ИЗДАТЕЛЬСТВО
ЗНАНИЕ
1981
БН
Перспективы

Гипотезы

Нерешенные проблемы
БУДУЩЕЕ НАУКИ
МЕЖДУНАРОДНЫЙ
ЕЖЕГОДНИК
Выпуск
четырнадцатый
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1981
ББК 72
Б 90
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
В. Г. КИРИЛЛОВ-УГРЮМОВ, профессор (председатель)
Ю. В. БРОМЛЕЙ, академик
В. А. ВИНОГРАДОВ, член-корреспондент АН СССР
А. П. ВЛАДИСЛАВЛЕВ, профессор
В. И. ГОЛЬДАНСКИЙ, член-корреспондент АН СССР
В. А. КИРИЛЛИН, академик
Б. Г. КУЗНЕЦОВ, профессор
И. М. МАКАРОВ, член-корреспондент АН СССР
Е. М. СЕРГЕЕВ, академик
В. И. СИФОРОВ, член-корреспондент АН СССР
В. Е. СОКОЛОВ, академик
Л. Н. СУМАРОКОВ, профессор
А. В. ФОКИН, академик
И. Т. ФРОЛОВ, член-корреспондент АН СССР
А. М. ЧЕРНУХ, академик АМН СССР
Л. К. ЭРНСТ, академик ВАСХНИЛ
Ответственный редактор Е. Б. ЭТИНГОФ
(Б) Издательство «Знание», 1981 г.
В ближайшие пять — десять лет, отмечалось на XXVI съезде
КПСС, будет закладываться и создаваться народнохозяйствен-
ная структура, с которой наша страна вступит в XXI век. Эта струк-
тура должна олицетворять союз творческой мысли и творческого
труда. Отсюда настоятельное требование времени —тесная ин-
теграция науки и производства.
В своем докладе на съезде товарищ Л. И. Брежнев указал, что
наука должна не только решать практические задачи, сформули-
рованные центральными планирующими и хозяйственными орга-
нами, но и сама быть «возмутителем спокойствия» — показывать,
где современный уровень знаний дает возможность двигаться
вперед быстрее, успешнее.
Это ответственное, трудное, но и почетное и увлекательное
дело. Наука как «возмутитель спокойствия» — одна из главных
тем ежегодника «Будущее науки».
Много внимания на съезде было уделено необходимости улуч-
шения качества металла и изделий из него. Проблемам металлур-
гии будущего, и не только ближайшего, но и более отдаленного,
посвящена в этом выпуске статья президента АН УССР, руково-
дителя Института электросварки имени Е. О. Патона академика
Б. Е. Патона и академика АН УССР Б. И. Медовара.
Утвержденными съездом «Основными направлениями эконо-
мического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на
период до 1990 года» предусмотрен опережающий рост машино-
строения. Пути совершенствования его техники и технологии —
тема статьи директора Института машиноведения АН СССР члена-
корреспондента АН СССР К. В. Фролова. О перспективах сельско-
хозяйственного машиностроения пишет директор Всероссийского
научно-исследовательского и проектно-технологического инсти-
тута механизации и электрификации сельского хозяйства акаде-
мик ВАСХНИЛ М. С. Рунчев.
важные задачи поставлены перед химиками, в том числе по
созданию новых композиционных материалов и синтетического
жидкого топлива. В числе авторов статей, рассказывающих о том,
как будут решаться эти задачи, — академик Н. С. Ениколопов и
член-корреспондент АН СССР А. Н. Башкиров.
Усилия ученых признано необходимым сосредоточить на раз-
витии многих разделов физики, в том числе физики элементарных
частиц и атомного ядра, физики твердого тела, оптики, квантовой
электроники, а также элементной базы вычислительных машин.
Горизонты этих областей знания раскрывают в своих статьях ака-
демик В. Л. Гинзбург, член-корреспондент АН СССР Ю. Н. Дени-
сюк, вице-президент АН Литовской ССР Ю. К. Пожела и другие
авторы.
К числу важнейших задач отнесено познание механизма фи-
зиологических, биохимических, генетических и иммунологических
процессов жизнедеятельности человека, совершенствование
методов профилактики, диагностики и лечения наиболее распро-
страненных заболеваний, разработка новых лекарственных
средств. С некоторыми путями решения этих задач знакомят ака-
демик АМН СССР Р. В. Петров и другие видные ученые.
Указано также на необходимость и дальше изучать биосферу,
совершенствовать охрану окружающей среды. Этих проблем
касается статья вице-президента АН СССР академика А. В. Си-
доренко.
Перспективы термоядерного синтеза, новые методы преобра-
зования и передачи энергии, увеличение прочности материалов,
промышленные роботы, повышение плодородия почвы, програм-
мно-целевое планирование и управление и его возможности, раз-
работка проблем социальной структуры общества, демографи-
ческие исследования и другие актуальные области науки, отме-
ченные в Основных направлениях развития нашей страны, будут
освещены в последующих выпусках.
XXVI съезд партии вновь показал всему миру, сколь прочны
узы дружбы, связывающие социалистические страны. КПСС и
другие братские партии взяли курс на то, чтобы превратить пред-
стоящие две пятилетки в период интенсивной производственной
и научно-технической кооперации стран социализма.
Ученые этих стран всегда желанные гости на страницах еже-
годника.
Особенно добрые слова были сказаны товарищем Л. И. Бреж-
невым о покорителях космоса — участниках работ по программе
«Интеркосмос»: «Космонавты братских стран работают не толь-
ко для науки и для народного хозяйства. Они выполняют и огром-
ного значения политическую миссию».
Один из них — В. Ремек (ЧССР) — в соавторстве со своим
соотечественником лингвистом К. Рихтером выступает в ежегод-
нике со статьей об изучении речевых коммуникаций, что стано-
вится все более важным по мере расширения международного
сотрудничества в исследовании и освоении космического про-
странства.
Видный астроном Ф. В. Егер (ГДР) рассказывает о горизонтах
своей области исследований, в частности совместных работ уче-
ных социалистических стран.
Партия ставит задачу развивать связи, в том числе и научно-
технические, также и с капиталистическими странами, проявляю-
щими заинтересованность в сотрудничестве с Советским Союзом.
В ежегоднике «Будущее науки» постоянно публикуются статьи
известных прогрессивных ученых капиталистических стран. На
этот раз в обсуждении перспектив развития науки участвуют хи-
мик Дж. Морган (США), медик Ж. К. Саломон (Франция), биохимик
Ф. Эгами (Япония).
БОРИС ЕВГЕНЬЕВИЧ ПАТОН — специалист в области электросварки, металлур-
гии и технологии металлов, академик АН СССР и АН УССР, президент Академии
наук Украинской ССР, директор Института электросварки АН УССР. Лауреат Ле-
нинской и Государственной премий. Возглавляет работы по совершенствованию су-
ществующих и созданию новых металлических материалов, исследования в новой
отрасли промышленности — специальной электрометаллургии.
БОРИС ИЗРАИЛЕВИЧ МЕДОВАР — руководитель отдела физико-металлургиче-
ских проблем электрошлаковой технологии того же института, академик АН УССР.
Лауреат Ленинской и Государственных премий СССР и УССР. Руководит техноло-
гическими и конструкторскими разработками в области электрошлакового перепла-
ва, сварки, литья.
ПРОБЛЕМЫ МЕТАЛЛУРГИИ БУДУЩЕГО
Как только не называли и не называют наш век: веком пара и
электричества, атомной энергии и овладения космосом, радиоэле-
ктроники и кибернетики и т. д. и т. п. Мы предпочитаем наименова-
ние, может быть, несколько старомодное, но, на наш взгляд,
наиболее емкое — железный век. Именно так, ибо современную
земную цивилизацию при всех впечатляющих достижениях челове-
ческого гения просто невозможно представить без железа.
Именно так, ибо немыслим и сейчас, и в обозримом будущем
научно-технический прогресс человеческого общества без желе-
за, точнее, без сплавов на его основе.
В наш железный век вознеслись к небу могучие домны, дающие
миллионы тонн чугуна в год. Рядом с домнами-гигантами встали
могучие кислородные конвертеры, каждый из которых способен за
считанные минуты превратить 300—400 т жидкого чугуна в сталь.
8	Б. Е. Патон, Б. И. Медовар
Отечественная черная металлургия ныне самая могучая в мире:
мы производим ежегодно более 150 млн. т стали, свыше
100 млн. т проката, больше, чем любая другая страна в мире,
больше, чем все страны ЕЭС, вместе взятые.
Каждая пятая тонна стали на Земле выплавлена в нашей
стране!
И тем не менее производство металла будет продолжать расти,
поскольку потребности народного хозяйства в нем удовлетворя-
ются не полностью. Конечно же,имеется в виду не только количе-
ственный рост. Как сказано в «Основных направлениях экономи-
ческого и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на
период до 1990 года», «...главным направлением... должно стать
коренное улучшение качества и увеличение выпуска эффектив-
ных видов металлопродукции». Товарищ Л. И. Брежнев на ноябрь-
ском (1979 г.) Пленуме ЦК КПСС отмечал, что требуются коренные
качественные изменения в металлургии, внедрение новых техно-
логических процессов в основных отраслях — потребителях ме-
талла, достижение оптимальной металлоемкости машин и обору-
дования.
Одна из проблем, которые встают при этом перед учеными, —
создание новых конструкционных материалов. Весь ход научно-
технического прогресса говорит о том, что, несмотря на постоян-
ный рост прочности, пластичности и вязкости металлических мате-
риалов, не удается обеспечить надежную службу конкретных
металлических изделий во все более усложняющихся условиях
одновременного воздействия самых различных факторов (темпе-
ратуры, давления, характера приложения нагрузки, облучения и
т. д. и т. п.).
Человечеству уже сегодня нужны так называемые компози-
ционные материалы, они в еще большей степени понадобятся в
будущем.
Проблеме композиционных, или, как их еще называют, ком-
позитных, материалов посвящена огромная литература*. Мы
хотим в рамках этой статьи остановиться лишь на одном из инте-
ресных направлений создания составных металлических материа-
лов, которые мы назвали квазислоистыми (КСМ).
Технику наших дней, а тем более технику будущего с полным
основанием можно назвать экстремальной по условиям ее эксплу-
атации. Растут температуры, скорости, давления, все сложнее ста-
новятся условия работы машин, механизмов, аппаратов, все выше
требования к их надежности.
* См, например, статью И. Ф. Образцова «Композиционные материалы в кон-
струкциях летательных аппаратов» в ежегоднике «Будущее науки (выпуск деся-
тый)», 1977 г. — Ред.
Проблемы металлургии будущего	9
Возьмем, например, современный магистральный газопровод
из труб почти полутораметрового диаметра, работающий при вну-
треннем давлении 100 атм и более. По сути дела, это зарытый в
землю сосуд высокого давления длиной в сотни и тысячи киломе-
тров. Вспомним, что еще не так давно вершиной техники считали
паровой котел; но ведь давление в нем было ниже, чем в совре-
менном газопроводе, а весь он, длиной несколько метров, поме-
щался в сравнительно небольшом теплом помещении.
Все дальше на Север, в Арктику продвигаются газо- и нефтедо-
бытчики, значит, все сложнее становятся условия работы трубо-
проводного транспорта, т. е. трубопроводов, насосно-компрессор-
ных агрегатов и другой техники. Все большие и большие количе-
ства газа требуется транспортировать на огромные расстояния.
Для увеличения пропускной способности магистральных, в том
числе и трансконтинентальных, трубопроводов приходится увели-
чивать их диаметр. Уже сегодня, как мы говорили, он достиг полу-
тора метров. Это — предел, ибо с дальнейшим увеличением диа-
метра труб невероятно усложняется и удорожается их транспорти-
ровка. В еще большей степени это относится к строительству
трубопроводов. Остается другой путь — увеличение давления,
например до 150 атм. Чтобы труба выдержала такое высокое дав-
ление, приходится заметно увеличивать толщину стенки, повышать
прочность трубной стали.
Известно, что с повышением прочностных показателей, как
правило, снижаются пластические и вязкостные свойства. Уста-
новлено, что чем толще металл, тем интенсивнее идет процесс его
охрупчивания при отрицательных температурах, тем выше опас-
ность так называемых лавинных разрушений, когда сквозная тре-
щина распространяется в металле со сверхзвуковой скоростью.
Мировая практика знает случай, когда буквально в мгновение ока
газопровод разрушился на длине более десятка километров.
Страшен и сам по себе разрушающий взрыв. Но более страшны
его последствия — нарушение на долгое время энергоснабжения
важных объектов, городов и целых регионов. Бороться с этой
опасностью путем специального легирования стали, например
молибденом или ниобием, можно, но, как говорится, без гарантии.
Если толщина стали для газопроводов не превышает
15—20 мм, специальное легирование в сочетании с так называ-
емой контролируемой прокаткой дает достаточно надежные ре-
зультаты. Однако при больших толщинах картина меняется —
опасность лавинных разрушений не устраняется, а даже усилива-
ется. Современная металлургическая наука и техника, увы, не зна-
ет решения этой важнейшей задачи. Причем даже использование
так называемой сверхчистой, т. е. рафинированной, легированной
стали не может гарантировать надежной работы трубопровода. Уж
такова природа толстого катаного металла!
10
Б. Е. Патон, Б. И. Медовар
В Советском Союзе нашли иное решение проблемы. Изучение
механики разрушения металлов в экстремальных условиях при-
вело к весьма интересному выводу — практически невозможно на
100 процентов исключить возникновение очага зарождения тре-
щин. Нельзя полностью исключить и вероятность зарождения тре-
щин у таких очагов. Но можно с полной уверенностью предотвра-
тить их опасное распространение, полностью предотвратить
лавинное разрушение. Для этого стенку трубы нужно сделать
многослойной. Практика блестяще подтвердила выводы теории —
столкнувшись с многослойной преградой, даже сверхзвуковая тре-
щина начинает ветвиться, как молния над ровной степью, и мгно-
венно гаснет, потеряв свою скорость, в отдельных слоях много-
слойной стенки.
Конечно, истинный механизм гашения трещин существенно
сложнее этой упрощенной схемы. Но важен факт, что в результате
многолетней упорной работы целого коллектива уче-
ных—теоретиков и экспериментаторов Институтом электросварки
им. Е. О. Патона АН УССР вместе со строителями магистральных
газопроводов и производственниками — работниками металлур-
гии и машиностроения успешно решен большой комплекс вопро-
сов, создана уникальная конструкция многослойных практически
неразрушаемых газопроводных труб и налажено их промышлен-
ное производство. Особо важен технико-экономический
эффект — оказалось возможным отказаться от дорогих легиро-
ванных сталей и использовать самую обычную дешевую сталь,
практически не имеющую в своем составе дорогих и дефицитных
присадок. Более того, многослойную трубу из дешевой стали
можно ставить в газопровод любого давления, ибо такая труба,
состоящая из многих слоев, может иметь любую требуемую тол-
щину стенки.
Употребляя термин «многослойный металл», необходимо внести
уточнение. Все дело в том, что в многослойном металле, а значит,
и в многослойной трубе существуют хоть и небольшие, но неиз-
бежные зазоры между соседними слоями. Эти зазоры как раз и
способствуют гашению трещин. Но, к сожалению, их наличие
далеко не всегда желательно, а иногда и просто недопустимо. Есть
много стальных деталей, изделий и целых конструкций, где нужен
многослойный металл, вовсе не имеющий зазоров, т. е. состоящий
из отдельных слоев, накрепко связанных между собой непосред-
ственно или через соответствующие прослойки. В первом случае
мы говорим гомогенный квазислоистый материал, во втором — ге-
терогенный.
Если положить друг на друга требуемое количество металличе-
ских листов, сжать их между собой, нагреть до требуемых темпера-
тур, а затем подвергнуть соответствующей деформации, то в
результате и будет получен тот самый как бы многослойный
Проблемы металлургии будущего
11
металл, отдельные слои которого навечно сцеплены друг с другом
без каких бы то ни было зазоров.
Проще всего пакет таких листов пропустить через прокатный
стан. Если стан предназначен для получения плоского проката,
получим квазимногослойный лист, который и был сокращенно
назван КСМ. Если же прокатать пакет на сортовом стане, получим
пруток, штангу и т. п., на трубопрокатном стане —трубу.
КСМ можно получить и без прокатного стана, скажем, на
кузнечно-прессовом оборудовании, например, придавив пакет на
прессе или подвергнув его штамповке. Можно, наконец, прибег-
нуть и к ковке, например на современной радиально-ковочной
машине.
Многослойный пакет (в общем виде многослойную заготовку)
можно подвергнуть и такой эффективной процедуре, как прессова-
ние в контейнере, или экструзия. Кроме того, есть и еще одно сред-
ство превращения многослойной заготовки в КСМ — энергия
взрыва.
Словом, все известные сегодня способы и средства горячего и
холодного деформирования вполне пригодны для получения КСМ.
Казалось бы, что во всем сказанном ничего принципиально
нового нет, ведь в мире давно известны различные способы произ-
водства биметалла (например, конструкционная или углеродная
сталь +нержавеющая сталь, сталь +титан, или сталь + алюминий и
т. д. и т. п.). Это действительно так, но принципиальное отличие
новых квазислоистых материалов состоит в том, что с помощью
различных совершенно новых приемов, описание которых заняло
бы слишком много места, впервые представилось возможным про-
граммировать не только степень сцепления отдельных слоев
металла друг с другом, но и топографию сцепления по поверхности
контакта этих слоев.
В основе всех этих приемов получения квазислоистых материа-
лов лежит обнаруженное с нашим участием в ИЭС им. Е. О. Па-
тона еще в начале 60-х гг. чрезвычайно интересное явление —
самопроизвольное вакуумирование зазоров между металличе-
скими листами и так называемая ювенилизация их поверхностей.
На основе этого явления была создана принципиально новая тех-
нология получения биметалла — автовакуумная сварка давлением
(АСД). Именно этот процесс АСД и широко используется теперь
для получения квазислоистых металлов.
