресценцией, как он отметил, по
аналогии с термином опалесценция, описывающим явление дихроизма в опале. Важ-
но отметить, что эти термины не только отражают «историю» своего происхожде-
ния, но, что более важно, обозначают разные физические явления. Флуоресценция
— это излучение, возникающее в молекулах вещества под влияние света. Опалес-
ценция — это рассеяние света, которое иногда сопровождается интерференцией.
По своей сущности флуоресценция является одной из разновидностей люминес-
ценции. Этим термином описывают все явления излучения веществом, вызванного
«возбуждением» молекул различными факторами. Так, например, в некоторых хими-
ческих реакциях возникает хемилюминесценция. Хемилюминесценцию в биологиче-
ских объектах называют биолюминесценцией. Есть вещества, которые испускают
свет при возбуждении электрическим током (электролюминесценция), быстрыми
электронами (катодолюминесценция), у_и3лУчением (радиолюминесценция) и дру-
гие . В этом контексте флуоресценция относится к категории фотолюминесценции.
Способные флуоресцировать атомы, молекулы и молекулярные комплексы называют
флуорофорами или флуорохромами. Обычно этими терминами пользуются как синони-
мами. Однако в ряде источников под флуорохромами понимают все виды флуоресци-
рующих молекул, а под флуорофорами — только флуоресцирующий компонент (груп-
пировку) крупной молекулы. В классической монографии Дж. Р. Лаковица исполь-
зуется только один термин — флуорофор, для всех типов флуоресцирующих ве-
ществ. С целью единообразия мы будем пользоваться этим термином. Отметим так-
же, что в исследовательской практике ковалентно присоединенный к макромолеку-
ле флуоресцирующий компонент принято называть флуоресцентной меткой, а сво-
бодный флуорофор — зондом. Применяемые в микроскопии флуорофоры традиционно
именуют флуоресцентными красителями. Наконец, некоторые авторы стали исполь-
зовать термин биосенсоры в отношение флуорофоров, используемых в биологиче-
ских исследованиях.
Физическую природу флуоресценции удобно проиллюстрировать, пользуясь диа-
граммой, которую предложил польский физик Александр Яблонский в 1933 году, и
которая носит его имя. На рисунке 1 представлена упрощенная форма этой диа-
граммы .
Возбужденное состояние электронов
3
Si 2
1
О
О- 2
Ш S
I °0i
m
о
ч-.вк
ик
Фл ^NBP
чвк
Ti
Фосф
Основное состояние электронов
Рис. 1. Диаграмма Яблонского, иллюстрирующая электронные процес-
сы в молекулах-флуорофорах при поглощении квантов света. Гори-
зонтальные линии — энергетические уровни электронов: So — основ-
ное, невозбужденное состояние; S± — синглетное возбужденное со-
стояние; 0-3 — квантованные подуровни; Ti, T2 — квантованные
уровни триплетного возбужденного состояния. Стрелками показаны
переходы электронов в разные энергетические состояния: П — по-
глощение света, Фл, Фосф — испускание флуоресценции и фосфорес-
ценции, соответственно, ВК — внутренняя конверсия, ИК — интер-
комбинационная конверсия, ВР — вибрационная релаксация.
При поглощении фотонов определенной энергии в молекуле флуорофора происхо-
дит переход электронов из «основного» (So) на один из подуровней «возбужден-
ного» (Si, S2, ..., Sn) состояния с более высокой энергией. Спин электрона при
переходе не меняется, и поэтому эти уровни называют синглетными. «Возбужден-
ное» состояние нестабильно, и электроны быстро возвращается на исходный энер-
гетический уровень. Происходить это может несколькими путями. Три из них —
безызлучательные квантовые переходы: внутренняя конверсия, интеркомбинацион-
ная конверсия и вибрационная релаксация. Два других сопровождаются излучением
света — это флуоресценция и фосфоресценция. При внутренней конверсии энергия
электрона уменьшается до минимального синглетного уровня. В ходе вибрационной
релаксации, которая вызвана преимущественно взаимодействием с окружающими мо-
лекулами, поглощенная энергия может «рассеяться» в виде тепла до «основного»
уровня. Интеркомбинационная конверсия приводит к уменьшению энергии электро-
нов с изменением спина. Такое энергетическое состояние электрона называется
триплетным. Флуоресценция возникает при переходе с нижнего синглетного уровня
в «основное» состояние, а фосфоресценция — при переходе в «основное» состоя-
ние с триплетного уровня.
Отметим три важных обстоятельства:
1. Во-первых, вероятности вышеотмеченных переходов различаются. Представление
об этом дает сравнение времени, за которое осуществляется каждый из этих
переходов, иными словами, время пребывания электронов в каждом из этих со-
стояний (таблица 1). Чем меньше время, тем более вероятен данный переход.
Очевидно, что флуоресценция и тем более фосфоресценция — маловероятные
процессы. Это проявляется в сравнительно слабом свечении большинства флуо-
рофоров даже при интенсивном облучении.
Во-вторых, поскольку флуоресценция возможна при переходе электронов в «ос-
новное» состояние только с самого низкого синглетного уровня, то энергия
излучения меньше поглощенной энергии. Поэтому спектр флуоресценции флуоро-
фора всегда находится в более длинноволновой области по сравнению со спек-
тром поглощения.