Квазислоистые металлы интересны тем, что они могут быть
составлены из самых различных по химическому составу и свой-
ствам отдельных компонентов. В результате КСМ могут обладать
таким удивительным комплексом свойств, которые невозможно
реализовать в любом из известных сегодня конструкционных мате-
риалов.
Но как же быть с трещинами, для гашения которых, как мы
12
Б. Е. Патон, Б. И. Медовар
подчеркивали выше, желательна как раз не слитность, а разоб-
щенность отдельных составляющих многослойного металла? Ока-
залось, что в полном соответствии с теоретическими положениями
«стопорить» трещины можно и без зазоров. Все зависит от того,
как задумана и реализована конструкция КОМ. Но это — тема
отдельной статьи.
Казалось бы, в самой идее КСМ таится серьезное противоречие
со всем тем, что известно сегодня о работоспособности металли-
ческих материалов и самого распространенного из них — стали.
Дело в том, что по самой своей природе квазислоистый металл
анизотропен, а одно из главных требований, предъявляемых
сегодня к стали, особенно к толстому металлу в виде листа или
поковки, как раз противоположно —для толстого металла важна
изотропность различных свойств, и прежде всего прочностных, а
также свойств пластичности и вязкости.
Мы не собираемся выступать против таких требований, тем
более что сами причастны к этой серьезной проблеме. Более того,
Институт электросварки, в котором мы трудимся, интенсивно
развивает электрошлаковую технологию и, прежде всего, те ее
направления, которые непосредственно нацелены на получение
изотропного толстого листа, изотропных крупнотоннажных слит-
ков, отливок, заготовок”'. Но изотропность свойств металла нуж-
на, оказывается, далеко не всегда. Есть очень много интересней-
ших инженерных задач, при решении которых просто необходимо
иметь сталь с анизотропными свойствами. Это относится к ряду
сосудов давления, многим деталям машин и механизмов. Весь
вопрос в том, что анизотропия внутреннего строения металла, его
структуры и свойств должна превратиться из непредсказуемой и
неуправляемой характеристики металла в запрограммированную и
строго воспроизводимую от листа к листу, от заготовки к заго-
товке.
Лишь в этом случае проявятся все достоинства нового конст-
рукционного материала КСМ.
Анализ многих аварий, происшедших с машинами, механизма-
ми, аппаратами и сооружениями, говорит о том, что катастрофа
могла бы быть предотвращена, знай мы заранее фактическую сте-
пень анизотропии металлических материалов. Именно это застав-
ляло и заставляет инженеров и теперь добиваться максимальной
изотропности толстого металла в виде проката, поковок, отливок.
Мы убеждены, что следует заниматься поиском принципиально
новых средств обеспечения надежности конструкций, машин, соо-
ружений на путях создания металлических материалов с совер-
шенно новыми свойствами, в том числе и анизотропными. Среди
таких материалов займут достойное место квазислоистые.
* См. статью Б. Е. Патона и Б. И. Медовара «Электрошлаковые технологии» в
ежегоднике «Наука и человечество. 1981». — Ред.
Проблемы металлургии будущего
13
Новая технология позволяет нам получать комбинированные
квазимногослойные материалы, гомогенные и гетерогенные, с
наперед заданными высокими механическими свойствами, с напе-
ред заданной способностью противостоять развитию трещин, спо-
собные надежно работать в наперед заданных условиях. Важно,
что новая технология позволяет сознательно управлять строением
металлических материалов, создавать принципиально новые кон-
струкции машин, механизмов, сооружений.
Вопросы создания новых конструкционных материалов — это
хотя и важная, но всего лишь одна из проблем, стоящих перед
современной металлургией. Главное — все же получение метал-
ла. Как ни удивительно, но сегодня, будучи вооружены новейшей
металлургической техникой и наукой, в этом мы, по сути дела, лишь
повторяем те операции, которые тысячи лет назад делал наш
предок.
Археологи и историки утверждают, что человек научился полу-
чать железо с незапамятных времен. Не зная физико-химии метал-
лургических процессов, не помышляя о химической формуле же-
лезной руды, не имея никакого представления о самой природе
своего ремесла, наш пращур нагревал железную руду в костре и
превращал ее в материал для изготовления орудий труда и войны.
Почему в костре?
Он, наш предок, не мог объяснить этого, а мы твердо знаем:
процесс восстановления окислов железа носит эндотермический
характер, т. е. для его осуществления требуется теплота. Кроме
того, как всякий восстановительный процесс, он требует наличия
восстановителя.
В костре древних добытчиков железа было и тепло, и восстано-
витель — древесный уголь.
Уровень мастерства древнего сталеделателя был не очень
высок, и «костровая металлургия» давала не железо, а хрупкий
чугун, т. е. сплав железа и углерода. Позже чугун стали нагревать
в горне вместе с куском железной руды и превращать его в ковкий
металл, вполне пригодный для изготовления нужных человеку
вещей.
В процессе совместного нагрева чугуна и железной руды угле-
род чугуна, соединяясь с кислородом руды, превращался в углеки-
слый газ, и в горне древнего умельца оставалась сталь. Да, сталь,
а не железо, т. е. твердый раствор относительно небольшого коли-
чества углерода в железе.
Нам остается лишь преклоняться перед древними мастерами,
не владевшими теорией металлургических процессов, но умев-
шими ковать мечи из непревзойденной дамасской стали, готовить
удивительной вязи кольчуги, латы и шлемы. (К сожалению, наши
предки служили верой и правдой богу войны. А может быть, просто
история донесла до нас именно эти изделия рук человеческих?)
14
Б. Е. Патон, Б. И. Медовар
Прошли столетия, не стало «костровой металлургии», не стало
и пришедшей ей на смену в средние века «горновой металлургии».
Теперь в ходу технология, которую называют «ковшовая метал-
лургия».
Суть этой наиболее современной технологии состоит в том, что
в сталеплавильном агрегате (мартене, конвертере, электропечи)
из чугуна различными методами получают жидкую сталь — полу-
продукт. Доводку ее до кондиции (т. е. рафинирование от нежела-
тельных примесей, в том числе и вакуумное рафинирование, ввод
легирующих добавок) производят вне печи — непосредственно в
ковше. Отсюда и название — «ковшовая металлургия».
Главные ее достоинства — высокая производительность
(поскольку операции «доводки» стали вынесены за пределы
собственно сталеплавильного агрегата), а также более высокое
качество готового продукта по сравнению с так называемой клас-
сической металлургией.
Невольно приходит на ум мысль: а почему мы не отнимаем
кислород у железа, минуя превращение его в чугун? В общем-то,
такая технология есть, известен даже термин — «бездоменная
металлургия», но применяется эта технология в не очень широких
масштабах.
Речь идет о так называемом прямом восстановлении железа с
помощью твердых и газообразных реагентов. В первом случае —
это углеродсодержащие материалы, например, сажа, графит,
уголь. В качестве газообразных восстановителей используют при-
родный газ (его подвергают конверсии), водород. Технология есть,
но дорогу себе она пробивает не очень быстро, Во всем мире едва
ли более нескольких процентов общего количества производимой
стали получают методами бездоменной технологии.
В нашей стране, как и за рубежом, много занимаются прямым
восстановлением железа. До недавнего времени эту технологию
применяли преимущественно в производстве железного порошка.
Но уже строится на базе уникальных железных руд Курской
магнитной аномалии (КМА) электрометаллургический комбинат,
где вовсе не будет доменных печей, а восстановленный природ-
ным газом продукт, так называемые металлизованные окатыши,
будут превращать в сталь в электродуговых печах. Комбинат будет
давать немало стали, но вряд ли так скоро удастся полностью
«закрыть» доменную металлургию: слишком энергоемок процесс
«отнятия» атомов кислорода от атомов железа, слишком много
газа он требует. Хотя наша страна и богата запасами природного
газа, но запасы эти далеко не безграничны.
По причине недостатка энергоресурсов прямое восстановление
железа не находит применения в крупных масштабах ни в
Западной Европе, ни в США и Канаде, ни в Японии. Сжигать
природный газ для восстановления железа могут позволить себе
Проблемы металлургии будущего	15
лишь некоторые страны Ближнего Востока и Латинской Америки,
да и то с оглядкой.
Металлурги — ученые и практики во всем мире с надеждой
обращают свои взоры на атомную энергетику. В принципе атомные
установки можно использовать в металлургии. Однако при всей
несомненной перспективности использования атомной энергии
как источника тепла, столь необходимого для протекания эндотер-
мических реакций прямого восстановления железа из руды, энер-
гию атома еще не удается непосредственно «приложить» к желез-
ной руде. Иными словами, сегодняшняя «атомная металлургия»
еще не означает прямого воздействия атомной энергии На про-
цессы восстановления железа.
Вместе с тем атомная станция в самом недалеком будущем
сможет дать важный эффект — нагреть до требуемой темпера-
туры теплоноситель, например гелий. Это необходимо, но этого
еще недостаточно для превращения железной руды в железо,
нужен еще рабочий реагент, который должен быть нагрет указан-
ным теплоносителем. Таким рабочим реагентом может явиться, в
частности, водород, получаемый, например, в результате электро-
лиза воды. Именно так и предполагается поступить на одной из
строящихся в нашей стране АЭС: намечается использовать энер-
гию, выделяемую в атомном реакторе, для производства водорода.
Время покажет, насколько будет экономически оправдана такая
отнюдь не простая схема использования атомной энергии в черной
металлургии.
И все-таки главный недостаток нынешней схемы получения
железа и стали, т. е. нынешней доменной металлургии, заключа-
ется не в ее архаизме. В конце концов на Земле есть немало других
технологий, на протяжении многих веков не претерпевающих прин-
ципиальных изменений в самой своей природе.
Все дело в том, что нынешняя металлургия с каждым годом
становится все более и более грозным врагом человечества в силу
своей расточительности. Трудно найти столь же энергоемкое про-
изводство и такую отрасль промышленности, которая наносила бы
столь большой вред среде обитания человека своими выбросами
и отбросами. Для защиты природы от металлургии затрачиваются
огромные средства.'При сооружении новых заводов каждый чет-
вертый рубль расходуется именно на эти цели. Но еще больше
усилий и затрат требует защита от уже действующих старых до-
мен, мартенов, коксовых батарей.
По этой именно причине хотелось бы представить себе, какой
же может стать черная металлургия через полвека или через
столетие?
Вот одно из возможных, хотя и фантастических на первый
взгляд решений. Что, если элементарную химическую реакцию
восстановления окислов металлов лишить ее пирометаллургиче-
16	Б. Е. Патон, Б. И. Медовар
ского характера, т. е. заставить протекать ее в нормальных темпе-
ратурных условиях? Кто и что может изменить эти высокотемпера-
турные (более 1500°С) условия?
Ответ на этот вопрос может дать микробиология. Известно, что
разные бактерии по-разному относятся к кислороду. Одни из них
«любят» кислород, другие — не переносят его или просто не
нуждаются в нем. А что, если найдутся бактерии, способные в усло-
виях обычных температур «пожирать» кислород, прочно связан-
ный с металлом в соответствующие окислы? Нельзя ли тогда пере-
ложить на «плечи» этих бактерий задачу восстановления железа
или других металлов из их окислов, т. е. задачу прямого получения
металлов из руд?
К сожалению, сегодня природа не знает таких бактерий. Но
впечатляющие достижения новой науки — генной инженерии
позволяют думать, что идея создания (может быть, в не очень отда-
ленном будущем) бактериальной металлургии (и, в частности, бак-
териальной сварки — об этом в свое время мы уже писали) не так
уж и фантастична.
По-видимому, к результатам одной из разновидностей бак-
териальной, или биологической, металлургии относятся и железо-
марганцевые конкреции на дне океанов. Мы еще толком не пред-
ставляем себе механизм их образования. Сродни этим проблемам,
вероятно, и проблемы, связанные с удивительной способностью
ряда живых существ избирательно накапливать в своем организ-
ме те или иные металлы и их соединения.
Есть все основания предположить, что биометаллургии принад-
лежит будущее, что с ее помощью человечество получит неограни-
ченные возможности без ущерба для себя и окружающей природы
производить железо и другие металлы, а значит, и различные стали
и сплавы удивительной чистоты и высочайшего качества. Биоме-
таллургия не потребует огнеупорных материалов, флюсов и топли-
ва, полностью исчезнет вероятность загрязнения металлических
материалов вредными примесями (твердыми и газообразными), а
также неметаллическими включениями. Все это даст возможность
существенно повысить служебные свойства металлов, приблизить
их к тем уровням, о которых мы можем сегодня лишь мечтать на
основании испытаний миниатюрных образцов, созданных в лабо-
раторных условиях из сверхчистых исходных материалов.
Мы коснулись в статье лишь двух проблем.
Первая проблема, касающаяся получения принципиально
новых конструкционных материалов (квазислоистых), отнюдь не
относится к далекому будущему. Речь идет о технологиях самого
ближайшего будущего, технологиях, которые уже сегодня проби-
Проблемы металлургии будущего	17
вают себе дорогу в жизнь. Мы находимся еще в самом начале пути,
но пути весьма и весьма перспективного и многообещающего.
Пройдет не так уж много лет, и о квазислоистых металлических
материалах не придется говорить в будущем времени.
Решение второй проблемы на путях создания бактериальной
металлургии сегодня выглядит фантастикой. Хотелось бы все же
надеяться, что союз биологии и металлургии когда-нибудь действи-
тельно увенчается успехом, и человечество получит в свои руки
удивительные, сказочные по своим возможностям и перспективам
технологии.	_
КОНСТАНТИН ВАСИЛЬЕВИЧ ФРОЛОВ — специалист в
области исследования вибраций в машинах и биомеханики
систем «человек — машина», доктор технических наук, про-
фессор, член-корреспондент АН СССР, директор Государ-
ственного научно-исследовательского института машинове-
дения им. академика А. А. Благонравова АН СССР, заве-
дующий кафедрой теории механизмов МВТУ им. Н. Э. Бау-
мана, председатель Научного совета по теории машин и сис-
тем машин АН СССР, главный редактор журнала «Машино-
ведение»; награжден Большой золотой медалью им. А. Сто-
долы Словацкой Академии наук.
МАШИНОСТРОЕНИЕ:
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИКИ
И ТЕХНОЛОГИИ
Развитие научных исследований приводит к пересмотру тради-
ционных концепций и появлению новых отраслей науки и техники.
Эти новые направления, связанные с не укладывавшимися в при-
вычные понятия открытиями, оказываются олицетворением совре-
менного научного прогресса, и именно с ними связывают обычно
будущее науки в целом. Такая точка зрения в значительной степени
оправданна замечательными успехами в освоении космического
пространства и овладении новыми источниками энергии, достиже-
ниями электроники и вычислительной техники.
Вместе с тем нельзя забывать, что достигнутое стало возмож-
ным благодаря надежному фундаменту, заложенному всей исто-
рией развития тех областей науки, техники и технологии, которые
сегодня принято считать традиционными. К ним прежде всего еле-
Машиностроение: пути совершенствования техники и технологии
19
дует отнести машиностроение. Развитие сырьевой и энергетиче-
ской базы, производство машин, механизмов и приборов разнооб-
разного назначения, разработка новых средств транспорта и свя-
зи, создание вычислительных и управляющих комплексов — таков
диапазон машиностроения сегодня.
Современная научно-техническая революция была бы невоз-
можна без освобождения гигантской интеллектуальной энергии,
которое происходит далеко не в последнюю очередь благодаря
неуклонному росту энерговооруженности, степени механизации и
автоматизации производства. Избавление людей от тяжелого
физического труда, от выполнения однообразных, монотонных,
не требующих работы мысли производственных операций — вот
одна из основных целей машиностроения.
Большой вклад в решение этой гуманной задачи внесут робото-
технические системы. Родившееся на страницах научно-фантасти-
ческих произведений слово «робот» стало общепринятым научным
термином. Под роботом понимают высокоорганизованную техни-
ческую систему, способную не только выполнять разнообразные
операции, но и самостоятельно решать возникающие при этом
определенные комплексы логических задач.
Уже сейчас в промышленности многие виды робототехниче-
ских систем выполняют операции загрузки оборудования, скла-
дирования продукции, сборку простейших узлов. Как правило, эти
работы требуют специальной организации «среды обитания» по-
добных систем. Так, для робота, занятого на сборке, необходима
синхронизированная с его собственной программой подача стро-
го определенных деталей на загрузочную позицию с их точной
ориентацией в пространстве. Все это требует создания специаль-
ной оснастки, стоимость которой оказывается зачастую соизме-
рима со стоимостью робота, а сложность — приводит к суще-
ственному увеличению сроков переналадки оборудования при
переходе на новый вид продукции.
Таким образом, возникает противоречие между высокой уни-
версальностью промышленного робота и узкой специализацией
оснастки. Оно разрешается путем оснащения робота системой
восприятия и обработки информации о технологическом процессе,
о состоянии внешней среды, о свойствах и относительном распо-
ложении в пространстве объектов манипулирования. Собранная
информация используется затем в процессе реализации заданной
программы.
Подобный подход открывает широкие возможности автоматиза-
ции разнообразных операций, включая такие тонкие, как сварка
элементов сложной формы, сборка многокомпонентных узлов из
деталей. При этом робототехническая система выбирает нужные
детали из полного комплекта, поступающего на рабочую позицию,
регулирует транспортные потоки и т. д.
20
К. В. Фролов
В конечном счете именно такие системы окажутся звеньями,
связывающими отдельные технологические операции (начиная
подготовкой и загрузкой заготовок и кончая упаковкой готовой
продукции) в единую цепь полностью автоматизированного про-
изводства. Здесь, говоря об автоматизации производства, мы
имеем в виду не те узкоспециализированные машины-автоматы,
которые создаются для выпуска определенного вида продукции.
Речь идет о широком использовании универсального оборудова-
ния с числовым программным управлением, переналадка которо-
го сводится, по сути дела, к смене программы работы. Нормальное
безотказное функционирование такого производства возможно
лишь при условии организации многоуровневой системы управле-
ния, построенной на базе электронно-вычислительной техники.
Решение этих задач требует развития программного обеспече-
ния, конкретное содержание которого зависит в значительной сте-
пени от способа очувствления робота. Уже сейчас разрабатыва-
ются и усовершенствуются искусственные органы чувств, опреде-
ляется их разрешающая способность, создаются алгоритмы рас-
познавания формы, размеров и пространственной ориентации
предметов, попадающих в среду функционирования робота. Такие
работы проводятся и в Государственном научно-исследователь-
ском институте машиноведения АН СССР.
* * *
Появление новых прогрессивных технических идей и требова-
ние их скорейшей реализации приводят к быстрому моральному
старению выпускаемой продукции — машин, приборов, предметов
массового потребления. Возникает острая необходимость регу-
лярной смены продукции. Этому условию должны соответствовать
и принципы конструирования новых образцов, и принципы их тех-
нологического воспроизведения.
Современные технологические процессы построены так, чтобы
обеспечить формообразование отдельных деталей и их последу-
ющую сборку. Исторически сложившаяся традиционная техноло-
гия обработки заключается в съеме припусков материала различ-
ными способами. Именно таким путем наши далекие предки изго-
тавливали свои каменные орудия. Этот принцип преобладает и в
наши дни, изменилась лишь его техническая база. Экономичность
такого способа обработки в значительной степени зависит от вели-
чины припусков, и для их уменьшения используют различные
методы придания предварительной формы изделию путем литья,
ковки, штамповки или прессования. Этим, как правило, ограничи-
ваются технологические средства, имеющиеся в распоряжении
машиностроителей. Однако эти средства уже не отвечают потреб-
ностям сегодняшнего дня. Возрастание скоростей и нагрузок, не-
Машиностроение: пути совершенствования техники и технологии
21
обходимость повышения надежности и долговечности машин,
ужесточение требований к обеспечению безопасности обслужи-
вающего персонала выдвигают зачастую противоречивые требо-
вания к конструкциям машин, узлов и отдельных деталей —
требования, которые не могут быть удовлетворены в рамках при-
менения традиционных машиностроительных материалов и тра-
диционной технологии их обработки.
Приступая к созданию нового изделия, конструктор представ-
ляет себе некоторый идеал, некоторую оптимальную конструкцию,
все элементы которой обладают одинаковым ресурсом и наилуч-
шим образом отвечают своему функциональному назначению.
Вместе с тем при проектировании машины конструктор всегда
исходит из реальных возможностей, которые предоставляют ему
современная технология и средства ее реализации (существу-
ющее оборудование). Принимаемое в результате компромиссное
решение приводит к тому, что, с одной стороны, конструкция имеет
слабые звенья, а с другой, ряд ее элементов обладает завы-
шенным ресурсом. Поэтому чем шире арсенал технологических и
технических средств, тем больше соответствует созданная кон-
струкция идеалу ее создателя.
Одна из характерных особенностей машин высокого уровня —
широкое применение в их конструкциях новых материалов вместо
традиционных металлов и сплавов. Эти материалы, получившие
название композиционных, обладают рядом свойств, выгодно
отличающих их от металлов. Они в несколько раз прочнее и легче
металлов, а их структура обеспечивает необходимые свойства
изделия в заданном направлении, что позволяет конструктору
предусмотреть наиболее эффективное использование материала в
той или иной детали машины.
Технология изготовления деталей из композиционных материа-
лов также отличается от традиционной. Изделия создаются сразу
за одну-две операции: армирующие волокна укладываются в нуж-
ных направлениях, затем они пропитываются соответствующими
связующими веществами и, наконец, проводится опрессовка.
В результате получается монолитное изделие, производство кото-
рого не требует сложного оборудования, больших энергетических
затрат и легко поддается автоматизации.
Идея создания композиционных материалов подсказана самой
природой. Древесина, костные и мышечные ткани построены
именно по этому принципу и рационально сочетают в себе легкость
и высокую прочность, упругость и пластичность.
В машиностроении и строительстве успешно используются
такие композиционные материалы, как железобетон, текстолит,
стеклопластик и др. Основой композиционных материалов буду-
щего послужат разработки новых сверхпрочных и легких армиру-
ющих нитей и волокон графита, бора, сапфира, карбидов и
22
К. В. Фролов
нитридов легких элементов; их прочность при нормальных и осо-
бенно высоких температурах в 5—10 раз превысит прочность ста-
лей.
Преимущество и эффективность применения новых материалов
можно оценить, если ориентироваться на достижения уже сего-
дняшнего дня. Практика показывает, что изготовление из угле-
пластика (армированная углеродными волокнами эпоксидная
смола) рам, кузовов, дверей, картера, рессор, карданного вала и
других деталей легкового автомобиля снижает его вес на 40%,
повышает его прочность, противоударную стойкость и надеж-
ность. При этом существенно улучшаются эксплуатационные
качества автомобиля: уменьшается расход горючего, снижается
уровень шума и вибрации. Машина приобретает высокую анти-
коррозийность, возрастает срок службы. И все это при общем
снижении трудовых и энергетических затрат на изготовление.
Еще большего выигрыша можно ожидать от использования
композиционных материалов при создании крупногабаритных
конструкций. Так, огромные по площади антенны космической
связи, изготовленные из углепластика, способны сохранять
свою форму и точные размеры при значительных колебаниях
температуры окружающей среды.
Естественно, не следует думать, что новые композиционные
материалы в конечном итоге вытеснят металлы и их сплавы. Вер-
нее сказать: не вытеснят, а потеснят. Металлы еще долгие годы
останутся основным конструкционным материалом в машино-
строении. Однако быстрое изменение и все большее усложнение
задач, стоящих перед машиностроением, вызывают столь же
быстрое изменение потребностей в тех или иных материалах. Еще
совсем недавно ведущую роль среди конструкционных материа-
лов играли чугун и углеродистые стали. Сейчас основные мате-
риалы авиационной и космической техники — алюминиевые и ти-
тановые сплавы. Для развития химического машиностроения ну-
жен металл, стойкий в агрессивных средах. Для исследования дна
морей и океанов требуются аппараты, способные выдерживать
огромные давления и обладающие высокой антикоррозийностью.
Для ядерных энергетических установок (а в недалеком будущем и
для энергетических машин, работающих на основе термоядерного
синтеза) необходимы конструкционные материалы, способные
длительное время противостоять огромным переменным механи-
ческим нагрузкам в условиях сверхвысоких температур и повы-
шенной радиации.
Таким образом, в возрастающем общем объеме машиностро-
ительной продукции все большее место занимают изделия, изго-
товленные из специальных материалов, которые, как правило,
трудно поддаются обработке традиционными методами. Эти мето-
ды, требующие громоздкого и энергетически емкого оборудова-
Машиностроение: пути совершенствования техники и технологии
23
ния, оказываются неэффективными еще и потому, что в общей
стоимости изделия именно стоимость материала составляет
основную долю, т. е. целесообразно применять способы обра-
ботки с наиболее экономичным использованием дорогостоящих
материалов.
В этих целях инженеры и конструкторы разрабатывают новые
технологические процессы, основывающиеся на последних дости-
жениях науки.
В первую очередь речь идет о технологическом применении
лазерной техники. Сфокусированный луч лазера создает локали-
зованное в малой области сверхвысокое давление и температуру,
достаточную не только для плавления обрабатываемого материа-
ла, но и для его испарения. Существенное преимущество лазерной
технологии — относительная простота управления траекторией и
интенсивностью луча, его доставки в нужное место с помощью
системы зеркал.
Впервые в технологических целях лазеры были применены для
прошивания отверстия в алмазных фильерах, применяемых для
протяжки проволоки и синтетических волокон. Эту операцию ла-
зер выполняет за доли секунды. В дальнейшем мощные лазер-
ные лучи будут широко использоваться для раскроя листовых за-
готовок, сварки и плавки тугоплавких металлов.
Весьма перспективно использование в технологических целях
достижений физики плазмы. Плазменная технология будет широко
применяться для напыления материалов, что позволит создавать
монолитные изделия с наилучшими свойствами на отдельных
участках, существенно повысить надежность и долговечность
машин.
Управление скоростью и направлением потока плазмы, его
фокусирование с помощью электромагнитного поля предостав-
ляют принципиальную возможность получать сверхчистые мате-
риалы, обладающие уникальными механическими свойствами.
В то же время будет разработана плазменная металлургия получе-
ния сплавов с заданной структурой распределения компонентов.
Таким образом, плазменная технология позволит синтезировать
необходимые свойства изделий за счет определенной композиции
металлов, минералов и других веществ.
* fr *
Характер проблем, о которых говорилось выше, указывает на
ряд тенденций, свойственных новым технологическим процессам.
Первая из них — направленное создание определенного компле-
кса свойств изделия в процессе изготовления. Вторая заключается
в том, что новые технологические методы наиболее полно отве-
чают не только потребностям техники завтрашнего дня, но и
24
К. В. Фролов
основным принципам будущего производства, которое потребует
создания автоматизированных и в значительной мере автономных
модулей, позволяющих комплектовать разнообразные технологи-
ческие цепи изготовления изделий.
Можно назвать и еще одну тенденцию: она связана с попытками
локализовать энергию в узкой зоне непосредственного осуще-
ствления технологического процесса, по возможности ослабив
воздействие нагрузки на остальное оборудование. Первостепен-
ная важность такой локализации обусловлена тем, что многие
виды современного технологического оборудования находятся на
пределе своих возможностей. Это особенно четко видно на при-
мере металлургического оборудования. Так, проволока и прутки
небольшого диаметра получаются путем волочения — последова-
тельного обжатия заготовки при протягивании через ряд фильер с
постепенно уменьшающимся диаметром отверстия. Все усилие,
необходимое для обжатия, передается через проволоку, поэтому
скорость протягивания не может быть увеличена сверх определен-
ной, допускаемой прочностью проволоки, из-за опасности разры-
ва. Другой пример: современные прессы, рабочие усилия в кото-
рых достигают десятков тысяч тонн, представляют собой чрезвы-
чайно сложные и громоздкие сооружения вследствие того, что эти
усилия, воздействуя на рабочий орган, замыкаются затем через
всю конструкцию, включая приводные устройства, несущие эле-
менты станины и направляющие.
Прогресс в подобного рода технологических процессах будет
достигнут в результате применения вибрационной и ультразвуко-
вой технологий, традиционно разрабатываемых в нашем институ-
те. Если рабочему органу, взаимодействующему с обрабатыва-
емым изделием или средой, сообщаются высокочастотные колеба-
ния, то в узкой зоне контактирования развиваются большие уси-
лия, достаточные для пластического деформирования материала
изделия. В результате в рабочей области возникают многократно
повторяющиеся с частотой сообщаемой вибрации микродеформа-
ции, накопление которых и приводит к выполнению технологиче-
ской операции. Чем выше частота вибрации, тем интенсивнее про-
текает технологический процесс. Одновременно возрастает и
удельная мощность возбудителей вибрации. Этим и объясняется
эффективность использования вибрации с ультразвуковыми
частотами, составляющими десятки и сотни колебаний в секунду.
Необходимые для поддержания процесса статические нагрузки
здесь оказываются несоизмеримо меньше усилий, развиваемых в
рабочей зоне. Происходит своеобразное перераспределение
сил — большая технологическая нагрузка локализуется и воспри-
нимается колеблющимся рабочим органом, а все остальное обору-
дование в значительной мере разгружается. Таким образом, появ-
ляется возможность существенно интенсифицировать технологи-
Машиностроение: пути совершенствования техники и технологии
25
ческие процессы, связанные с пластическим деформированием
материалов (волочение проволоки, штамповка и прессование
изделий и т. д.).
Сегодня вибрационная техника широко применяется в промыш-
ленности и строительстве. Это и машины для уплотнения бетонных
смесей, и разнообразные вибрационные транспортеры для сыпу-
чих грузов и штучных изделий, и установки для погружения свай в
грунт, и многочисленные виды ручного строительно-монтажного
инструмента. Еще более возрастает роль и значение вибрационной
техники в будущем.
В качестве примера можно взять добычу нефти и газа, которая
требует освоение все более глубинных пластов их залегания. При
бурении сверхглубоких скважин приходится преодолевать огром-
ное сопротивление, создаваемое грунтом на боковой поверхности
погружаемого трубопровода и превосходящее прочностные воз-
можности его материала. На помощь придет опять-таки вибрация.
Сообщаемая трубопроводу, она не только уменьшает величину
сопротивления, но и изменяет его характер: оно становится анало-
гичным сопротивлению вязкой жидкости, и для его преодоления
требуются гораздо меньшие усилия.
Похожая ситуация складывается и в горнорудной промышлен-
ности, где перерабатываются все более бедные полезными мине-
ралами породы. Выручит снова вибрация, которая поможет
построить эффективные методы их обогащения. При освоении
месторождений, отдаленных от районов интенсивного использова-
ния ископаемых, наиболее экономичным способом доставки сырья
становится трубопроводный транспорт. Используя принципы
вибрационного транспортирования, можно создать своеобразные
насосы без трущихся частей, которые будут осуществлять пере-
качку не только жидких, но и многофазных сред, содержащих
твердые включения.
Мы уже упоминали об ультразвуковых системах, занимающих
особое место среди прочих вибрационных машин и процессов.
Ультразвуковые системы, позволяющие наиболее экономично
решать практически все перечисленные выше задачи, обладают
рядом других им одним присущих свойств, обусловленных высокой
направленностью ультразвукового излучения, возможностью его
фокусирования и большой проникающей способностью. Изменяя
интенсивность и спектральный состав ультразвукового поля,
можно производить направленное воздействие на тонкие внутрен-
ние структуры материала, определяющие такие его механические
свойства, как прочность и пластичность.
Жизнь большинства металлов и сплавов начинается после
металлургического получения слитков или отливок будущих изде-
лий. Дальнейшая судьба металла зависит, главным образом, от
микро- и макроструктуры материала. Металл затвердевает, но и
26
К. В. Фролов
после этого продолжается медленная перестройка его структуры
под действием внутренних напряжений; они порождаются неодно-
родностью распределения примесей, неправильной стыковкой
отдельных кристаллов и другими дефектами, образовавшимися
при затвердевании. Этот процесс стабилизации, называемый есте-
ственным старением, в крупных отливках продолжается в течение
нескольких лет, изменяя размеры, форму и напряженное состо-
яние изделия. При обработке металла ультразвуком в процессе
кристаллизации такая стабилизация внутренней структуры, а сле-
довательно, и свойств металла происходит сразу при затвердева-
нии отливки. При этом измельчаются микро- и макрозерна, умень-
шается степень неоднородности распределения включений по
всему объему материала. Вследствие структурных изменений
улучшаются и механические свойства металла — повышается его
прочность и пластичность.
Воздействие ультразвуковыми полями позволяет направленно
управлять механическими свойствами материалов, находящихся в
твердом состоянии. Так, в недалеком будущем появится возмож-
ность разупрочнения металла перед или в процессе механической
обработки и последующего упрочнения готовой детали; причем,
создавая определенную концентрацию ультразвукового поля в
необходимых местах, можно будет получать наилучшее сочетание
свойств отдельных участков изделия.
Таким образом, ультразвуковая технология — один из путей
мобилизации внутренних ресурсов металлов. Перспективность
этого направления становится очевидной, если учесть, что теоре-
тически достижимый предел прочности металлов почти в 100 раз
превосходит реальный, наблюдаемый в эксперименте предел теку-
чести — нагрузку, при которой начинается необратимая пластиче-
ская деформация. Это означает, что даже в лучших образцах
создаваемых сейчас конструкций используется лишь незначитель-
ная доля огромного ресурса, которым в принципе располагают
металлы. Свидетельством сильного влияния ультразвука на меха-
нические свойства материалов служит тот факт, что его примене-
ние при обработке давлением не только увеличивает скорость про-
цесса, но и улучшает качество поверхности, приводит к упрочне-
нию материала, а также позволяет производить пластическое
деформирование материалов, которые в обычных условиях явля-
ются хрупкими и разрушаются без заметных остаточных деформа-
ций.
Ультразвуковая технология открывает возможности широкого
использования в технике материалов, не поддающихся обработке
традиционными методами. Ультразвуковая обработка твердых
сплавов, алмазов, керамики, полупроводниковых материалов и
т. д. происходит при непосредственном ударном взаимодействии
колеблющегося с ультразвуковой частотой инструмента по части-
Машиностроение: пути совершенствования техники и технологии
27
цам абразива, оседающим на поверхности изделия. Весьма пер-
спективно использование ультразвука для холодной сварки, позво-
ляющей производить надежное диффузионное соединение разно-
родных материалов, сваривать металлические элементы микро-
электроники, а также пластмассы, полимерные пленки и синтети-
ческие ткани.
Одним из центральных в машиностроении, имеющих значитель-
ные традиции и перспективы, естественно, остается вопрос об
обеспечении прочности и ресурса машин. Достижения в области
механики деформируемых сред, экспериментальной механики,
металлофизики, технологии, механики композитов — это тот фун-
дамент, на основе которого возможно решение ряда актуальных
задач в этой области. Среди них помимо расчетно-проектировоч-
ных работ по оценке напряженно-деформированных и предельных
состояний, модельных и натурных исследований в различных сре-
дах (при высоких и криогенных температурах, в магнитных полях,
при радиации), определения остаточного ресурса индивидуальных
машин (текущий контроль истории нагружения, осуществляемый
бортовыми системами, ЭВМ, анализ состояния), разработки крите-
риальных подходов к ресурсу с учетом реальных условий эксплу-
атации важное место займут создание и применение методов
упрочнения (обработка типа магнитно-импульсной, взрывной,
ультразвуковой, электрофизической, лазерной, алмазной, плаз-
менно-пушечной, плакирование, армирование и т. д.).