И, наконец, в-третьих, состояние электронов, участвующих в вышеуказанных
процессах, зависит как от физических факторов окружающей среды, так и от
общей электронной конфигурации молекулы. Именно это обстоятельство и дела-
ет флуорохром молекулярным репортером, который «на языке» флуоресценции
сообщает о физико-химических условиях своего окружения.
Табл. 1. Времена потенциальных переходов электронов
между разными энергетическими состояниями в флуорофорах.
Переход
Поглощение
Внутренняя конверсия
Вибрационная релаксация
Флуоресценция
Интеркомбинационная конверсия
Фосфоресценция
Временной
интервал, с
10"1Ь
ю—-ю-11
ю—-ю-11
10"у-10"7
10"8-10"3
10"4-10-1
Участие светового
излучения
+
—
—
+
—
ч-
Флуоресценция характеризуется рядом параметров, которые меняются в зависи-
мости от физического окружения или химической модификации флуорофора. Эти па-
раметры и являются тем «языком», на котором передается информация от флуорес-
центного репортера. Если продолжить аналогию, то сами параметры подобно сло-
вам приобретают конкретный смысл только при определенной их комбинации и в
контексте. «Контекстом» для параметров флуоресценции являются условия их ре-
гистрации. Флуоресценция всех флуорофоров имеет пять ключевых характеристик:
спектры поглощения и флуоресценции, а также квантовый выход, время жизни и
анизотропия флуоресценции.
Относительные единицы
100
50
01
Lyso Tracked Blue
ш
Li
300
400 500
Длина волны (нм)
600
700
Рис. 2. Спектры поглощения (пунктир) и флуоресценции (сплошные ли-
нии) флуоресцеина и Lyso TrackerTM Blue (Molecular Probes®).
Каждый флуорофор имеет индивидуальные спектры поглощения и флуоресценции.
Для иллюстрации на рисунке 2 представлены спектры Lyso TrackerTM Blue
(Molecular Probes®) и флуоресцеина. Основными параметрами спектров являются
интенсивность флуоресценции, положение максимумов и так называемая полуширина
(ширина спектра на уровне половины максимума). Часто именно эти параметры
«информируют» об определенных свойствах окружения, в котором находится репор-
тер. Так, в спектре флуоресценции многих флуорохромов возникают характерные
изменения при разных рН среды. На рисунке 3 в качестве примера показана рН-
зависимость спектра флуоресценции Lyso SensorTM Yellow/Blue (Molecular
Probes®). Если такие изменения специфические, т.е. могут быть вызваны только
сдвигами рН, то данный флуорофор может быть рН-репортером. Lyso SensorTM
Yellow/Blue является одним из таких репортеров.
Относ
100
50
0
ительные единицы
рНЗ
рН9
■^ '
^
300 400 500
Длина волны (нм)
-ятя^^^н
600
700
Рис. 3. Спектры флуоресценции Lyso SensorTM Yellow/Blue (Molecular
Probes®) при рН 3 и 9.
Квантовый выход флуоресценции — это характеристика эффективности, с которой
поглощенная энергия трансформируется в излучение по сравнению с процессами
безызлучательной релаксации. Количественно квантовый выход определяется как
отношение числа высвеченных фотонов к числу поглощенных. Чем больше квантовый
выход, тем больше интенсивность свечения флуорофора. Часто этот показатель
является решающим при выборе флуорофора на роль флуоресцентного репортера.
Например, флуоресцеин имеет квантовый выход около 0,9, что и обеспечивает его
широкое использование, как в роли самостоятельного зонда, так и в качестве
флуоресцентной метки нефлуоресцирующих молекул. Важно также и то, что этот
показатель очень чувствителен к различным физико-химическим взаимодействиям
репортера.
Время жизни флуоресценции — это усредненное время, в течение которого моле-
кулы флоурофоров находятся в возбужденном состоянии перед испусканием фотонов
флуоресценции. Измеряется этот показатель по затуханию флуоресценции после
кратковременного возбуждения. Время жизни флуоресценции, с одной стороны,
очень «чувствительно» к физико-химической «обстановке», в которой находится
флуоресцентный репортер. С другой стороны, этот показатель является специфи-
ческой характеристикой флуорофора, что позволяет получать «репортажи» от него
в присутствии других флуоресцирующих молекул с похожими спектральными харак-
теристиками .
Анизотропия флуоресценции — это количественная характеристика зависимости
поляризации флуоресценции от поляризации возбуждающего света. По анизотропии
можно судить о вращательной подвижности репортера и тем самым о вязкости сре-
ды в его микроокружении.
Пять вышеуказанных параметров флуоресценции являются непосредственно изме-
ряемыми характеристиками излучения, которое «передают» репортеры. Однако ин-
формационные возможности флуоресцентных репортеров этим не ограничиваются. С
флуоресценцией связан ряд явлений, которые используются в качестве методиче-
ских «ухищрений» для получения той или иной информации от флуоресцентных ре-
портеров .
Так, например, существует явление безызлучательной (резонансной) передачи
энергии (БПЭ) от одного флуорофора на другой. При этом интенсивность флуорес-
ценции у донора энергии уменьшается, а у акцептора возрастает. Происходить
это может между флуорофорами с определенными спектральными свойствами и, что
особенно важно, если они находятся на достаточно близком расстоянии. БПЭ ле-
жит в основе многих методических подходов, позволяющих выявлять взаимодейст-
вие молекул. Определение эффективности безызлучательной передачи энергии по-
зволяет даже оценивать расстояние между молекулами. В связи с этим БПЭ иногда
называют «молекулярной линейкой».