*	з*- if-
Общий уровень развития техники, принципы проектирования и
построения технологических процессов неразрывно связаны с
проблемами, возникающими из-за непрерывно возрастающего
влияния деятельности человека на среду его обитания. Результаты
этой деятельности породили угрозу истощения жизненно важных
природных ресурсов и в первую очередь основных источников
энергии —запасов угля, нефти и природного газа. Наши надежды
в этой области связаны с дальнейшим развитием атомной энерге-
тики, а затем и с возможностью осуществления управляемого тер-
моядерного синтеза. Мы не можем указать точные сроки получе-
ния термоядерной энергии, но уже сегодня необходимо думать о
том, каким образом мы распорядимся ею, например, в транспорт-
ных средствах будущего. Пока же основными видами топлива оста-
ются нефтепродукты и природный газ, а главными машиностро-
ительными материалами — металлы. Именно поэтому следует
разрабатывать и применять лишь самые прогрессивные, наиболее
экономичные конструкции, обладающие наименьшей металлоем-
костью. Этому, в частности, уделено большое внимание в поста-
новлении ЦК КПСС о работе Министерств металлургии, машино-
28
К. В. Фролов
строения и строительства по повышению качества металлопродук-
ции, эффективному использованию металла на основе внедрения
малоотходной технологии в свете требований ноябрьского
(1979 г.) Пленума ЦК КПСС.
К сожалению, далеко не все образцы машиностроительной про-
дукции отвечают этим требованиям, хотя многие из них соответ-
ствуют так называемым мировым стандартам. Понятно, что каждая
лишняя тонна веса транспортного средства — это не просто пере-
расход металла, трудовых и энергетических ресурсов на изготов-
ление, это в конечном итоге лишний мертвый груз и дополни-
тельные эксплуатационные издержки, связанные с повышенными
непроизводительными нагрузками, с нерациональным расходом
топлива, ухудшением управляемости и быстроходности.
Повышенную металлоемкость конструкции оправдывают, как
правило, необходимостью обеспечения требуемой прочности, дол-
говечности и надежности. Однако такой путь — свидетельство
низкой инженерной культуры.
Будущее принадлежит лишь тем конструкциям, в которых необ-
ходимая прочность достигается при минимальной материалоемко-
сти за счет применения современных методов расчета, поиска ори-
гинальных конструктивных решений, создания оптимальных форм
деталей, применения соответствующих материалов и передовой
технологии изготовления.
Вот простой пример. В прецизионных станках и приборах часто
необходимо обеспечить равномерность вращения какого-либо
элемента, например стола или планшайбы. Традиционный способ
решения этой задачи — создание тяжелого инерционного стола,
рабочая скорость которого окажется нечувствительной к измене-
нию технологической нагрузки и сил сопротивления движению.
Такое решение сразу диктует всю конструкцию машины: вид опор,
способных выдержать большой вес стола, мощность приводного
двигателя, достаточную для преодоления не только полезной тех-
нологической нагрузки, но и повышенного трения в опорах, а также
больших инерционных нагрузок (они возникают в переходных
режимах разгона и торможения). Износ тяжело нагруженных тру-
щихся частей приводит в процессе эксплуатации к потере точности
устройства и определяет в конечном итоге его ресурс.
При другом способе решения той же задачи создается пре-
дельно легкий стол, а его постоянная скорость поддерживается
электронной системой управления электродвигателем. В этом
случае можно использовать и принципиально другие типы опор.
Так, опоры на газовой смазке, не подвергаясь большим внешним
нагрузкам, многократно снижают сопротивление движению, обес-
печивают высокую точность и плавность перемещения, способны
работать в широком диапазоне температур и практически не изна-
шиваются. Такие опоры, разработка которых ведется в нашем
Машиностроение: пути совершенствования техники и технологии
29
институте, особенно эффективны в тех случаях, когда необходимо
добиться высоких рабочих параметров машины по скорости, точ-
ности, долговечности, чувствительности и быстродействию
системы регулирования. Конечно, такой путь требует высокой
культуры проектирования, расчета, изготовления и эксплуатации
машины, но именно он в недалеком будущем окажется един-
ственно приемлемым.
Аналогичные ситуации возникают в любой области машино-
строения. Мы уже видели, какие перспективы открывает использо-
вание вибрационной и ультразвуковой технологии. Реализация
этих возможностей в конкретной технологической машине зависит
от принципов, положенных в основу ее проектирования.
Возьмем, например, вибрационные машины, предназначенные
для разрушения или пластического деформирования обрабатыва-
емой среды. В них наиболее эффективны высокочастотные
виброударные режимы работы. Это связано с тем, что использова-
ние эффекта ударного взаимодействия позволяет простыми сред-
ствами получить максимальные усилия в рабочей зоне. В ультра-
звуковых технологических машинах для резания труднообрабаты-
ваемых материалов и поверхностного упрочнения такие взаимо-
действия следуют с частотой в несколько десятков тысяч ударов в
секунду. Для получения наибольшей интенсивности процесса стре-
мятся обеспечить резонансную настройку машины, при которой на
определенных частотах амплитуда колебаний достигает макси-
мальных величин. Потребляемая машиной мощность определяется
затратами энергии на проведение технологического процесса и
неизбежными потерями в самой вибрационной машине. Чем
меньше потери, тем более высоким КПД обладает машина, но при
этом она оказывается очень чувствительной к технологической
нагрузке, малое изменение которой вызывает расстройку и резко
снижает интенсивность процесса. Поэтому в современных вибра-
ционных и ультразвуковых машинах зачастую предпочитают рабо-
тать вдали от резонансной частоты или искусственно загрубляют
колебательную систему, вводя такие внутренние сопротивления,
при которых система оказывается нечувствительной к технологи-
ческой нагрузке. Так, в ультразвуковых станках лишь 1—2% всей
затрачиваемой энергии идет на осуществление технологического
процесса, остальное — бесполезные и безвозвратные потери вну-
три самой машины.
Таким образом, здесь, по существу, не используется резонанс-
ный принцип настройки колебательной системы. Вместе с тем уче-
ными нашего института показано, что автоматическое управление
резонансной настройкой высокодобротных, обладающих очень
малыми собственными потерями колебательных систем позволит в
ближайшем будущем на порядок, в 10—20 раз, увеличить произво-
дительность ультразвуковых технологических машин при одновре-
30
К. В. Фролов
менном снижении потребляемой мощности и металлоемкости кон-
струкций. С этой целью создаются принципиально новые способы
и средства автоматического управления резонансными вибра-
ционными и виброударными процессами.
❖ * *
Создание высокопроизводительных машин и скоростных тран-
спортных средств, резко отличающихся по рабочим характеристи-
кам (мощность, нагрузки и т. д.) от своих предшественников,
выдвигает, как уже подчеркивалось, ряд специфических, зачастую
противоречивых требований к конструкциям, которые должны быть
максимально учтены на стадии проектирования. Конструктору
необходимо выбрать основной принцип и схему построения маши-
ны, учесть наличие и свойства применяемых материалов, обеспе-
чить их наилучшее распределение в конструкции, предусмотрев
технологические возможности производства и т. д. При этом кон-
структор стремится предвидеть всю последующую судьбу кон-
струкции с возможными экстремальными ситуациями, которые
могут возникнуть в процессе эксплуатации. Для отыскания наилуч-
шего решения необходимо рассматривать большое количество
вариантов, число которых увеличивается с усложнением конструк-
ции, с расширением арсенала средств, находящихся в распоряже-
нии конструктора. Поэтому сейчас принципиально меняется сам
процесс проектирования, который строится на основе широкого
применения электронно-вычислительной техники. Проектирование
должно стать, по сути дела, диалогом между конструктором и ЭВМ.
Только ЭВМ с ее огромной памятью и быстродействием может
обобщить разноречивые требования, перебрать возможные
варианты и выбрать из них наилучшие. С помощью ЭВМ конструк-
тор может затем «проиграть» разнообразные эксплуатационные
ситуации. Оценив таким образом общий ресурс будущей машины и
выявивееслабыезвенья, он можеттутже внести необходимые изме-
нения, пользуясь постоянными советами ЭВМ.Послеокончательной
отработки конструкции ЭВМ отпечатает рабочие чертежи деталей
и выдаст программы их изготовления. При разработке универ-
сальных алгоритмов и программ машинного проектирования легко
учитываются и экономические факторы, которые в большинстве
случаев играют решающую роль при создании нового изделия.
И наконец, существенное значение должны приобрести эколо-
гические показатели новой техники и технологии. Угроза отравле-
ния среды обитания человека выхлопными газами, сточными вода-
ми, вредными отходами и выбросами многих производств застав-
ляет задумываться о создании «экологически чистой» техники. Эти
вопросы широко обсуждаются, и мы не будем на них останавли-
ваться. Хотелось бы только обратить внимание на важный, в том
Машиностроение: пути совершенствования техники и технологии
31
числе и с экологической точки зрения, фактор, который неизбежно
сопутствует современным техническим средствам с их форсиро-
ванными скоростями и нагрузками. Речь идет о непрерывном уве-
личении интенсивности и расширении спектра вибрационных и
виброакустических полей. Этому способствует, в частности, и
широкое использование в промышленности и строительстве высо-
коэффективных вибрационных и виброударных процессов. Разру-
шительная сила вибрации и ударов общеизвестна. Наибольшее
число неисправностей, поломок и аварий машин вызывается не
статическими, а именно динамическими нагрузками вследствие
вибрации и ударов. Вредная вибрация нарушает планируемые кон-
структором законы движения машин и механизмов, вызывает
отказы систем управления. Из-за вибрации снижается несущая
способность деталей, развиваются микротрещины и возникают
усталостные разрушения материалов, изменяются условия трения
и износа контактных поверхностей деталей машин. Вибрация ока-
зывает и непосредственное влияние на человека. Ее длительное
воздействие вызывает необратимые изменения в мышечных и
костных тканях, приводит к поражению отдельных систем организ-
ма: сердечно-сосудистой, нервной и др. В условиях повышенной
вибрации и шума снижаются общие функциональные возможности
и работоспособность, меняются реакции и порог чувствительности
организма.
Все это необходимо учитывать при разработке новой техники, и
здесь уже получены существенные результаты. Новые технологи-
ческие процессы, средства их полной автоматизации должны отве-
чать самым высоким требованиям экологической чистоты. Защита
человека от всех видов побочных вредных воздействий — одна из
основных задач при создании машин будущего.
I
НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ ЕНИКОЛОПОВ — физико-химик, академик, лауреат Ле-
нинской премии, заведующий Сектором полимеров и композиционных материалов
Института химической физики АН СССР. Основная область исследований — кине-
тика и синтез полимерных материалов, свойства полимерных композиционных мате-
риалов.
СТАНИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ ВОЛЬФСОН — химик, доктор химических наук,
старший научный сотрудник того же института. Научные работы посвящены техно-
логии синтеза полимерных материалов.
ПОЛИМЕРНЫЕ
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Термин «композиционные материалы» применим к огромному
количеству разнообразных неорганических и органических
систем, имеющих сложную структуру, обладающих изотропными
или анизотропными свойствами и используемых для создания
различных конструкций и изделий.
Среди природных материалов подобного типа человечество с
древнейших времен использует дерево и другие продукты расти-
тельного происхождения, кости животных. Это примеры материа-
лов с анизотропными свойствами, содержащих биополимерные
компоненты. Значительно шире распространены изотропные
неорганические композиты, к числу которых относятся сталь,
чугун, бетон и многие другие.
История человечества тесно связана с развитием технологии
конструкционных материалов. Уже обжиг глины и изготовление
кирпичей были важнейшими вехами на этом пути. Еще в Древнем
Полимерные композиционные материалы
33
Египте открыли способ армирования глиняных кирпичей соломой,
т. е. научились создавать первые полимерные композиты.
Одним из достижений XX века следует признать широкое испо-
льзование синтетических полимеров. С самого начала при получе-
нии полимерных материалов их стали смешивать с различными
минеральными и органическими наполнителями, превращая в ком-
позиты. Сначала это делали для экономии дорогих еще тогда поли-
меров. Потом открытие упрочнения резины сажей дало толчок
новому направлению: поиску компонентов, способных упрочнять
полимеры.
Большое техническое значение приобрели полимерные компо-
зиты, армированные стеклянными волокнами, — стеклопластики.
В этих материалах полимерами, выполняющими роль связующего,
были термореактивные смолы, образующие пространственную
сетчатую структуру. Наилучшие прочностные показатели компози-
там обеспечивали эпоксидные смолы, но наибольшее развитие
получили более дешевые полиэфирные и фенолформальдегидные
смолы.
Армирование полимеров — одно из важных направлений
научного и технического прогресса в этой области наряду с
выбором или созданием новых связующих материалов.
Стеклянные волокна, используемые для армирования полиме-
ров, имеют широкую сырьевую базу, но до сих пор они дороже, чем
массовые пластмассы. Присущи им и некоторые недостатки: высо-
кая (по сравнению с полимерами) плотность, хрупкость. Но
запросы конструкторов непрерывно растут, и уже с начала 60-х
годов в лабораториях крупнейших фирм начали испытывать другие
армирующие материалы: металлические волокна, волокна на
основе окислов алюминия, рутила, органические и угольные волок-
на, нитевидные монокристаллы.
Новое поколение полимерных композиционных материалов
завладело мировыми рекордами удельной (т. е. отнесенной к еди-
нице массы) прочности, жесткости. Анизотропность этих материа-
лов позволяет конструировать из них изделия так, что они
наилучшим способом воспринимают заданные нагрузки. Среди
новых материалов есть такие, что могут успешно работать при
космическом холоде и до температур 400°С. Есть самозатуха-
ющие и негорючие, есть хорошие диэлектрики и проводники, есть
прозрачные для радиоволн и способные поглощать различные
виды излучений.
Созданы основы расчетных методов, позволяющих для каждого
конкретного изделия рассчитать его оптимальную конфигурацию,
выбрать тип армирующих волокон, связующего, определить их
объемное содержание, рассчитать упаковку и ориентацию воло-
кон, температурные режимы образования полимерной сетки. Дру-
гими словами, заложен фундамент для технической революции в
34
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
области полимерных композитов. Что сдерживает быстрые темпы
развития новых армированных пластиков? Придут ли они на смену
стеклопластикам или для них найдутся новые области примене-
ния? Мы еще вернемся к этим вопросам. А пока обратимся к связу-
ющим материалам.
Композиты на основе сетчатых полимеров обладают уникаль-
ной особенностью: они существуют в виде конкретных изделий и
образуются при изготовлении изделия. Их свойства в значительной
степени зависят от особенностей технологического процесса фор-
мирования конкретного изделия. Получается, что создание изде-
лия, технология армирования и технология отверждения полимер-
ной смолы сливаются в единый неразрывный процесс. Характер-
ные особенности композитов этого типа — большая длитель-
ность процесса получения изделия, низкие модули упругости по
сравнению с металлами, высокая прочность на растяжение при
относительно низкой прочности на сжатие. Эти специфические
свойства, очевидно, должны ограничивать возможности использо-
вания армированных полимерных композитов определенными
областями применения.
Около 30 лет назад термореактивные смолы уступили первен-
ство в мировом производстве пластмасс линейным полимерам —
термопластам. В основе этого переворота лежат экономические
факторы — значительно большая производительность процессов
переработки термопластов в изделия методами литья под давле-
нием и экструзии по сравнению с переработкой термореактивных
смол (реактопластов).
Термопласты уступают сетчатым полимерам по жесткости,
прочности, обладают значительно большей ползучестью и, каза-
лось бы, не должны конкурировать с реактопластами как кон-
струкционные материалы.
Однако во всех областях техники условия эксплуатации изде-
лий — деталей машин и механизмов, труб, емкостей и многих
других — оказались вполне приемлемы для термопластов, выпу-
скаемых в крупных масштабах: полиэтиленов, полипропилена,
полистиролов и поливинилхлорида. Были разработаны термопла-
стичные материалы с повышенной механической прочностью:
полиамиды, поликарбонат, полиформальдегид, полибутилтерефта-
лат и др.
Из общих соображений следует, что если в пластичный мате-
риал вводить жесткие элементы, то этим будет достигаться упро-
чнение композиции в целом. Очевидно, что термопластичные мате-
риалы тоже можно превращать в композиты. Исследовательские
работы по созданию подобных композитов стали широко прово-
диться с середины 50-х годов. Сейчас это целое направление в
полимерном материаловедении. Кроме того, так как недостаточно
изучено поведение наполненных материалов, были и остаются
Полимерные композиционные материалы
35
сомнения относительно их долговременной прочности и ползуче-
сти.
Пока мы можем отметить, что в последние годы стало быстро
расти производство термопластов, наполненных короткими сте-
клянными волокнами. Широкие испытания прошли армированный
полипропилен, полиамиды, полиформальдегид, полибутиленте-
рефталат. Оптимистические прогнозы существуют по поводу
развития производства дисперснонаполненных термопластов, а
также комбинированных систем, включающих различные типы
наполнителей и связующих.
Еще 10—15 лет назад специалистов различных областей народ-
ного хозяйства приходилось уговаривать: возьмите пластмассы,
попробуйте заменить ими сталь, сплавы, дерево, керамику/Теперь
убеждать никого не нужно. Хотя объемы производства пластмасс
в нашей стране за этот период возросли в несколько раз, все типы
пластиков оказались дефицитны. Народное хозяйство оценило
преимущества, характерные для синтетических полимеров: лег-
кость, коррозийную стойкость, пластичность, высокую эффек-
тивность методов переработки.
Потребности в пластмассах значительно опережают возможно-
сти роста их производства. В некоторых областях народного хозяй-
ства, например, в сельском хозяйстве, производстве труб, товаров
широкого потребления, строительстве, увеличение ресурса
пластмасс крайне необходимо для решения поставленных задач.
Основной источник сырья для получения пластиков — нефть.
Ограниченность ресурса нефти заставляет ученых задумываться
над поиском новых видов органического сырья для синтеза поли-
меров. Необходимо повысить эффективность переработки
нефти *. Сейчас на нужды химической промышленности идет
всего около 5% перерабатываемой нефти. Но и общее содержание
фракций, пригодных для химической переработки, невелико, всего
около 10%. При этом увеличение глубины переработки влечет за
собой огромные дополнительные капитальные вложения. Другие
два ископаемых топлива — уголь и газ пока еще недостаточно
используются для нужд химической промышленности.
Еще полным ходом в нашей промышленности «работает»
лозунг: заменим растительное сырье на синтетическое, на
продукты нефтехимии. А уже пора задуматься над тем, что расти-
тельное сырье возобновляется в природе, в то время как ископа-
емое расходуется безвозвратно. Во многих странах уже ведутся
работы по переводу химической промышленности на растительное
сырье.
Еще один парадокс связан с проблемой утилизации отходов.
Сжигание, т. е. окисление в углекислый газ и воду органических
* См. в этом же томе ежегодника статью А. Н. Башкирова и Г. А. Клигера
« Искусствен ное жидкое топливо». — Pei).
36
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
веществ, больше нельзя считать универсальным способом их ути-
лизации.
В одном из прогнозов развития производства пластмасс, опу-
бликованном в начале 70-х годов, утверждалось, что в 1980 г. будет
произведено 1,0 млн. тонн биоразлагаемой полимерной пленки.
Реальность полностью противоречит этому прогнозу. Разложение
полимерных материалов больше не является актуальной задачей.
Нужно научиться их многократно использовать, создав экономич-
ные процессы утилизации.
Специалисты единодушны в том, что до конца XX века не пред-
видится коренной ломки сложившейся структуры производства
пластиков, поэтому они экстраполируют на будущее сложившуюся
конъюнктуру:
1. Значительное преимущество в выпуске термопластов над
реактопластами сохранится (сейчас соотношение около 80:20).
Основу производства термопластов составят: полиолефины, сопо-
лимеры стирола, поливинилхлорид (ПВХ).
2. 15—20 основных полимерных материалов, включая ненасы-
щенные полиэфиры, эпоксидные, фенолформальдегидные смо-
лы, полиуретаны, полиамиды, полиакрилаты и др., в обозримом
будущем останутся в ассортименте производства.
Как компенсировать дефицит органического сырья для про-
мышленности пластмасс в будущем? Одно из возможных направ-
лений — широкое использование высоконаполненных неоргани-
ческими компонентами полимерных композитов.
Наполненные полимеры
Мы уже упоминали, что на заре развития полимерной индустрии
для экономии полимерного материала в пластики пытались вво-
дить различные наполнители. Так появились композиции для
прессования на основе фенолформальдегидных и других смол,
минеральных и органических (древесная мука, опилки) наполни-
телей.
В дальнейшем центр тяжести исследований по составлению
композиций переместился в область модифицирования свойств
материалов. В настоящее время огромное большинство компо-
зиций на основе термореактивных смол содержит один или не-
сколько наполнителей. Число последних, используемых в про-
мышленности пластмасс, приближается к 100. Однако научные
обзоры по наполненным пластикам чем-то напоминают тексты ал-
химиков. Рекомендации по выбору наполнителя в каждом кон-
кретном случае носят качественный характер и целиком осно-
ваны на эмпирическом опыте.
Вы открываете научный обзор и читаете:
Полимерные композиционные материалы
37
Тальк — повышает ударную прочность и регулирует текучесть рас-
плава.
Слюда — повышает твердость и жесткость, улучшает формоустой-
чивость изделий.
Волластонит — уменьшает влагопоглощение, улучшает электриче-
ские и термические свойства.
Измельченная скорлупа орехов — улучшает текучесть, глянце-
витость поверхности, уменьшает влагопоглощение.
Мел — улучшает глянцевитость поверхности, уменьшает усадку
при литье.
Для термопластичных полимеров рекомендутся те же самые
наполнители, но используются они пока в небольших количествах.
Исключение составляют некоторые отдельные области примене-
ния, например, линолеум — композиция на основе ПВХ и мела,
прессовочные композиции из полиэтилена и каолина и некоторые
другие. Между тем существуют предпосылки для значительно
более широкого использования дешевых наполнителей, таких,
как минеральное сырье, отходы промышленности и сельского
хозяйства.
Цены на наполнители растут значительно медленнее, чем на
органические полимеры. Запасы многих из них очень велики или
возобновляются в природе. Что же задерживает в настоящее
время их широкое использование для наполнения термопластов?
Твердые наполнители термодинамически несовместимы с поли-
мерным связующим. При тепловых и механических воздействиях
на композит граница раздела фаз оказывается наиболее уязвимым
местом. Здесь концентрируются напряжения, отсюда начинается
разрушение материала. Большинство минеральных наполнителей
обладает высокой поверхностной энергией, полимеры — низ-
кой.
Для улучшения взаимодействия двух фаз наполнители обра-
батывают поверхностно-активными веществами. Другой способ
основан на повышении органофильности поверхности наполни-
телей за счет обработки их специальными так называемыми ап-
претирующими составами.
В идеале исследователи стремятся добиться химической при-
вивки полимерных макромолекул к поверхности наполнителя.
Однако роль физических и химических связей между поверхно-
стью наполнителя и полимера пока окончательно не ясна. Большое
число связей будет снижать* подвижность макромолекул в гранич-
ном слое. Это может отрицательно сказаться на реологических
(вязко-текучих) характеристиках термопластичных композитов.
Следует ожидать, что в ближайшие годы вопросы взаимодей-
ствия наполителей с полимерными матрицами будут количе-
ственно изучены. Внимание ученых будет также сконцентрировано
на вопросах изучения формы, структуры, свойствах поверхности
38
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
потенциальных наполнителей. Некоторые данные имеются в рас-
поряжении технологов уже сейчас, но они требуют уточнений.
Практические достижения почти всегда в прошлом и все еще в
настоящем часто опережают теоретические расчеты. Проблема
наполненных полимеров, в которой тесно переплетаются интересы
физиков, механиков, химиков и технологов, относится к их числу.
Интенсивные эксперименты в области создания высоконапол-
ненных термопластов ведутся во многих странах. Опытные и
опытно-промышленные партии таких материалов широко реклами-
руются и поступают на рынок. Новые полимерные материалы все-
гда проходят длительные испытания, прежде чем завоевывают
признание потребителей. Это в полной мере относится и к наполне-
нным термопластам. Пока признание завоевали только материалы,
усиленные короткими стеклянными волокнами. В ближайшем буду-
щем следует ожидать увеличения выпуска дисперснонаполненных
материалов.
Модификация наполнителей
Некоторые потребители пластмасс полагают, что постепенно
все «чистые» пластики во всех областях их использования будут
заменены композитами с дешевыми минеральными наполнителя-
ми. Отсюда рождается представление об «инертных» наполните-
лях, практически не влияющих на свойства матричного полимера,
а как бы разбавляющих его.
При применении полимерного материала всегда идет речь о
каком-то конкретном наборе физико-механических и физико-
химических свойств. В каждом отдельном случае реализуются
некоторые определенные свойства материала. Сравним, напри-
мер, полиэтиленовую пленку и полиэтиленовую трубу.
В обоих случаях при эксплуатации изделий используются фи-
зико-химические свойства полиэтилена, его инертность, хими-
ческая стойкость. Полиэтилен обладает невысокой прочностью,
и это приводит к быстрому разрушению пленок, а также к тому,
что полиэтиленовые трубы могут применяться только при неболь-
ших давлениях.
Наполнитель, улучшая какое-нибудь одно или несколько
свойств полимерного материала, обязательно отрицательно ска-
жется на каких-то других свойствах. Тривиальный пример касается
плотности наполнителей. Эта величина для огромного числа иссле-
дованных наполнителей лежит в пределах 2,2—2,8 г/см3. Плот-
ность полимеров значительно ниже: от 0,9 до 1,4 г/см3. Следова-
тельно, наполнитель будет утяжелять композиты. В конечном счете
эффективность применения полимерных материалов определя-
ется экономикой. Утяжеление практически всегда будет снижать
эффективность применения композитов.
Полимерные композиционные материалы
39
Но это только один фактор. Упрочнение пленки не должно
сопровождаться потерей прозрачности. Следовательно, нужен
наполнитель со значением коэффициента преломления, близким к
таковому для полимерной матрицы. Другой путь — уменьшение
размера частиц наполнителя.
Полиэтиленовая пленка не должна терять гибкость и эластич-
ность, столь для нее важные. Ситуация с трубами еще сложнее.
Трубы должны обладать высокой долговременной прочностью.
А при введении в термопласты, в частности в полиэтилен, дис-
персных наполнителей падает именно долговременная проч-
ность.
Это только два примера сложных научно-технических задач,
стоящих перед учеными и инженерами. Можно ли рассчитывать,
что эти задачи будут успешно решены? Да, можно. Дело в том, что
подобные задачи уже неоднократно возникали, и они решались,
поскольку возможности научно обоснованного конструирования
полимерных композитов чрезвычайно широки.
Остановимся на проблеме повышения плотности наполненных
композитов. Пути «борьбы» с этим явлением уже намечены —это
полые, пустотелые наполнители. Успешно опробуются полые сте-
клянные волокна, полые стеклянные, коксовые, полимерные сфе-
ры. Используется так называемый вспученный перлит —термооб-
работанное пористое вулканическое стекло.
Известно, что спрос рождает предложение. Потребности в лег-
ких наполнителях будут удовлетворяться за счет разработки новых
технологий получения «газонаполненных» наполнителей.
Другой перспективный путь: комбинация газонаполнения с вво-
дом наполнителей. Еще недавно газонаполненные материалы рас-
сматривались, главным образом, как теплоизоляционные, упако-
вочные или упругие. Затем стало ясно, что области применения
вспененных или подвспененных (т. е. частично вспененных) поли-
меров могут быть значительно расширены. Особенно перспек-
тивным выглядит создание конструкционных вспененных тер-
мопластов, способных нести нагрузки, сравнимые с нагрузками,
доступными «сплошным» полимерам. Это достигается регули-
руемым вспениванием внутреннего объема изделий, в то время
как поверхностный слой остается сплошным.
Технология получения таких изделий основана на раздвижении
литьевых форм в процессе литья изделий из материала, содержа-
щего вспенивающий агент. Эта технология позволяет в 2—3 раза
снизить плотность материала в изделии и одновременно на 30—50%
повысить жесткость материала.
Через несколько лет большинство автомобилей будет оборудо-
вано дверьми, крышами, капотами, бамперами и другими деталями,
изготовленными из конструкционных пен или композитов, содер-
жащих несколько типов наполнителей.
40
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
Модификация формы, структуры или только поверхности напол-
нителей, так же как, впрочем, и обычные в технологии подготови-
тельные операции по размолу, сушке и фракционированию, тре-
бует затрат энергии. В настоящее время модификация даже деше-
вых наполнителей приводит к тому, что они становятся дороже
массовых полимеров.
Таким образом, перспектива широкого использования модифи-
цированных наполнителей для создания композитов на основе тер-
мопластов широкого применения тесно связана с экономическим
эффектом их применения. Поскольку цены на мономеры, как было
сказано, растут значительно быстрее, чем цены на наполнители,
следует ожидать внедрения в народное хозяйство широкой гаммы
дисперснонаполненных термопластов.
Полимеризационное наполнение
К проблеме модификации наполнителей можно отнести и зада-
чу придания их поверхности органофильности в целях улучшения
взаимодействия с полимерной матрицей. Мы уже говорили, что это
в настоящее время достигается путем аппретирования, т. е. об-
работки наполнителей различными функциональными вещест-
вами.
Эффективность подбора аппретирующего состава для каждого
композита определяется степенью упрочнения материала по срав-
нению с необработанным наполнителем. В настоящее время
эффективные аппреты подобраны для стеклонаполненных поли-
амидов, полипропилена, полибутилентерефталата. Например, в
полиамид удается ввести 30—40% по массе стекловолокна, при
этом прочностные характеристики материала возрастают в
1,5—2 раза. Для других полимеров, например, полиэтилена, поли-
формальдегида, подобный эффект упрочнения не достигнут, и
поиски наилучших аппретов продолжаются.
Технология введения наполнителей в термопласты основана на
последовательном смешении наполнителя с аппретом, а затем с
расплавленным высоковязким полимером. Сейчас эти процессы
реализуют в специальных обогреваемых смесителях, экструдерах.
Сложная задача — равномерное распределение наполнителя в
матрице, так как для этого необходимы большие затраты энергии.
Твердые наполнители вызывают ускоренный абразивный износ
рабочих органов перерабатывающего оборудования.
Уже несколько лет назад появились идеи смешивать наполни-
тель с полимером на стадии синтеза. Очевидно, что низковязкие
мономеры будут требовать значительно меньше энергии для рав-
номерного распределения наполнителей. Кроме того, процессы
смешения высоковязких расплавов полимеров обязательно
Полимерные композиционные материалы
41
сопровождаются деструкцией (термоокислительной, механохими-
ческой). Меняется молекулярная масса и молекулярно-массовое
распределение матричного полимера. Обычно эти процессы ведут
к ухудшению физико-механических свойств полимера.
Следующий качественный шаг был связан с разработкой мето-
дов прививки полимерных цепей непосредственно к поверхности
наполнителя. Процессы так называемой привитой сополимериза-
ции хорошо известны в химии и технологии полимеров. Полимер-
ные цепи активируют путем облучения, введения инициаторов,
механохимической деструкции, затем в реакционную систему вво-
дят подходящие мономеры, которые полимеризуются на образо-
вавшихся активных центрах.
Аналогичные способы активации используются для создания на
поверхности минеральных наполнителей активных центров поли-
меризации. Однако до настоящего времени подобным путем удава-
лось привить к поверхности наполнителей только небольшое коли-
чество полимерных цепей из мономеров, способных полимеризо-
ваться под действием свободных радикалов. Причины этого заклю-
чаются и в низкой концентрации свободных радикалов на поверх-
ности, и в малых временах их жизни, и в реакции передачи цепи,
приводящей к тому, что большая часть полимерных цепей образу-
ется не на поверхности, а в общем объеме.
Другое развиваемое направление состоит в том, что поверх-
ность наполнителя обрабатывается специальными веществами,
способными химически взаимодействовать с поверхностью час-
тиц наполнителя. В результате подобной обработки наполнитель
приобретает свойства инициатора радикальной полимеризации.
У нас в Институте химической физики Академии наук СССР стало
развиваться новое направление: получение на привитом к поверх-
ности наполнителя катализаторе полимерных композиционных
материалов непосредственно в процессе синтеза. Перечислим
некоторые преимущества этого метода по сравнению с механи-
ческим смешением полимеров и наполнителей:
1.	Затраты энергии на смешение наполнителя с мономером
значительно ниже, чем с полимером.
2.	При переработке композита, полученного на стадии синтеза,
полимерная матрица в меньшей степени подвергается механохи-
мической деструкции.
3.	Прививка полимерных цепей в ходе их синтеза создает зна-
чительно большие возможности по тонкому регулированию микро-
структуры композита, чем «грубый» процесс механического сме-
шения полимера и наполнителя. Здесь и возможность ориентации,
цепей, варьирования химического состава и молекулярно-массо-
вого распределения полимерной матрицы, получение различных
по свойствам сложных структур вокруг каждой дискретной
частицы и т. п.
42
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
4.	Отпадает необходимость в предварительном аппретирова-
нии.
5.	Абразивные наполнители покрываются прочной полимерной
шубой, защищающей их от непосредственного контакта с рабо-
чими поверхностями перерабатывающих машин.
6.	Метод позволяет чрезвычайно широко варьировать состав
композитов: от низких процентов наполнителя до максимально
высоких (90—95%), обеспечивая высокую степень однородности
систем.
7.	Метод применим для широкого класса наполнителей, начи-
ная от дисперсных частиц размером в доли микрона и кончая
непрерывным волокном, листовой поверхностью и т. п.
Широкое внедрение нового метода получения полимерных ком-
позитов потребует решения ряда сложных технологических и кон-
структорских задач. Например, необходимо разработать оборудо-
вание и технологию равномерного нанесения малых концентраций
катализатора на большие массы наполнителя. Требования к подго-
товке наполнителей усложняются. Для проведения полимеризации
на волокнах или на поверхности труб необходимо разработать спе-
циальную аппаратуру.
Мы предполагаем, что различные приложения этого метода
будут интенсивно развиваться в ближайшее десятилетие, в резуль-
тате чего будут созданы новые термопластичные композиты мас-
сового применения для изготовления пленок, труб, профилей,
емкостей, литьевых изделий, теплоизоляционных плит и т. д.
Химики разработали набор методов синтеза различных полиме-
ров на поверхности наполнителя. Однако для создания новых мате-
риалов необходимо изучить их свойства и определить рациональ-
ные методы переработки этих материалов в изделия. Простое
перечисление этих изделий, приведенное выше, не дает представ-
ления о тех научных и технических проблемах, которые каждый
раз необходимо решить.
Например, полимерные трубы из полиэтилена, поливинилхло-
рида произвели настоящую революцию в «трубном хозяйстве»,
вытесняя стальные трубы везде, где внутреннее давление в трубо-
проводах менее 10—14 кг/см2.
Было бы весьма заманчиво использовать для получения этих
труб дисперснонаполненные полимеры. Это обеспечило бы эконо-
мию полимерного сырья, позволило бы создать негорючие изде-
лия. Но оказалось, как уже отмечалось выше, что дисперснона-
полненные термопласты не обладают необходимой долговремен-
ной прочностью под нагрузкой. Частицы наполнителя являются
концентраторами напряжений, и по границе раздела полимер —
наполнитель происходит разрушение материала.
Мы предполагаем, что метод полимеризации мономеров непо-
средственно на поверхности частиц наполнителя позволит решить
Полимерные композиционные материалы
43
эту проблему. Однако предстоит еще многое сделать, чтобы начать
производство труб из наполненных полимеров.
Очень важным направлением может оказаться создание сте-
клопластиков на основе термопластичных связующих, таких, как
полиэтилен, полипропилен или полибутадиен. По сравнению с при-
меняемыми ныне термореактивными связующими (полиэфирами,
полиэпоксидами, полиэфиракрилатами) полиолефины обладают
значительно большей химической стойкостью; они дешевле и
доступнее. Кроме того, термопластичные связующие обладают
технологическими преимуществами.
Полуфабрикат — стекловолокнистый ровинг, покрытый слоем
полимера, при намотке на каркас изделия вместо отверждения
термореактивной смолы необходимо сплавить. Это может дости-
гаться местным нагревом материала до точки плавления и про-
каткой, что позволит намного ускорить процесс и увеличить про-
изводительность труда.