Ряд методических возможностей базируется на тушении флуоресценции. Тушение
может быть вызвано физическим взаимодействием флуорофора с молекулами-
тушителями — такими, как кислород, галогены, амины, а также некоторые «элек-
трон-дефицитные» органическими молекулы. В этом случае флуоресцентный репор-
тер может «сообщать» о присутствии в его окружении определенных «тушителей».
Тушение флуорофора может происходить также за счет фотообесцвечивания под
влиянием излучения большой интенсивности. В большинстве случаев с точки зре-
ния регистрации флуоресценции это негативное явление. Однако «в умелых руках»
это явление используется как специальный методический прием. Широкое распро-
странение в изучении вязкости и/или диффузионных свойств цитоплазмы клеток
получила методика восстановления флуоресценции флуорофора после фотообесцве-
чивания. Сущность ее заключается в том, что в небольшом участке клетки, со-
держащей флуорофор, производится его обесцвечивание кратковременной мощной
вспышкой лазера. Затем регистрируется восстановление флуоресценции в том же
участке, что обусловлено диффундирующими из других областей клетки не обес-
цвеченными молекулами флуорофора. По динамике этого процесса и характеризуют
диффузионные свойства цитоплазмы.
Способностью флуоресцировать обладают многие вещества с определенными кон-
фигурациями электронов. Такие конфигурации складываются в некоторых атомах,
молекулах и надмолекулярных комплексах. Однако требуются специальные исследо-
вания для выявления потенциальной «способности» флуорофора выступать в роли
молекулярного репортера для биологических и медицинских исследований. «Спо-
собности» эти оцениваются по специфичности информации, которую они передают,
их стабильности, в первую очередь фотостабильности, в ряде случаев учитывает-
ся токсичность для отдельных клеток или организма. Особенностью флуоресцент-
ных «корреспондентов» является их высокая индивидуальная «специализация».
«Специализация» каждого репортера характеризуется по взаимодействию с опреде-
ленными компонентами биологической системы, а также по специфичности флуорес-
центных сигналов. Условно можно выделить две группы репортеров, созданных на
основе органических и неорганических флуорофоров.
Органические молекулы-флуорофоры представляют наиболее многочисленную и
разнообразную группу флуоресцентных репортеров. Как велико это разнообразие,
можно оценить, заглянув в каталог фирмы Molecular Probes, специализирующейся
на разработке и производстве флуорофоров с 1975 года. Это уже одиннадцатое
издание (обновление) каталога (на момент написания статьи), что свидетельст-
вует о высоких темпах развития данной области.
Большое разнообразие органических флуоресцентных репортеров обусловлено ши-
роким спектром задач и условий их применения. При выборе или при разработке
репортеров принимаются во внимание информация, которую нужно получить, спек-
тральные свойства флуорофора, а также специальные условия, связанные с осо-
бенностями исследуемой системы. Проиллюстрируем это на примере флуоресцеина и
его производных (рис. 4) . Как уже отмечалось, этот флуорофор имеет высокий
квантовый выход и, соответственно, яркую флуоресценцию. Он может выступать в
роли репортера рН. Однако, например, для измерения рН внутри клеток он не
подходит, т.к. не проникает через цитоплазматическую мембрану. Его «доставка»
в клетки может быть осуществлена с использованием гидрофобного производного —
флуоресцеиндиацетата, который утратил способность флуоресцировать, но может
проникать через гидрофобный барьер цитоплазматической мембраны. В клетках эс-
теразы отщепляют ацетильные группировки, и флуоресцеин оказывается в клетках.
Аналогичным образом доставляется в клетки дихлорфлуоресцеин, т.е. через эсте-
рифицированное производное. Этот репортер служит для регистрации наличия в
клетках активных форм кислорода. Введение изотиоцианата в молекулу флуорес-
цеина дает возможность присоединять флуорохром к аминогруппам не флуоресци-
рующих молекул. С использованием флуоресцеинизотиоцианата создаются высоко-
специфичные флуоресцирующие белковые репортеры — различные антитела, стрепта-
видин (реагент на биотин), а также нуклеотиды и олигонуклеотиды. Наконец, 5-
карбоксиметокси-2-нитробензиловый эфир флуоресцеина (не показан на рис. 4)
представляет собой не флуоресцирующее производное, которое может превращается
в обычный флуоресцеин при облучении светом с длиной волны 355 нм. Это пример
фотоактивируемых флуорофоров, флуоресцентные свойства которых как бы «спрята-
ны» (англ. caged) до облучения.
соон
флуоресцеин
флуоресцеиндиацетат
SCN
дихлорфлуоресцеиндиацетат флуоресцеинизотиоцианат
Рис. 4. Структурные формулы флуоресцеина и некоторых его производных.
В семидесятых годах XX века сотрудник Принстонского университета (США) Оса-
му Симомура (Osamu Shimomura) при изучении биолюминесценции медузы Aequorea
victoria выделил два белка, участвующих в этом процессе. Он установил, что
при взаимодействии ионов кальция с одним из выделенных белков возникает хеми-
люминесценция голубого цвета. При этом второй белок может поглощать голубой
свет и флуоресцировать зеленым светом, что придает зеленоватый оттенок свече-
ния медузы. Первый белок был назван экворином, второй зеленым флуоресцентным
белком (ЗФБ). С этого момента начинается история одной из самых успешных раз-
работок молекулярной биологии, а ее основные герои — Осаму Симомура, Мартин
Чалфи (Martin Chalfie) и Роджер Тсьен (Roger Tsien) в 2008 году были удостое-
ны Нобелевской премии в области химии за открытие и подробное изучение ЗФБ.