Термопластичные стеклопластики могут сыграть важную роль в
создании химически стойких крупногабаритных емкостей для
химикалиев, напорных труб больших диаметров и т. п. Для успеш-
ной реализации этих идей необходимо разработать высокоэффек-
тивные процессы полимеризации олефинов на непрерывном
волокне; процессы намотки и сплавления термопластичных
стеклопластов.
Поэтому следует ожидать, что в ближайшие несколько лет
народное хозяйство страны получит новые типы стеклопластиков,
обладающих рядом технологических преимуществ по сравнению с
существующими.
Высокопрочные композиционные материалы
В предыдущих разделах мы рассматривали перспективы разви-
тия полимерных композитов широкого применения и пришли к
выводу, что в грядущие одно-два десятилетия дисперснонаполнен-
ные и армированные короткими волокнами материалы должны
значительно потеснить «чистые» полимеры. При этом будет дости-
гаться некоторое улучшение отдельных свойств материалов,
например, физико-механических или технологических, увеличи-
ваться теплостойкость, формоустойчивость, снижаться проница-
емость для газов и растворителей.
Дисперсные наполнители способны повысить жесткость термо-
пластов, но мало влияют на их прочностные свойства. Передача
растягивающих усилий происходит от полимерной матрицы только
на волокнистые наполнители, ориентированные вдоль оси прило-
жения напряжения.
Если сравнительно короткие волокна ориентированы в поли-
44
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
мерной матрице хаотически, то материал будет обладать изотроп-
ными свойствами. Методы переработки термопластичных и термо-
реактивных композитов литьем под давлением основаны на ис-
пользовании сравнительно коротких волокон, не более 3—5 мм.
При литье расплавленного полимера в форму происходит частич-
ная ориентация волокна, а раз так, то появляется некоторая ани-
зотропия свойств.
Для прогресса современной техники большое значение приоб-
рели именно анизотропные композиты, в которых используются
армирующие элементы большой длины и полимерные связующие,
позволяющие максимально реализовать свойства армирующих
элементов.
Технология изготовления изделий из этих материалов «намот-
кой» непрерывного волокна призвана обеспечить наибольшую
прочность изделиям в направлениях приложения нагрузок.
Самый распространенный тип таких материалов — высокомо-
дульные стеклопластики на основе эпоксидных связующих. Про-
чность этих материалов достигает 200 кг/мм2, в то время как
наиболее прочные пластики имеют показатель 7—8 кг/мм2, а
наполненные рубленым стекловолокном термопласты — до
12 кг/мм2.
Однако для создания конструкций, работающих в напряженном
состоянии, чрезвычайно важен высокий модуль упругости. У сте-
клопластиков он относительно низок и определяется свойствами
стекловолокна (7—9 тыс. кг/мм2).
Первые ориентированные стеклопластики были исследованы в
40-х годах. Сейчас они широко применяются в машиностроении и,
например, дают экономию до 25% массы по сравнению с высоко-
прочными марками стали при изготовлении сосудов высокого дав-
ления. Еще больший эффект ожидается при внедрении полых сте-
клянных волокон, объемная масса которых примерно на 30%
ниже.
Современная техника предъявляет к стеклопластикам чрезвы-
чайно разнообразные требования, идет ли речь о космической и
ракетной технике или судо- и автомобилестроении, электротехни-
ке, машиностроении или химической промышленности.
Расчеты теоретической прочности волокон из силикатного
стекла дают величину около 1000 кг/мм2. В настоящее время
реализовано менее 50% этой прочности в волокнах и менее 30%
в стеклопластике. Так что можно ожидать значительного улучше-
ния механических показателей стеклопластиков по мере совер-
шенствования технологии отдельных стадий их получения.
Помимо стеклянных волокон следует ожидать увеличения испо-
льзования термостойких волокон — кварцевых, кремнеземных,
алюмосиликатных с температурой плавления 1700—1800°C. Ком-
позиты, армированные такими волокнами, могут применяться при
Полимерные композиционные материалы
45
температурах до 1200—1300° С. Подобные материалы необходи-
мы для теплоизоляции и теплозащиты объектов, работающих при
высоких температурах.
Долгое время считалось, что органические волокна не могут
конкурировать с минеральными в качестве армирующих из-за
низкой прочности и жесткости. Прочность на растяжение техни-
ческих волокон из полиамидов, полипропилена или поливинилово-
го спирта примерно в 10 раз ниже прочности стекловолокна. Одна-
ко интерес исследователей к органическим волокнам не снижал-
ся, и это объясняется несколькими причинами. Одна из них —
низкая плотность этих волокон по сравнению с минеральными, что
должно увеличить удельные прочностные характеристики компо-
зитов на их основе.
Первые высокопрочные органические волокна на основе аро-
матических полиамидов были получены практически одновре-
менно в СССР и США. В настоящее время эти волокна, известные
на Западе под названием «кевлар», получили достаточно широкое
распространение. В сочетании с эпоксидным связующим они
образуют композит с очень высокой удельной прочностью и моду-
лем упругости, низким удлинением и малой ползучестью при раз-
личных температурах.
Однако эти материалы обладают низкой прочностью на сжа-
тие и на слоевой сдвиг, а также на изгиб, уступая по этим показа-
телям стеклопластикам. Все же следует в будущем ожидать ши-
рокого использования кевлара в самолетостроении при производ-
стве шин, кабелей и тросов.
Органопластики дают наибольший выигрыш по сравнению с
металлами при создании транспортных средств благодаря мень-
шей плотности. Именно поэтому их начали применять в ракетной
технике. По мере расширения производства они будут применяться
в автомобилестроении, для изготовления контейнеров, емкостей.
Уже сейчас из них делают горные лыжи, теннисные ракетки,
клюшки для игр в гольф.
В дальнейшем эти материалы будут широко использоваться
для изготовления велосипедов, мотоциклов и мотороллеров, бы-
товых электроприборов. Замена металлов везде обеспечит сниже-
ние массы (на 30—50%), экономию горючего, коррозионную стой-
кость машин и механизмов.
Там, где изделия работают на сжатие или сдвиг, существует
принципиальная возможность улучшить показатели свойств орга-
нопластиков, комбинируя органические волокна со стеклянными
или углеродными. Такие композиты получили название гибридных.
Гибридные композиты на основе кевлара и углеродных волокон
будут обладать повышенной прочностью на сжатие и стоить
дешевле, чем углепластики.
Предполагается, что через 5—10 лет органопластики станут
46
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
массовыми композиционными материалами, выпуск которых
составит десятки тысяч тонн в год. Это приведет к снижению цены
на них, хотя она останется более высокой, чем цена на стеклопла-
стики.
Активно ведутся работы и по синтезу новых полимерных воло-
кон, поскольку требования к конструкционным материалам исклю-
чительно разнообразны и не могут быть удовлетворены каким-то
одним «универсальным» волокном.
К органическим волокнам можно отнести и углеродные, хотя их
обычно выделяют в отдельную группу. Исходные материалы для их
получения — полиакрилонитрильные и гидратцеллюлозные орга-
нические волокна, которые подвергают карбонизации. Графито-
вые волокна получают графитизацией углеродных.
Сейчас углеродные волокна относятся к наиболее дорогим
армирующим системам. Они обладают высокими показателями
удельной прочности и удельного модуля упругости, высокой жаро-
стойкостью и химической стойкостью. Поэтому они особенно пер-
спективны для замены различных марок нержавеющих сталей,
работающих в коррозионных средах и при температурах до 400°С.
В химической промышленности, металлургии углепластики найдут
применение для изготовления фильтров, арматуры, рабочих лопа-
ток турбин, насосов и т. п.
В США планируется довести производство углеродных волокон
до объема, сопоставимого с объемом выпуска стеклянного во-
локна.
Поиск высокопрочных, термостойких композиционных мате-
риалов уже в начале 60-х годов привел к созданию технологии
производства борных нитей. Это непрерывное моноволокно срав-
нительно большого диаметра получали осаждением бора из газо-
вой фазы на нагретую вольфрамовую проволоку. Сердечник
волокна состоит из борида вольфрама, внешний слой составля-
ет поликристаллический бор, а для повышения термостойкости
на поверхность наносят еще тонкий слой карбидов кремния или
бора.
В последние годы получены борные нити на подложке из угле-
родного волокна и алюминия. Волокна этой группы по удельной
прочности и удельному значению модуля упругости превосходят
сталь. По сравнению с упомянутыми выше минеральными и орга-
ническими волокнами борные обладают большей прочностью на
кручение, изгиб и на сжатие.
Композиты на основе борных волокон, покрытых карбидом
кремния, относятся к наиболее термостойким. Связующим для бор-
ных волокон могут быть полимеры или металлы (алюминий, магний
и др.). Из всех типов композитов боропластики больше всего напо-
минают металлы, обладая одновременно высокими значениями
прочности при различных типах нагружения: сжатии, растяжении,
Полимерные композиционные материалы
47
кручении, сдвиге. Они имеют высокую усталостную прочность.
За 10 лет, начиная с 1970 г., цены на боропластики снизились в
20—30 раз. Однако они остаются и останутся дорогими материа-
лами из-за сложной технологии получения борного волокна.
Поэтому использование этих материалов будет, по-видимому, в
первую очередь ограничиваться авиацией, ракетной техникой и
другими специальными областями применения.
К волокнам этого типа относятся также металлические «усы» —
нитевидные кристаллы на основе нитрида бора, окиси алюминия и
др., обладающие очень высокой прочностью.
Роль связующего в высокопрочных композитах сводится к
передаче нагрузок на армирующие волокна, но кроме этого связу-
ющее должно в зависимости от условий эксплуатации обеспечить
стабильность механических характеристик во времени, при раз-
личных температурах, в различных средах и т. п. До настоящего
времени выбор связующего для данного типа волокон произво-
дится эмпирически, но параллельно закладывается фундамент
более строгого научного подхода.
Ранее мы уже отмечали, что только 10—30% прочности армиру-
ющих волокон реализуется в изделиях. Среди причин этого можно
назвать и несовершенство технологии «сшивок» полимера, и недо-
статочную однородность волокон, наличие дефектов. Усилия уче-
ных в ближайшие годы будут направлены, главным образом, на
совершенствование уже разработанных полимерных связующих,
с тем чтобы повысить степень реализации потенциальных механи-
ческих свойств армирующего волокна. Считается, что вклад в ко-
нечные свойства материала дают три уровня его структуры: моле-
кулярная, топологическая и надмолекулярная. Каждый элемент
молекулярной (т. е. химической) структуры полимерного связу-
ющего вносит определенный вклад в свойства материала. Сейчас
разрабатываются полуэмпирические методы расчета величины
этого вклада в те или иные свойства. Хотя полученные на сегодня
результаты не всегда достаточно хорошо обоснованы теоретиче-
ски, этот экспериментальный путь приведет к накоплению данных
для более точных расчетов.
Топологические структуры характеризуют пространственную
полимерную сетку и особенно важны для сетчатых полимеров.
Пока эти исследования находятся в начальном состоянии; разра-
батываются статистические методы для моделирования процес-
сов образования пространственной сетки.
Эти два уровня организации, по-видимому, оказывают основ-
ное влияние на физико-механические свойства сетчатых полиме-
ров. Наоборот, для термопластов важную роль может играть орга-
низация надмолекулярной структуры, т. е. кристаллических и
аморфных областей полимера.
Широкие исследования в этих направлениях должны обеспечи-
48
Н. С. Ениколопов, С. А. Вольфсон
вать в ближайшее десятилетие качественное улучшение свойств
композитов за счет приближения их прочностных характеристик к
характеристикам армирующих волокон.
Высокая удельная прочность и технологические преимущества
полимерных композитов обеспечат им превосходство по сравне-
нию с традиционными конструкционными материалами в тех обла-
стях, где малое значение имеют присущие им недостатки: низкая
прочность на сжатие и сдвиг, низкая теплоемкость.
Специфика технологии намотки полимерных композитов резко
отличается от технологии создания металлических конструкций.
Теория оптимального армирования уже сейчас позволяет испо-
льзовать математический аппарат для проектирования конструк-
ций из полимерных композиций.
Намотка непрерывного волокна, пропитанного смолой, на кар-
кас будущего изделия — автоматизированный процесс, его можно
осуществлять даже в полевых условиях, на специально оборудо-
ванных участках колхозов, в небольших мастерских. Такой про-
цесс создания емкостей, строительных конструкций требует малых
капитальных затрат.
Использование полимерных композитов в различных областях
потребует новых кадров инженеров-конструкторов, хорошо знако-
мых с методами расчета конструкций из армированных композитов
и с технологией их производства.
Полимерные композиты на основе борных и углеродных воло-
кон проводят электрический ток. Это открывает новые возможно-
сти для создания токопроводящих конструкций, замены дефицит-
ных металлов.
Снижение веса конструкций за счет замены металлических
сплавов оценивается в 15—30%. Таков резерв увеличения полез-
ной нагрузки или снижения затрат энергии.
Коррозионная стойкость полимерных композитов — другое
важнейшее их преимущество перед металлами. Известно, что наш
транспорт несет огромные потери из-за коррозии. Любые усовер-
шенствования качества лакокрасочных покрытий, применение
специальных защитных смазок — все это дает незначительный
эффект из-за тяжелых природных условий во многих районах
нашей страны, применения соли для удаления льда с дорог и
т. п.
Когда-то человек все основные орудия труда изготавливал из
камня. На смену каменному веку пришел век бронзы, а затем век
железа.
В 1978 г. на Втором международном конгрессе по композицион-
ным материалам, проходившем в Канаде, один из специалистов
(А. Лавлейс, США) торжественно провозгласил, что «мы нахо-
димся на пороге революции в области промышленности основных
материалов» и что «мы пройдем век металла так же, как прошли
Полимерные композиционные материалы
49
век камня». Это мнение разделяют многие специалисты, работа-
ющие в области полимерных композитов.
Нам трудно себе представить, чтр железо— верный спутник
человечества на протяжении последних 3000 лет — полностью
уступит свои позиции, Но ему придется потесниться перед поли-
мерными композитами, так же как ано потеснилось когда-то перед
алюминием.
Полимерные композиты — это реальность. Ближайшее буду-
щее увидит ИХ победоносное щострие в с^мье конструкционных
материалов.
АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ БАШКИРОВ — химик, член-корреспондент АН СССР,
заведующий Лабораторией каталитического синтеза Института нефтехимического
синтеза им. А. В. Топчиева АН СССР. Специалист в области основного органическо-
го и нефтехимического синтезов.
ГЕОРГИИ АРЬЕВИЧ КЛИГЕР — химик, доктор химических наук, старший науч-
ный сотрудник того же института. Основное направление работ — исследования в
области нефтехимического синтеза.
ИСКУССТВЕННОЕ ЖИДКОЕ ТОПЛИВО
Проблема эффективного использования топливных ресурсов
Земли начинает все в большей степени беспокоить человечество.
Это и понятно, за последние десятилетия слишком быстрыми и
всевозрастающими темпами стало расходоваться то, что накапли-
валось в недрах земного шара в течение многих миллионов лет.
Потребность промышленности и других отраслей хозяйства в энер-
гии увеличивается чрезвычайно быстро. Так, в СССР в 1978 году
энерговооруженность труда по сравнению с 1913 годом возросла
более чем в 50 раз. Одним из крупнейших потребителей энергии
становится сельское хозяйство; на сегодняшний день для произ-
водства одного килограмма основной сельскохозяйственной про-
дукции требуется затратить от 3 до 12 кг условного топлива*.
Дальнейший рост темпов использования энергии можно с уверен-
ностью прогнозировать и на ближайшее будущее. По данным ООН,
к 2000 году возросшему населению Земли потребуется как мини-
* За условное принимается топливо, при сжигании каждого килограмма которо-
го выделяется 7000 ккал тепла.
Искусственное жидкое топливо
51
мум втрое больше энергии, чем сейчас. Только в США за ос-
тавшиеся до конца века два десятилетия будет потреблено
энергии больше, чем за всю предшествующую историю этой
страны.
В настоящее время подавляющую часть энергии получают за
счет сжигания горючих ископаемых (торф, сланцы, каменные угли,
нефть, природный газ). Доля атомной энергии в мировом энергети-
ческом балансе составляет около 4%, гидроэнергии —тоже всего
несколько процентов. Среди сжигаемого топлива 65—75% прихо-
дится на нефть и газ. Предпочтение, которое отдается нефти перед
другими видами топлива, объясняется тем, что для получения
одного и того же количества калорий нефти нужно в 1,5—2 раза
меньше, чем каменного угля, и в 3,5 раза меньше, чем "сухого
торфа. Кроме того, нефть и нефтепродукты намного легче тран-
спортировать, чем твердое топливо. Наконец, начиная с 60-х го-
дов, после открытия богатейших нефтяных месторождений на
Среднем Востоке, произошло выравнивание цен на нефть и камен-
ный уголь. Все это привело к тому, что в 1979 году было добыто и
использовано около 3 млрд., тонн нефти (4 млрд, тонн в пересчете
на условное топливо).
Между тем перспективные запасы горючих ископаемых, оцени-
ваемые разными авторами величинами от 8,5 до 13,0 -1012 тонн ус-
ловного топлива, на 9/10 состоят из твердых горючих ископае-
мых, а на долю нефти приходится всего около 6%. Что касается
извлекаемых запасов нефти (тех запасов, которые могут быть из-
влечены из недр земли с помощью существующих на сегодняшний
день методов нефтедобычи), то они еще меньше и, по наиболее
достоверным оценкам, составляют лишь 130—200 млрд, тонн ус-
ловного топлива, т. е. даже при нынешнем уровне потребления их
может хватить человечеству только на 30—50 лет.
Уже сейчас истощение ряда месторождений, повышение себе-
стоимости добычи и транспортировки нефти привело к резкому
увеличению ее стоимости на мировом рынке. Нехватка топлива,
резкий скачок цен на бензин и другие нефтепродукты, нормирова-
ние их распределения, свертывание в ряде стран некоторых произ-
водств — вот наиболее характерные черты энергетической про-
блемы.
Выход из создавшегося положения энергетики и экономисты
видят в коренном изменении существующего мирового топливного
баланса (повышение в нем удельного веса твердых горючих иско-
паемых) и в энергичном развитии других (нетопливных) источников
энергии: ядерной и термоядерной, солнечной энергии и энергии
геотермальных вод, энергии ветра, приливов и отливов и т. д.
Определенные успехи в этом направлении уже имеются. Нам пред-
ставляется, однако, что при этом не принимаются во внимание
такие жизненно важные стороны хозяйственной деятельности
52
A. H. Башкиров, Г. А. Клигер
человека, само существование которых возможно лишь при нали-
чии углеводородного сырья, т. е. нефти.
Как известно, в настоящее время почти все транспортные сред-
ства используют жидкое нефтяное топливо, и такое положение,
очевидно, сохранится по крайней мере до конца нынешнего столе-
тия. На основе нефтяных углеводородов производится 95% всей
продукции промышленности основного органического и нефтехи-
мического синтеза. Если сейчас эти отрасли химической индустрии
потребляют около 5% всей расходуемой нефти, то к 2000 году для
удовлетворения минимальных запросов возросшего населения
потребуется не менее 15—20% предполагаемой добычи нефти.
В связи с этим к числу задач первостепенного значения следует
отнести также разработку и освоение эффективных методов полу-
чения углеводородного сырья (синтетической нефти и отдельных
ее компонентов) на базе твердых горючих ископаемых. Во многих
странах мира уже интенсивно реализуются долгосрочные програм-
мы, направленные на решение указанной проблемы. В США,
например, на эти цели ассигновано 22,5 млрд. долл, (на 10 лет), в
ФРГ — 6,5 млрд, марок (на 4 года) и т. д. Работы по получению
жидких углеводородов из твердых горючих ископаемых ведутся и
в СССР.
Многообразие встречающихся в природе горючих ископаемых
(зачастую их состав резко различается даже в пределах одного
месторождения) делает весьма трудным в каждом конкретном слу-
чае правильный выбор наиболее рационального пути превращения
их в желаемые углеводородные продукты. Очевидно, что этот
выбор помимо чисто экономических соображений будет суще-
ственным образом зависеть от индивидуальных особенностей
сырья. К таким особенностям следует прежде всего отнести
происхождение горючего ископаемого, содержание углерода,
водорода и кислорода в его органической массе, зольность и
влажность исходного твердого топлива. В этой связи уместно
будет кратко остановиться на некоторых аспектах генезиса
(происхождения) и химического состава твердых горючих ископа-
емых, важных с точки зрения их последующей переработки в
жидкие углеводороды.
Под твердыми горючими ископаемыми понимают торф, бурый и
каменный угли, антрацит и горючие сланцы. Все они произошли в
результате глубоких превращений без доступа воздуха остатков
древних растительных организмов. Перечисленные виды горючих
ископаемых принципиально различаются между собой по химиче-
скому составу органической массы, который меняется в следу-
ющих пределах:
Искусственное жидкое топливо
53
Вид топлива	С, %	• Н, %	(O + N). %
Древесина	50	6	44
Торф	55-60	5,5-6	34-39
Бурый уголь	67-78	5	17-28
Каменный уголь	80-91	4,5-5	4,5-15
Антрацит	96	2	2
Таким образом, превращения, приведшие к образованию всех
видов твердых горючих ископаемых, могут быть названы процес-
сами накопления углерода — обуглероживания. Характер ископа-
емых твердых топлив определяется составом и свойством исход-
ных материалов, из которых они произошли, условиями, в которых
протекали указанные превращения, и, наконец, тем пределом, до
которого эти превращения дошли. Отсюда следует, что под поняти-
ями торф, бурый и каменный угли, антрацит следует иметь в виду
не какие-либо определенные вещества, обладающие совокупно-
стью постоянных, точно установленных свойств, а скорее различ-
ные стадии превращения разнообразных исходных материалов.
С этой точки зрения торф является начальной стадией превраще-
ния материнского вещества, затем следует бурый уголь и, наконец,
каменный уголь и антрацит (к горючим сланцам условно относят
все горючие ископаемые, состоящие, как и угли, из продуктов
глубокого превращения органического материала растительного
происхождения, но содержащие большое количество— более
30% — минеральных включений — золы). Указанные стадии пре-
вращения материалов, из которых образовались ископаемые угли,
не обязательно связаны с их геологическим возрастом: эти пре-
вращения могли протекать с различными скоростями в зависимо-
сти от температуры, давления, химического состава минеральных
включений, которые могли служить катализаторами таких превра-
щений, и т. д. Другими словами, отдельные виды горючих ископа-
емых различаются между собой не геологическим, а, условно гово-
ря, «химическим» возрастом.
Исходным веществом для образования твердых горючих иско-
паемых могли послужить остатки древних наземных или водных
растений, планктон, морские водоросли либо, наконец, большие
скопления растительных восков и смол.
Основные компоненты органической массы наземных расте-
ний — целлюлоза и лигнин. В процессе последующих превраще-
ний (процессы перегнивания и гумификации) целлюлоза подверга-
лась бактериальному разрушению и удалялась из исходного мате-
риала в виде углекислоты, метана и растворимых в воде низших
кислот. Лигнин же через ряд последовательных стадий изменения
(гумусовые кислоты, гумины) переходил в органическую массу
бурых и каменных углей, носящих название гумусовых. В макро-
54
A. H. Башкиров, Г. А. Клигер
молекуле горючих ископаемых этого типа содержится значитель-
ное количество фрагментов, имеющих ароматическое строение,
что характерно для молекулы исходного лигнина. Входящие в
состав битуминозных гумусовых углей битумы представляют собой
продукты глубоких превращений содержащихся в высших расте-
ниях восков и смол.
Материнским веществом при образовании углей, называемых
сапропелитами, послужили низшие водные растения, состоящие в
основном из одноклеточных водорослей. Для них характерно высо-
кое содержание жиров и белков и низкое — лигнина и целлюлозы.
В процессе старения (гниения) массы отмерших растений проис-
ходило разрушение целлюлозы, а жиры и белки гидролизовались
до соответствующих насыщенных и ненасыщенных кислот и ами-
нокислот. Последующие их превращения сопровождались образо-
ванием сложной смеси высокомолекулярных полимерных кислот и
их ангидридов, а также кетонов. Важно отметить, что макромоле-
кула сапропелитового угля (в отличие от гумусового) построена в
основном из фрагментов, имеющих не ароматическую природу.
К типичным представителям этого типа углей можно отнести бог-
хеды и кеннельские угли. По своему химическому составу к сапро-
пелитовым углям близки сапромикситы — продукты глубоких
изменений органической массы водорослей. Примером этого типа
углей являются барзасские угли, открытые в Кузнецком бассейне
в 1927—1930 годах.
Наконец, твердые горючие ископаемые, образовавшиеся из
скоплений растительных восков и смол, носят название липтобио-
литов. Их месторождения встречаются редко. Типичный представи-
тель липтобиолитов — янтарь.
В химическом плане, помимо строения органической части,
гумусовые и сапропелитовые угли различаются также содержа-
нием в ней углерода и водорода, а именно: для первых из них
характерны более высокие соотношения С:Н. Следует, однако,
отметить, что в природе не часто встречаются чисто гумусовые или
сапропелитовые образования, обычно мы имеем дело с углями
смешанного происхождения. В зависимости от преобладания в их
органической массе того или иного компонента уголь относят либо
к гумусо-сапропелитовому, либо к сапропелитово-гумусовому
типам.
Твердые горючие ископаемые по сравнению с нефтью содер-
жат значительно меньше водорода: в гумусовых углях его 4—5%, в
нефтях— 13—14%. Становится очевидным, что принципиально
«ожижение» твердых горючих ископаемых может быть достигнуто
либо удалением из них избыточного углерода (это эквивалентно
выделению летучей части исходного топлива, обогащенной водо-
родом), либо вводом дополнительного количества водорода. В со-
ответствии с этим в настоящее время имеется три основных
Искусственное жидкое топливо
55
способа превращения твердых горючих ископаемых в смесь жид-
ких углеводородов: термическое разложение угля, его гидрирова-
ние, а также синтез углеводородов на основе продуктов газифика-
ции угля — окиси углерода и водорода.
Термическое разложение угля. Частичное превращение твер-
дого топлива в жидкие углеводородные продукты достигается
путем сухой перегонки при повышенных температурах в отсут-
ствие воздуха. При этом происходит разложение твердого топлива
с образованием жидких, газообразных и твердых продуктов. Глу-
бина превращения исходного топлива, а также выход указанных
продуктов и их состав определяются как условиями сухой перегон-
ки, так и индивидуальными особенностями сырья. В зависимости
от конечной степени нагрева топлива различают низкотемператур-
ный процесс его термической переработки — полукоксование и
высокотемпературный — коксование.
При полукоксовании исходное топливо подвергается воздей-
ствию температуры не выше 550°. Продуктами такой переработки
являются смола (в отличие от высокотемпературной смолы коксо-
вания она носит название первичной), газ и твердый остаток —
полукокс. Наибольший интерес с точки зрения превращения твер-
дого топлива в жидкие углеводороды представляет, естественно,
смола, которая может рассматриваться как материал, способный
заменить нефть и давать те же продукты, что и последняя. Выход
смолы по отдельным видам ископаемых твердых топлив коле-
блется в следующих пределах:
Вид топлива
Выход смолы на сухое топливо, %
Торф	7-12
Балхашит	66
Бурый уголь битуминозный	7-15
Каменный уголь	6-16
Сапропелитовый уголь	12-48
Сланцы	5-60*
* Поскольку сланцы содержат большое количество золы, для получения сопоста-
вимых результатов выход смолы дается в расчете на их горючую массу.
Как видно из этих данных, с точки зрения выхода смолы в
процессе полукоксования целесообразно использовать угли
сапропелитового происхождения, причем особенно большое коли-
чество жидких продуктов приходится на их торфяную стадию (бал-
хашит), а также битуминозные гумусовые угли, т. е. сырье, отлича-
ющееся высоким содержанием водорода (низким отношением
С:Н).
Различие в строении органической части сапропелитовых и
гумусовых горючих ископаемых обусловливает существенную раз-
ницу в составах получаемых из них первичных смол. Жидкие
56
А» И. Башкиров, Г. А. Клигер
продукты пбЛукбКсования гумусовых углей представляют собой в
основном смеев ароматических И Непредельных углеводородов и
фенолов (главным Образом ВЫСШИХ), Содержание в них фенолов
колеблется в широких пределах и в некоторых случаях достигает
50%. Доля насыщенных углеводородов (йлкандв и цикланов) оказы-
вается высокой только в тех первичных смолах, которые являются
продуктами полукоксования аыоокобитуминозных углей, Жидкие
продукты термической переработки сапропелитовых углей харак-
теризуются, прежде всего, очень низким или полным отсутствием
в них фенолов. Главные компоненты этих смол— насыщенные и
ненасыщенные алифатические углеводороды. Понятно, что жид-
кие продукты полукоксования углей смешанного происхождения
будут иметь промежуточные составы.
Ассортимент товарной продукции, выпускаемой на базе смол
полукоксобаНИя, будет определяться составом первичных смол и
потребностями данного экономического района. Отметим только,
что переработка жидких продуктов гумусового и гумусо-сапропе-
литового происхождения осложняется необходимостью удаления
из них фенолов. Наиболее рациональный способ переработки
смол полукоксования твердых горючих ископаемых— метод их
гидрогенизации (подробнее о нем мы скажем ниже при описании
процесса ожижения углей) с последующим превращением их в
желаемые товарные продукты.
Первичная смола (особенно полученная из сапропелитовых
углей) может перерабатываться также по схемам, типичным для
тяжелых нефтей, — разгонка (ректификация) на отдельные фрак-
ции с последующим их крекингом или пиролизом. В качестве
товарной продукции при этом могут быть получены моторные
Топлива (бензин, дизельное топливо, керосин), котельное топливо
(Мазут), парафин, полупродукты для нефтехимической промыш-
ленности и т. д. Вели сырьем служит смола полукоксования бурых
и каменных углей смешанного происхождения, то ассортимент
выпускаемой продукции может быть дополнен различными фено-
лами.
Как уже было сказано, помимо смолы продуктами полукоксова-
ния являются полукокс и первичный газ. Полукокс (по сравнению
с Исходным углем) содержит меньше серы, кислорода и водорода,
больше углерода и золы и характеризуется, как правило, более
высокой Теплотворной способностью. Он используется как без-
дымное, малосернистое (это немаловажно при современных тре-
бованиях к охране окружающей среды) топливо, применяется в
качестве сырья для получения синтез-газа (смеси окиси углерода
и Водорода), технического водорода, высококалорийного синтети-
ческого газа.
Газ полукоксования (после удаления балласта — отмывки СО2)
состоит в основном из метана (45—60%), низших углеводородов
Искусственное жидкое топливо
57
(5—10%), водорода (6—10%) и окиси углерода (7—12%). Его тепло-
творная способность составляет 4500—6000 ккал/м3. Использу-
ется он как высококалорийный газ для промышленных и бытовых
целей, а также как сырье для получения синтез-газа и техниче-
ского водорода.
Процесс сухой перегонки твердых горючих ископаемых при
температуре 900—1100° называется коксованием. В результате
пирогенетического разложения угля в печи при этих температурах
получается твердый остаток— кокс, а также парогазовая смесь,
охлаждение, очистка и промывка которой позволяют выделить
«сырой бензол», смолу, аммиак и коксовый газ. В отличие от
процесса полукоксования сырьем в этом случае может быть огра-
ниченный круг коксующихся углей или специально приготовлен-
ные смеси нескольких сортов углей, способные к образованию
высококачественного кокса. Из-за повышенных температур
нагрева в зоне коксования происходят глубокие вторичные изме-
нения выделяющихся первичной смолы и газа, поэтому особых
различий между их составами в зависимости от свойств исходного
угля не наблюдается.
Коксовая смола (выход ее на сухой уголь составляет2,5—4%) —
ценнейший источник для получения различных ароматических сое-
динений. Достаточно сказать, что при ее глубокой переработке
могут быть получены: разнообразные ароматические углеводо-
роды (бензол, толуол, смесь ксилолов, нафталин, антрацен, карба-
зол, аценафтен, пирен), фенолы (фенол, о-крезол, и- и м-крезолы,
ксиленолы), азотистые основания (пиридин, а- и р-пиколины, пути-
дины, акридин), а также стирол, индол, кумарон и т. д. Выделяемые
из коксовой смолы каменноугольные масла— креозотовое и
антраценовое — используются как шпалопропиточные материалы,
остаток (пек) применяется в производстве лаков, изоляционных
материалов, электродного кокса. Основной потребитель кокса —
металлургия. Однако он может использоваться также как топливо
или сырье для газификации с целью получения синтез-газа, техни-
ческого водорода или высококалорийного синтетического газа.
Выход коксового газа составляет около 350 м3 на тонну сухо-
го угля. Основные его компоненты: водород (55—60%), метан
(20—25%) и окись углерода (6—10%). Теплотворность коксового
газа достигает 4000 ккал/м3. Главное использование — получе-
ние технического водорода или применение в качестве топлив-
ного газа промышленного и бытового назначения.
Второй способ переработки твердых горючих ископаемых —
гидрирование угля. Превращение каменного угля в искусственную
нефть методом гидрирования молекулярным водородом под высо-
ким давлением было осуществлено немецким ученым Ф. Берги-
усом в 1913 году. По его методу в 1923 году была пущена первая
промышленная установка по ожижению угля; Несколько позднее в
58
A. H. Башкиров, Г. А. Клигер
лабораториях фирмы „ИГ Фарбениндустри" была разработана
усовершенствованная технология каталитического гидрирования
угля, нашедшая широкое использование в промышленности Гер-
мании в предвоенное время и особенно в годы второй мировой
войны. Из 13 существовавших к тому моменту заводов 12 работали
в этой стране. В 1943 году, например, ими было произведено
около 2 млн. тонн бензина, 800 тыс. тонн дизельного топлива,
135 тыс. тонн мазута и 35 тыс. тонн смазочных материалов.
По способу фирмы „ИГ Фарбениндустри“ переработка твердых
топлив в жидкие осуществлялась в две стадии. На первом этапе
происходило собственно ожижение угля, а на втором — получен-
ные промежуточные жидкие фракции превращались в желаемые
товарные продукты.
В процессе ожижения раздробленный до пылеобразного состо-
яния исходный уголь смешивался с затирочным маслом (тяжелая
часть продукта ожижения) и катализатором. Полученная паста
гидрировалась водородом в специальных реакторах в жидкой
фазе при температуре до 480° и давлениях 300—700 атм. Выходя-
щая из блока гидрирования реакционная масса разделялась в
горячем сепараторе на шлам (тяжелое масло с примесью твердых
остатков— непревращенный уголь, зола, катализатор, продукты
уплотнения) и парогазовую смесь, содержащую пары более легких
жидких продуктов. Эти продукты поступали в холодный сепаратор,
где они конденсировались и отделялись от газовой фазы. Образо-
вавшиеся в процессе гидрирования газообразные углеводороды
отмывались маслом от циркуляционного водорода, который вновь
возвращался в систему. Конденсат из холодного сепаратора
поступал на ректификацию, при этом отбирались бензин, среднее
масло (сырье для последующей переработки) и выкипающее выше
325° тяжелое масло (часть его иногда использовалась для выра-
ботки смазочных масел). Шлам из горячего сепаратора центрифу-
гировался, твердый остаток подвергался полукоксованию. Все
полученные при этих операциях жидкие продукты смешивались с
тяжелым маслом стадии ректификации и использовались для при-
готовления угольной пасты.
В качества катализатора на этом этапе применяли смесь оки-
слов железа с сульфатом железа и сульфидом натрия. Количест-
во его, вводимое в исходную угольную пасту, составляло 1—2%
в расчете на органическую массу угля.