Чем же так замечателен этот белок?
После открытия ЗФБ начались интенсивные исследования его структуры, был
синтезирован и клонирован соответствующий ему ген. Кроме того, у некоторых
морских беспозвоночных (Hydrozoa и Anthozoa) были обнаружены аналогичные
флуоресцирующие белки, структура которых также была охарактеризована. Все это
позволило с помощью методов молекулярной биологии целенаправленно конструиро-
вать гены, кодирующие модифицированные формы ЗФБ с широким диапазоном спек-
тральных характеристик, а также такие фоторегулируемые варианты, свечение ко-
торых можно «включать и выключать» путем облучения ультрафиолетовым излучени-
ем. В настоящее время можно говорить о том, что на основе ЗФБ создана и про-
должает увеличиваться целая «армия» разнообразных флуоресцентных белков (ФБ).
Возможность применения ФБ показана в исследованиях многих видов клеток от
бактерий до млекопитающих.
Несколько «скромнее» по сравнению с ЗФБ пока выглядит «судьба» экворина.
Его структура также была установлена, и синтезирована ДНК, кодирующая этот
белок. Изучение зависимости хемилюминесценции экворина от ионов кальция по-
зволило разработать методики измерения концентрации катиона в некоторых клет-
ках. Для измерения содержания ионов кальция внутри клеток существуют и флуо-
ресцентные репортеры, в том числе производные ФБ. Однако достоинством хемилю-
минесцентного метода с использованием экворина является отсутствие необходи-
мости возбуждающего флуоресценцию облучения, которое не всегда является без-
вредным для биологической системы, да и для флуорофоров, свечение которых при
длительном облучении ослабляется (эффект фотообесцвечивания). Экворин относят
к сравнительно большой группе так называемых люциферинов — веществ, ответст-
венных за био(хеми)люминесценцию у некоторых морских и наземных организмов.
Изучение люциферинов представляет интерес не только с целью их практического
применения. Ведь до сих пор не известно, зачем биологических объектам вообще
нужна биолюминесценция.
В последние годы заметно возрос интерес к созданию флуоресцентных репорте-
ров на основе неорганических флуорофоров путем формирования так называемых
биоконъюгатов, т.е. их комплексов с некоторыми органическими соединениями
и/или с биологическими молекулами. Многие атомы, например, переходные метал-
лы, лантаниды (точнее их ионы, например, ТЬ3+ и Ей3) , кластеры из нескольких
атомов золота и серебра после образования таких комплексов приобретают спо-
собность к сенсибилизированной флуоресценции. Сущность явления заключается в
том, что энергия света, поглощенного органическим соединением, передается на
атом неорганического элемента, который и излучает флуоресценцию. Важным свой-
ством этого процесса является то, что молекулы-доноры энергии передают ее от
электронов, находящихся в триплетном состоянии. Поэтому излучение неорганиче-
ских флуорофоров в таком комплексе является «замедленным» по сравнению с
«обычной» флуоресценцией, поскольку время жизни электронов в триплетном со-
стоянии заметно больше, чем в синглетном (см. табл. 1). Кроме того, спектры
флуоресценции неорганических биоконъюгатов имеют небольшую ширину и сильно
сдвинуты относительно спектров поглощения. Сенсибилизированная флуоресценция
репортеров-биоконъюгатов делает их «полезными» с точки зрения техники регист-
рации излучения. Так, в частности, они используются в условиях, когда в ис-
следуемой системе имеется «обычная» флуоресценция других компонентов в том же
диапазоне длин волн.
Особое место в этой группе занимают репортеры-биоконъюгаты, в которых в ка-
честве флуорофора используются полупроводниковые кристаллы размером 2-10 нм
(нанокристаллы), получившие название квантовых точек (англ. quantum dots).
Квантовые точки, как правило, состоят из пары элементов III/V (например, CdS,
CdSe, ZnS) или 11/VI групп (например, GaN, InP, InAs) . Вследствие малых раз-
меров полупроводниковых кристаллов (в них всего 10-50 атомов!) для их элек-
тронов создаются условия квантованных энергетических переходов, подобных тем,
что существуют в отдельных атомах. (Квантовые точки иногда даже называют «ис-
кусственными атомами») . Причем энергия этих переходов, а тем самым и длина
волны флуоресценции, зависят от размера кристалла. Чем меньше кристалл, тем
больше энергия излучения, т.е. меньше длина волны флуоресценции (рис. 5). Это
свойство открывает возможность создания квантовых точек, имеющих практически
любую спектральную конфигурацию. К этому следует добавить, что они, по срав-
нению с органическими флуорофорами, обладают еще и более высоким квантовым
выходом и фотостабильностью. На рисунке 6 показаны примерные размеры различ-
ных флуорофоров-репортеров.
Размер квантовых точек (нм)
Рис. 5. Флуоресценция коллоидных растворов квантовых точек раз-
ного размера.
Рис. 6. Относительные размеры флуоресцентных репортеров. Для
сравнения показан также белок иммуноглобулин G (Ig G).
Биоконъюгаты на основе квантовых точек состоят из ядра (например, CdSe),
покрытого слоем полупроводникового материала (например, ZnS) , выполняющего
«защитную» функцию, и лиганда — какого-нибудь органического вещества, обеспе-
чивающего растворимость и/или присоединение биологических молекул.
Биоорганическая оболочка биоконъюгата обеспечивает его стабильность как
коллоидной частицы и формирует «задание» репортера, его целевое назначение:
где и с чем провзаимодействовать, какую «собрать и передать» информацию. При
этом, конечно, размеры репортера на основе квантовой точки могут существенно
увеличиться (на рис. 6 показаны приблизительные размеры квантовых точек без
«снаряжения» биоконъюгата). В биоорганическую оболочку могут быть включены
низкомолекулярные соединения — такие как биотин — и высокомолекулярные: одно-
цепочечные фрагменты ДНК (олигонуклеотиды) и белки, в том числе ферменты и
антитела (Ig G).
В списке инструментов для получения и анализа «сообщений» флуоресцентных
репортеров исторически первым является наш глаз. С его помощью можно прово-
дить визуальные наблюдения флуоресцентного свечения на макроскопических объ-
ектах непосредственно, а на микроскопических — с помощью флуоресцентного (лю-
минесцентного) микроскопа. Примером макроскопических объектов могут служить
колонии микроорганизмов, в которых экспрессированы ФБ, хроматограммы и элек-
трофореграммы с применением флуоресцентных красителей. А в «обычный» флуорес-
центный микроскоп (о «необычных» микроскопах чуть дальше) чаще всего загляды-
вают для выявления иммунологических реакций с использованием меченных флуоро-
форами антител, а также в некоторых исследованиях на уровне единичных клеток.
Однако возможности зрительного анализа существенно ограничены в основном ка-
чественной оценкой «сигналов» флуоресцентных репортеров: «есть свечение — нет
свечения» в определенной области образца. Гораздо больше информации можно по-
лучить, если «читать и расшифровывать» флуоресцентные «репортажи» по количе-
ственным характеристикам свечения.
Для количественной характеристики флуоресценции необходимы измерения с ис-
пользованием специальных приборов и определенной методологии. Условно можно
выделить две методологии измерений параметров флуоресценции. Первая служит
для измерения различных характеристик флуоресценции в сравнительно большой
(макроскопической) области объекта, что обеспечивает получение интегральных
(усредненных) характеристик флуоресценции по объекту: раствору, суспензии
коллоидных частиц, клеток, субклеточных частиц и т.п. Вторая методология ори-
ентируется на измерения на уровне единичных микроскопических объектов — в
первую очередь клеток и субклеточных частиц.
Измерения интегральной флуоресценции проводят с помощью спектрофлуориметров
(флуоресцентных спектрофотометров) и планшетных флуориметров (англ. plate
readers). Спектрофлуориметры — это, как правило, аналитические приборы, на
которых можно получить все основные характеристики флуоресценции. Планшетные
флуориметры — это устройства, рассчитанные на массовые анализы большого коли-
чества образцов (стандартные планшеты рассчитаны на 96, 384 или 1536 образ-
цов) . Измерения в них осуществляются по нескольким фиксированным характери-
стикам — например, по интенсивности флуоресценции в определенной спектральной
области. Недавно появились планшетные флуориметры с возможностью измерения
параметров затухания флуоресценции и тем самым оценки времени жизни флуорофо-
ров в возбужденном состоянии. Большинство методик с использованием планшетных
флуориметров основано на иммунологических реакциях или на анализе развития
культур клеток в монослоях.
Методология измерений флуоресценции единичных микроскопических объектов
также имеет два варианта. Первый основан на получении цифровых изображений
флуоресцирующих микрообъектов (англ. fluorescence imaging) с последующим их
компьютерным анализом (англ. computer image analysis). Второй — на «поштуч-
ном» измерении флуоресценции микрообъектов в потоке при прохождении через уз-
кий капилляр специального прибора — проточного цитометра (англ. flow
cytometer).
Цифровые изображения флуоресцирующих микрообъектов получают с использовани-
ем флуоресцентной микроскопии, которая недавно пережила настоящую техническую
революцию. Так, в частности, наряду со стандартными флуоресцентными микроско-
пами, существенно усовершенствованными цифровыми фотокамерами и компьютерами,
разработаны принципиально новые устройства. Это, прежде всего, так называемые
конфокальные микроскопы (рис. 7). В конфокальном микроскопе возбуждение и ре-
гистрация флуоресценции осуществляются через микроскопическое отверстие, от-
секающее «лишнее» свечение, которое возникает вне фокуса объектива. Путем
сканирования этим «оптическим зрачком» в горизонтальной и/или вертикальной
плоскости, регистрации сигналов фотоумножителем и обработки компьютером полу-
чается пространственное изображение флуоресцирующего объекта. Такая конструк-
ция, прежде всего, позволяет получать более четкие по сравнению со стандарт-
ными микроскопами двумерные и трехмерные изображения. Кроме того, на совре-
менные конфокальных микроскопах можно проводить измерения параметров затуха-
ния флуоресценции.
Рис. 7. Конфокальный микроскоп.
Еще один тип «революционных» микроскопов функционирует... вопреки основным
физическим принципам флуоресценции. Возбуждение атомов в них осуществляется
светом с длиной волны больше длины волны флуоресценции... На самом деле ос-
новные законы физики при работе этих микроскопов не нарушаются. Просто при
достаточной интенсивности светового потока с длиной волны больше длины волны
возможной флуоресценции в один и тот же атом одновременно могут «попасть» два
фотона, поглощенная электронами энергия удваивается, и ее оказывается доста-
точно для возбуждения флуоресценции. Поэтому такие микроскопы называются
двухфотонными. Одновременное «попадание» двух фотонов в один атом — явление
сравнительно маловероятное, и может происходить только там, где световой по-
ток максимально сконцентрирован, т.е. в фокусе объектива. Это и обеспечивает
высокое разрешение флуоресцентных изображений. К достоинствам, отличающим
двухфотонные от других микроскопов, относится также их способность регистри-
ровать флуоресценцию в образцах на глубине до 1,5 мм (есть сообщения о про-
никновении и на большую глубину), а также возможность существенно уменьшить
неблагоприятное действие возбуждающего излучения, как на исследуемые объекты,
так и на флуоресцентные репортеры.
Специальные аналитические приемы (так называемая флуоресцентная корреляци-
онная спектроскопия) позволяют использовать конфокальную и двухфотонную мик-
роскопию для исследования движения единичных (!) флуоресцирующих молекул.
Однако «на вершине» современной оптической микроскопии по разрешающей спо-
собности стоят так называемые «наноскопы», то есть микроскопы, позволяющие
различать на изображении флуоресцирующие объекты, расстояние между которыми
составляет несколько нанометров. Существует два типа таких устройств. Первый
основан на сканировании образца двумя узкими пучками лазерного излучения. Оп-
тические свойства их подобраны так, что один возбуждает флуоресценцию в «нуж-
ной» области, а другой подавляет ее в рядом лежащей «ненужной» области. Раз-
мер же «нужной» области может быть порядка нескольких нанометров. Этот метод
получил название STED-микроскопия.
Принцип работы второго типа наноскопов опирается на возможность оптического
«включения и выключения» флуоресценции отдельных флуорофоров. Получают изо-
бражение одного и того же образца несколько раз, включая то одни, то другие
молекулы. Затем компьютер «накладывает» изображения друг на друга, и на сум-
марном изображении можно увидеть свечение каждой из близлежащих молекул. В
«обычном», пусть даже и конфокальном, микроскопе они слились бы одно светя-
щееся пятно. Такой подход назвали PALM-микроскопией.
Флуоресцентные «репортажи», зарегистрированные в виде цифровых изображений,
«расшифровывают», то есть извлекают количественную информацию с помощью спе-
циальных компьютерных программ анализа изображений. Так можно измерять интен-
сивность флуоресценции и ее пространственное распределение, оценивать спек-
тральные характеристики излучения (псевдоспектральный анализ), определять ко-
личество флуоресцирующих частиц (например, клеток), характеризовать временные
и поляризационные параметры флуоресценции.
Рис. 8. Флуоресцентные микрофотографии с галереи ежегодного конкурса
Nikon Small World. 1. Фибробласты мыши. 2. Веслоногий рачок Temora
longicornis. 3. Митоз в клетках легких тритона. 4. Клетки глии моз-
жечка мыши in vivo (двухфотонная флуоресцентная микроскопия).
Следует отметить также и эстетическую информативность флуоресцентной микро-
скопии. Флуоресцентные репортеры на микрофотографиях открывают нам чарующий
мир причудливого сочетания цвета и форм (рис. 8). Фирмы-производители микро-
скопов Nikon и Olympus даже проводят ежегодные конкурсы фоторабот о микромире
в свете флуоресценции. С галереями работ-победителей в этих конкурсах можно
познакомиться на сайтах Olympus BioScapes и Nikon Small World.
В отличие от флуоресцентных микроскопов, проточные цитометры не дают воз-
можности полюбоваться флуоресцирующими объектами. Как правило, это суспензии
клеток, в которых находятся флуорофоры. Сильная сторона проточных цитометров
— скорость регистрации сигналов от единичных объектов. Обычный коммерчески
доступный цитометр позволяет измерять флуоресцентные сигналы от клеток со
скоростью 1000 клеток в секунду, а специализированные высокопроизводительные
— до 25000 клеток в секунду! Стандартный вариант работы предусматривает изме-
рение у каждого объекта от двух до десяти параметров: светорассеяния и флуо-
ресценции одного или нескольких флуорофоров. Измерения на большом массиве
объектов позволяют получать статистически достоверные результаты при исследо-
вании гетерогенности клеточных, в частности, микробных популяций.
Наряду с обычными проточными цитометрами существуют приборы, которые спо-
собны физически разделять (сортировать) клетки по определенным параметрам
светорассеяния или флуоресценции. Это открывает возможность дальнейшего изу-
чения определенных субпопуляций с использованием других методов.
Как уже отмечалось, все флуоресцентные репортеры имеют «специализацию»,
т.е. способны избирательно характеризовать определенные свойства биологиче-
ской системы. Остановимся вкратце на некоторых категориях «специалистов».
С помощью ряда флуоресцентных репортеров можно следить за ферментативным
катализом. Как правило, это органические флуорофоры. Так, например, создают
субстраты с ковалентно присоединенными флуорофорами, которые начинают флуо-
ресцировать только после высвобождения в ходе реакции. Это и служит «сообще-
нием» о ходе ферментативного катализа. Другой прием — использование «профлуо-
рофора», который становится флуоресцентным в результате взаимодействия с про-
дуктом реакции. С помощью флуоресцентных репортеров ферментативных реакций
исследуют динамику процессов, а также их локализацию в клетках, тканях, орга-
нах и т.п.
Репортеры, сформированные на основе антител, «информируют» о протекании им-
мунологических реакций. Они представляют собой физические комплексы или кова-
лентные соединения флуорофоров с антителами (иммуноглобулинами). В качестве
флуоресцирующего компонента показана возможность использования всех известных
органических и неорганических флуорофоров, включая квантовые точки. Кроме то-
го, к антителам можно присоединять ферменты, катализирующие реакции с образо-
ванием флуоресцирующего продукта. С помощью иммунологических флуоресцентных
репортеров выявляют наличие в образцах определенных белков-антигенов, а также
их локализацию. Так, например, показанные на рисунке 8 (фото 1) микрофибриллы
в фибробластах мышей выявлены с помощью флуоресцентных антител.
Много видов информации можно получать с использованием ФБ. Разработаны ме-
тоды создания генов гибридных белков, содержащих ФБ в качестве флуоресцирую-
щей метки какого-нибудь естественного белка или даже нуклеиновой кислоты.
Введение в клетки генов таких «гибридов» позволяет по флуоресценции опреде-
лять «адреса» локализации молекулярных компонентов живых клеток, следить за
динамикой их синтеза и перемещений. Существует рН-зависимость флуоресценции
ФБ-содержащих гибридных белков, что используется для измерения внутриклеточ-
ного рН. Преимуществом таких рН-репортеров по сравнению с другими рН-
чувствительными органическими флуорофорами является возможность измерений рН
внутри различных внутриклеточных отделов (органелл), куда «адресован» основ-
ной компонент «гибрида».
Особый интерес вызывает применение различных ФБ в сочетании с методиками
измерения флуоресценции, основанными на БПЭ. Для изучения взаимодействия или
совместной локализации в клетках каких-нибудь двух белков к ним присоединяют
два ФБ, подобранных так, чтобы при их сближении был возможен эффект БПЭ. По-
хожим образом можно изучать конформационные (структурные) изменения в белках.
С этой целью соответствующие ФБ присоединяют к разным участкам белковой моле-
кулы. Появление эффекта БПЭ свидетельствует о сближении ФБ и тем самым о кон-
формационных перестройках в исследуемом белке. На этом же принципе работает
«конструкция» из трех белков, которая используется как индикатор содержания
ионов Са2+ в живых клетках. В нее входят два ФБ и Са2+-связывающий белок каль-
модулин между ними. При связывании Са2+ конформация кальмодулина изменяется,
ФБ сближаются и дают сигнал БПЭ. Здесь уместно заметить, что для регистрации
ионов Са2+ внутри клеток существуют и «простые» органические флуоресцентные
репортеры. Белковые же репортеры могут быть более точно «адресованы» в опре-
деленные внутриклеточные компоненты либо с помощью микроинъекций, либо путем
включения в структуру белка с определенной внутриклеточной локализацией.
Чувствительность флуоресценции к физическим свойствам микроокружения, в ко-
тором находится молекулы флуорофоров, позволяет использовать некоторых из них
в качестве репортеров различных параметров внутриклеточной среды. Измерение
внутриклеточной вязкости основано на зависимости поляризации флуоресценции от
вращательной диффузии репортеров. Благодаря специально отобранным репортерам
удалось измерить вязкость цитоплазмы внутри некоторых органелл, а также в
гидрофобном слое биомембран. Взаимодействие некоторых флуорофоров с биологи-
ческими мембранами зависит от разности электрических потенциалов на них. С
помощью таких репортеров получают сведения о величине мембранного потенциала.
Для измерения внутриклеточной температуры разработано несколько вариантов
флуоресцентных репортеров на основе лантанидов, квантовых точек, термочувст-
вительных полимеров и органических флуорофоров. Наиболее впечатляющие резуль-
таты получены от специально сконструированных органических флуорофоров, кото-
рые способны «сообщать» температуру в различных частях клеток, «зашифрован-
ную» в динамических параметрах затухания флуоресценции.
Флуоресцентные репортеры долго и успешно «служат» экспериментальной биоло-
гии и медицине. Только перечисление различных вариантов их применения могло
бы составить объем не одной статьи. Однако есть такие области, где они сыгра-
ли ключевую роль в изучении принципиальных свойств и явлений биологических
систем. Отметим некоторые из них для иллюстрации.
С использованием флуоресцентных репортеров была экспериментально доказана
модель жидкокристаллической структуры всех биологических мембран. Согласно
этой модели, при структурной целостности и обеспечении барьера проницаемости
для гидрофильных веществ биологическая мембрана достаточно «жидкая», чтобы в
ней могли перемещаться «по назначению» ее отдельные компоненты. Такое пред-
ставление о биологических мембранах позволяет понять основные молекулярные
механизмы их функционирования, а также свойства живых клеток в целом.
В том числе благодаря флуоресцентным техникам было установлено, что мембра-
на является не просто пассивным «морем» фосфолипидов, в котором плавают «ост-
рова» мембранных белков, а полноправным участником множества важнейших биофи-
зических процессов.
Механизмы трансформации энергии в клетках также стали понятны в значитель-
ной мере благодаря информации от флуоресцентных репортеров. Особую роль здесь
сыграли флуорофоры, позволяющие регистрировать внутриклеточный и внутримито-
хондиральный рН, а также разность электрический потенциалов на мембранах. С
их помощью, прежде всего, был выявлен механизм сопряжения энергодонорных ре-
акций окисления с энергозатратным синтезом аденозинтрифосфата (АТФ) — универ-
сального донора энергии для большинства метаболических процессов. Кроме того,
была изучена природа накопления различных веществ в цитополазме и в клеточных
органеллах за счет мембранного электрического потенциала и градиента рН.
Жизнедеятельность клеток обеспечивается совокупностью скоординированных в
пространстве и времени биохимических реакций. Эта координация осуществляется
за счет специфического взаимодействия компонентов так называемых сигнальных
систем. Основные компоненты этих систем были изолированы и охарактеризованы с
помощью методов традиционной биохимии и молекулярной биологии. Однако только
с появлением подходов, основанных на применении флуоресцентных репортеров,
стало возможным получать сведения о пространственно-временной организации
сигнальных путей непосредственно в клетках. Так, в частности, можно в реаль-
ном времени следить за пространственной динамикой взаимодействия белков-
компонентов сигнальных систем. Это позволяет изучать распространение, усиле-
ние и интеграцию сигналов в клетках. Более того, стало возможным на уровне
единичных клеток оценивать динамику экспрессии генов, что позволяет подойти к
развитию концепций клеточной индивидуальности в противовес традиционным ста-
тистическим подходам. Следует отметить также и то, что с помощью флуоресцент-
ных репортеров удалось обнаружить неизвестные ранее сигнальные компоненты.
Например, была выявлена принципиальная роль ионов Са2+ как сигнального по-
средника во многих регуляторных реакциях.
Во второй половине прошлого века в микробиологии возникла проблема, которую
окрестили «великой аномалией учета микроорганизмов с помощью чашек Петри».
«Виновниками» оказались флуоресцентные репортеры, два красителя нуклеиновых
кислот — акридиновый оранжевый и 4,6-диамидино-2-фенилиндол. В многочисленных
исследованиях природных образцов постоянно обнаруживалось несоответствие меж-
ду данными о содержании микроорганизмов, полученными путем учета по колониям
размножающихся клеток на чашках Петри, и данными прямого подсчета микроорга-
низмов, прокрашенных флуоресцентными красителями нуклеиновых кислот, с помо-
щью микроскопии. Флуоресцентные репортеры всегда выявляли значительно больше
микроорганизмов, чем анализ с чашками Петри. Для объяснения этих данных были
выдвинуты две гипотезы. Согласно первой, часть клеток может находиться в не-
котором состоянии «покоя» и не размножается на чашках Петри. Согласно второй,
условия культивирования (состав среды, температура и др.) не соответствуют
«потребностям» некоторой части популяции для размножения. Проверка этих гипо-
тез показала, что обе эти возможности могут реализовываться. Более того, был
дан толчок к формированию двух новых больших направления исследований.
Первое связано с изучением так называемого «жизнеспособного, но некультиви-
руемого состояния микроорганизмов». Особая значимость этого направления обу-
словлена наличием такого состояния у многих патогенных для человека микроор-
ганизмов . В этом состоянии они как бы «невидимы» для стандартных методов ди-
агностики. Кроме того, в этом состоянии у них увеличивается устойчивость к
лекарственным препаратам.
Второе направление — это выявление и изучение микроорганизмов непосредст-
венно в природных образцах (лат. in situ, буквально — на месте) путем прямого
анализа их нуклеиновых кислот без предварительного получения чистых культур,
как это делалось раньше. Это направление даже получило собственное название —
метагеномика. Благодаря методам метагеномики, среди которых, кстати, некото-
рые основаны на использовании флуоресцентных репортеров, появилась возмож-
ность по-новому оценить биологическое разнообразие микроорганизмов в отдель-
ных экосистемах и на Земле в целом. Вот так «незатейливые» репортажи двух
флуоресцентных репортеров способствовали появлению двух важнейших направлений
исследований в современной микробиологии.
Наконец, благодаря использованию флуоресцентных репортеров созданы оптиче-
ские микроскопы, которые преодолели «магический барьер» принципа Аббе, посту-
лировавшего, что разрешение, которое может быть достигнуто с помощью оптиче-
ской микроскопии не может быть меньше, чем 0,2 мкм. За разработку метода
флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения («наноскопию») в 2014 го-
ду Нобелевская Премия по химии была присуждена Эрику Бетцигу (Eric Betzig),
Штефану Хеллю (Stefan Hell) и Уильяму Мернеру (William Moerner).
Итак, флуоресцентные репортеры сегодня представляют собой большую армию
разнообразных «специалистов», которые уже имеют славную историю в эксперимен-
тальной биологии и медицине. Их флуоресцентные репортажи позволили лучше
«разглядеть» те уголки микромира, куда может проникнуть свет. Причем разгля-
деть не только визуально, но и с точки зрения понимания физико-химических и
биологических закономерностей. И все же исследователи, работающие в области
разработки и применения этих «молекулярных помощников» изучения микромира,
считают, что это только начало!