Для достижения максимальной эффективности стадии гидроге-
низации исходное сырье должно было содержать не менее 6 грам-
мов водорода на каждые 100 граммов углерода. Такому требова-
нию отвечают тяжелые нефтяные остатки, каменноугольные и
буроугольные смолы, угли сапропелитового происхождения, а
также битуминозные гумусовые бурые и каменные угли. При этом
с увеличением содержания углерода в органической массе угля
Искусственное жидкое топливо
59
для достижения необходимого уровня ожижения требовалось по-
вышение давления процесса. Так, если битуминозные бурые угли
могли перерабатываться при давлениях 250—300 атм, то для пре-
вращения в жидкие продукты каменных углей требовалось повы-
шение его до 700 атм. Поэтому верхний предел содержания угле-
рода в поступающем сырье был ограничен 82%. В случае необхо-
димости производилось предварительное обогащение (до содер-
жания золы —-5%) сырья и его сушка (до содержания влаги —
2%).
Полученное в результате гидрогенизации угля в жидкой фазе
среднее масло (обычно к нему присоединялся и бензин) поступало
на дальнейшую переработку в блоки паровой фазы. Эта перера-
ботка осуществлялась при температурах 400—430° и давлении
300 атм в два этапа. Сначала сырье с целью возможно более
полной его очистки от кислород- и азотсодержащих соединений
подвергалось предварительному исчерпывающему гидрированию.
Такая очистка была необходима для обеспечения длительной
работы катализатора, используемого на заключительном этапе
процесса превращения угля в бензин — стадии расщепления.
Продуктами предварительного гидрирования являются бензин и
среднее масло, а стадии расщепления — бензин и масло, возвра-
щающееся обратно в цикл. Переработка среднего масла жидкой
фазы может быть осуществлена с учетом возможности получения
керосина и дизельного топлива. В этом случае предусматривался
отбор соответствующих фракций (помимо бензиновой) при ректи-
фикации продукта стадии предварительного гидрирования. При
ожижении гумусовых углей, кроме того, считалось рациональным
выделение из среднего масла жидкой фазы перед поступлением
его на окончательную переработку смеси фенолов, которые после
дополнительной очистки выпускались в виде товарного продукта.
Состав и качество бензинов, получаемых при ожижении твер-
дых горючих ископаемых, определяются свойствами исходного
сырья. Из углей сапропелитового происхождения получаются про-
дукты преимущественно алканового строения, из углей гумусового
характера — с повышенным содержанием алициклических и аро-
матических углеводородов, однако количество последних обычно
не превышает 10—15%. Соответственно с этим и антидетонацион-
ные характеристики (октановые числа) бензинов в первом случае
несколько ниже — 55—60 единиц, тогда как во втором они дости-
гают 70 единиц. Отметим, что октановые числа обоих типов бензи-
нов могут быть существенно повышены, если их дополнительно
подвергнуть ароматизации, приводящей к накоплению в конеч-
ном продукте углеводородов ароматического строения.
Переработку среднего масла стадии жидкофазной гидрогениза-
ции можно непосредственно вести в режиме, благоприятном для
образования ароматических углеводородов. В этом случае про-
60
A. H. Башкиров, Г. А. Клигер
цесс осуществляется при более высоком давлении и температуре
480—530° в присутствии специального катализатора. Образую-
щийся при этом бензин может быть использован как компонент
высокооктановых моторных топлив или как сырье для получения
ароматических углеводородов. По сравнению с двухступенчатой
схемой переработки среднего масла в этом случае достигается
более высокая производительность единицы оборудования, но
зато требуется аппаратура, рассчитанная на значительно более
высокое давление.
В процессе гидрогенизации углей помимо жидких продуктов
образуется значительное количество насыщенных газообразных
углеводородов, основную массу которых составляет метан, этан,
пропан и бутаны. В среднем при степени ожижения органической
массы исходного угля 90—95% выход жидких продуктов достигал
60—65%, а газообразных —25—30%.
С учетом технологических затрат и затрат на получение водо-
рода производство одной тонны бензина методом гидрирования
угля требовало не менее 5—5,5 тонны условного топлива, при этом
термический КПД завода гидрогенизации составлял 30—35%. Эти
показатели на сегодняшний день нельзя считать удовлетворитель-
ными, и поэтому в последние годы предпринимаются энергичные
усилия, направленные на повышение эффективности процесса
гидрирования твердых топлив. Сопоставление материальных
балансов и совокупности затрат по отдельным стадиям перера-
ботки угля свидетельствует о том, что успех в усовершенствовании
этого процесса кроется, прежде всего, в улучшении показателей
стадии ожижения. Она осуществляется при давлении до 700 атм,
требует наибольшего объема аппаратуры и основных технологиче-
ских затрат, в этой стадии потребляется 75% всего необходимого
водорода, на нее приходится одновременно 85% всех образую-
щихся газообразных углеводородов.
Для повышения технико-экономических показателей ожижения
важно найти катализаторы, более активные, чем существующие
железные. В идеале такой катализатор должен сочетать высокую
активность и селективность с низкой стоимостью, что позволило
бы значительно понизить давление и температуру процесса и
повысить его производительность, не усложняя существующую
технологическую схему. Однако эту проблему еще предстоит
решить.
Разработанные к настоящему времени катализаторы пока еще
недостаточно активны и отличаются к тому же относительно высо-
кой стоимостью. Поэтому в случае ввода таких катализаторов в
угольную пасту приходится предусматривать стадию их регенера-
ции из получаемых шламов. Более интересно с точки зрения после-
дующей промышленной реализации использовать эти катализа-
торы в виде стационарного слоя. При этом для предотвращения
Искусственное жидкое топливо
61
засорения его частицами угля и продуктами уплотнения предлага-
ется осуществлять процесс либо в специальных условиях (псевдо-
ожиженный слой), либо использовать в качестве исходного сырья
не угольную пасту, а экстракты угля, предварительно освобожден-
ные от золы и непревращенной части органической массы (т. е.
той части, которая не перешла в раствор). Такие экстракты могут
быть получены растворением угля в относительно мягких условиях
в некоторых продуктах его ожижения. Другой эффективный путь
получения сырья для гидрогенизации на стационарных катализато-
рах — растворение угля в ароматических углеводородах, напри-
мер, бензоле при температурах и давлениях, близких к критиче-
ским. Указанные методы уже воплощены в опытных технологиче-
ских схемах, доказавших свою состоятельность и эффективность
во время серьезных проверок в условиях, близких к промышлен-
ным.
Это позволяет довольно отчетливо представить себе основные
контуры завода по ожижению твердых топлив самого ближайшего
будущего. Он предстает перед нами как совокупность углехимиче-
ских процессов, которые осуществляются при одном относительно
невысоком давлении — 100—200 атм. Паста угля (или угольный
экстракт, освобожденный от растворителя) гидрируется на стацио-
нарном слое активного катализатора. Образующийся в горячем
сепараторе шлам подвергается вакуумной дистилляции, остаток
идет на производство водорода. Полученные жидкие фракции
перерабатываются по обычным схемам нефтепереработки в широ-
кую гамму разнообразных продуктов топливного и химического
назначения —- бензин, дизельное и котельное топливо, керосин,
смазочные масла, фенолы, ароматические углеводороды, углево-
дороды С2—С4 и т. д.
Третий метод — синтез на основе окиси углерода и водорода.
Он может быть осуществлен на базе процесса газификации
любого углеродсодержащего сырья, поэтому его можно рассма-
тривать как наиболее универсальный способ превращения твер-
дых горючих ископаемых в жидкие углеводородные продукты. Этот
синтез был открыт в Германии Ф. Фишером и Г. Тропшем в
1925—1926 годах, а уже в 1936 году процесс получения жидких
углеводородов из окиси углерода и водорода был реализован в
промышленном масштабе. В годы, предшествующие второй миро-
вой войне, в различных странах было построено и введено в
эксплуатацию 15 заводов проектной мощностью 1,1 млн. тонн
жидких продуктов в год, из которых 9 работали в Германии.
Синтез углеводородов на этих заводах осуществлялся при атмо-
сферном или среднем (до 10 атм) давлении, в интервале темпера-
тур 170—210° в присутствии осажденного кобальтового катализа-
тора. Степень превращения исходного газа за проход в этих усло-
виях составляла 60—65%, поэтому процесс проводили в несколь-
62
A. H. Башкиров, Г. А. Клигер
ко стадий. Товарная продукция состояла из моторных топлив (бен-
зин, дизельное топливо), смазочных масел, парафина, церезина
и т. д. Максимальная мощность заводов синтеза, работающих в
Германии, была достигнута в 1944 году и составила 600 тыс. тонн.
По основным технико-экономическим показателям синтез Фише-
ра—Тропша на кобальтовых катализаторах был малоэффекти-
вен: катализатор дорог и дефицитен, его регенерация сложна,
производительность процесса составляла всего лишь около
8—12 кг жидких продуктов с 1 м3 катализатора в час, катализатор
(срок службы его 6—12 месяцев) нуждался в периодической реге-
нерации (экстракция жидкими продуктами синтеза при повышен-
ных температурах с последующей обработкой водородом).
После 1950 года синтез в этом варианте существовал лишь в
ГДР, СССР, Китае. Новочеркасский завод синтетических продуктов
продолжает работать и сейчас, выпуская широкий круг индивиду-
альных химических веществ, которые применяются как реактивы в
лабораториях, а также продукцию, используемую в целом ряде
отраслей промышленности (химической, лакокрасочной, фарма-
цевтической и т. д.). В начале 50-х годов были предприняты две
неудачные попытки возродить синтез из окиси углерода и водо-
рода на основе новых, более эффективных железных катализато-
ров. В ФРГ (г. Бергкамен) производство вскоре было закрыто из-
за успешной конкуренции более дешевых нефтяных продуктов.
Завод, сооруженный в г. Броунсвилль (США) по синтезу во взве-
шенном слое плавленого железного катализатора (Хайдрокол-про-
цесс) производительностью 400 тыс. тонн в год, вследствие техно-
логических трудностей достиг в конце концов менее половины
запланированной мощности и был остановлен в 1953 году.
В 1955 году в Южной Африке фирмой «Сасол» введен в строй
завод по синтезу моторных топлив из окиси углерода и водорода
производительностью около 250 тыс. тонн в год. Сырьем здесь
служит бурый высокозольный уголь, который газифицируется под
давлением 30 атм парокислородной смесью. Полученный синтез-
газ очищается от смолы и соединений серы и перерабатывается в
смесь углеводородов в две ступени при давлении 20—30 атм. Пер-
вая ступень — реакторы со стационарным слоем таблетированно-
го, железо-медного катализатора, работающие при температуре
220—240°. Степень превращения окиси углерода на этой ступени
составляет 65—70%, а производительность катализатора —
50—60 кг/м3 ч. Отходящий газ (после дополнительной конвер-
сии метана) поступает на вторую ступень: в реакторы с псевдоожи-
женным слоем циркулирующего плавленого железного катализа-
тора. В этом случае процесс осуществляется при температуре
320—340°. Степень превращения окиси углерода при этом дости-
гает 90%, а производительность катализатора — 150 кг/м3 ч.
Основные продукты первой ступени — низкооктановый бензин
Искусственное жидкое топливо
63
(25%), высококачественное дизельное топливо (15%), тяжелое
парафиновое масло (10%) и ценные высокоплавкие парафины
(25%). Указанные продукты имеют преимущественно нормаль-
ное строение (разветвление — примерно 5 групп СН3 — на каж-
дые 1000 атомов углерода). Основной компонент жидких углево-
дородов, получаемых во второй ступени, — бензин (до 55%).
Углеводороды бензиновой фракции содержат до 70% олефинов
при степени разветвления в 11 раз более высокой, чем в предыду-
щем случае, что обеспечивает более высокое качество по-
лучаемым бензинам.
После 1970 года в связи с резким повышением цен на нефть и
нефтепродукты фирмой «Сасол» было принято решение о.расши-
рении производства моторных топлив из окиси углерода и водоро-
да. Комплекс «Сасол II», строящийся в Трансваале, рассчитан на
получение 2 млн. тонн первичных продуктов в год. Предполагает-
ся, что эту производительность обеспечат 8 реакторов с псевдо-
ожиженным слоем железного катализатора проектной мощностью
250 тыс. тонн в год каждый. Ожидается, что к середине 80-х годов
завод достигнет запланированной производительности.
Таким образом, синтез из окиси углерода и водорода на сего-
дняшний день является единственным в мировой промышленной
практике процессом, используемым для получения искусственного
жидкого топлива на основе твердых горючих ископаемых. По срав-
нению с первоначальным вариантом, предложенным Ф. Фишером
и Г. Тропшем, он претерпел значительные изменения. При этом
существенно отметить, что в отличие от процесса гидрогенизации
углей различные модификации технологических схем синтеза
были опробованы в промышленных масштабах. Последнее обсто-
ятельство позволило отобрать наиболее удачные решения при
проектировании вновь создаваемого комплекса «Сасол II», кото-
рый, таким образом, представляет собой последнее слово науки и
техники в области синтеза. Однако даже и в этом наиболее совер-
шенном варианте синтез из окиси углерода и водорода уступает по
экономическим показателям процессу гидрогенизации угля — на
производство 1 тонны бензина этим методом потребуется затра-
тить, по-видимому, вместо 5—5,5 не менее 6—6,5 тонны условного
топлива. Более того, получаемое при этом основное моторное
топливо — бензин характеризуется значительно более низким
качеством. Все это не позволяет считать синтез из окиси углерода
и водорода в его теперешнем виде достойным конкурентом про-
цессу гидрогенизации угля при получении искусственного жидкого
топлива (за исключением таких случаев, как в ЮАР, где много-
зольный бурый уголь не экономично перерабатывать последним
способом). Гораздо более благоприятные перспективы просматри-
ваются при использовании продуктов синтеза в качестве сырья для
последующей переработки. Эти продукты (особенно полученные в
64
A. H. Башкиров, Г. А. Клигер
процессе со стационарным слоем катализатора) отличаются прак-
тически полным отсутствием сернистых соединений, ароматики и
имеют преимущественно нормальное строение. Перечисленные
качества создают исключительно благоприятные возможности для
непосредственного эффективного использования этих продуктов в
таких многотоннажных химических процессах, как окисление,
нитрование, хлорирование, пиролиз, микробиологический синтез и
т. д. Несомненно, в этом плане они оказываются гораздо более
ценным сырьем, чем жидкие продукты гидрирования угля или даже
соответствующие нефтяные фракции.
Рассмотрение структуры себестоимости продуктов синтеза из
окиси углерода и водорода показывает, что наибольший вклад в
себестоимость вносит сырье (60%). Поэтому повышение экономи-
ческих показателей синтеза следует, очевидно, искать (помимо
уменьшения стоимости сырья) в понижении расходных показате-
лей, а также повышении производительности процесса. К числу
наиболее перспективных направлений научных исследований,
призванных решить эти задачи, следует отнести: разработку новых
высокоэкономичных методов получения синтез-газа, например, с
использованием тепла высокотемпературных ядерных реакторов,
и особенно, в плане отдаленного будущего, создание принци-
пиально новых каталитических систем на базе, например, металло-
комплексных соединений, которые характеризовались бы (в иде-
альном случае) повышенной активностью (возможностью осуще-
ствлять процесс при низких температурах и давлениях), селектив-
ностью и производительностью. Не исключено, что при этом уда*
стся разработать прямой экономичный синтез высококачествен-
ного моторного топлива. Еще более многообещающее направле-
ние таких исследований — создание на базе окиси углерода и
водорода способов получения продуктов, синтезируемых в насто-
ящее время сложными многостадийными способами из нефтяного
сырья. Такими продуктами, принципиальная возможность получе-
ния которых этим методом на сегодняшний день уже установлена,
являются ароматические и непредельные углеводороды, углево-
дороды изостроения, высокомолекулярные парафины нормаль*
ного строения, аналогичные по составу полиэтилену, алифати-
ческие спирты, альдегиды, кетоны, простые Эфиры, гликоли,
глицерин, амины, нитрилы и т. д.
В связи с затронутыми вопросами о перспективах синтезов из
окиси углерода и водорода необходимо сказать несколько слов о
метаноле — многотоннажном и дешевом продукте этого синтеза.
В предвоенные годы и особенно во время второй мировой войны
он применялся в качестве компонента автомобильного топлива.
Сейчас требования к горючему изменились, да и сами автомобили
стали другими, поэтому непосредственное использование мета-
нола в двигателях внутреннего сгорания затруднено. Однако, как
Искусственное жидкое топливо	65
показали исследования фирмы «Фольксваген», добавка, его в
серийные бензины в количестве до 15% приводит к существенному
экономическому эффекту. Еще больший интерес представляет
установленная недавно возможность превращения метанола в
смесь алифатических и ароматических углеводородов бензиновой
фракции (высококачественный бензин) или смесь низших непре-
дельных углеводородов (в основном этилен и пропилен). Это пре-
вращение протекает при повышенных температурах на селектив-
ных цеолитовых катализаторах. Говорить р важности этого факта
для промышленности, вероятно, не следует. Достаточно отметить,
что получение высокооктановых бензинов этим методом планиру-
ется в широких масштабах на одном из вновь строящихся в США
заводов по производству метанола на базе продуктов газификации
угля.
Таким образом, состояние научных исследований на сегодняш-
ний день убедительно показывает, что полноценная замена нефти
может быть достигнута лишь на основе органического сочетания
процессов гидрогенизации угля и синтеза из окиси углерода и
водорода, объединенных в единый комплекс топливно-нефтехими-
ческого профиля. Только такой комплекс на базе любого вида
твердого топлива может обеспечить в обозримом будущем одно-
временное получение основных видов моторных топлив и всей
гаммы органических продуктов, производимых сейчас совокупно-
стью нефтехимических процессов из нефтяного сырья*.
Одной из трудных проблем, возникающих при создании таких
производств, будет проблема сырья. Даже заводу относительно
небольшой для этой отрасли мощности — 1 млн. тонн жидких
продуктов в год — необходимо будет ежегодно перерабатывать (в
пересчете с условного топлива) от 5 до 15 млн. тонн угля (в зависи-
мости от его качества). А ведь потребность в указанных продуктах
исчисляется сотнями миллионов тонн. Такое количество угля с уче-
том долгосрочной перспективы могут обеспечить лишь мощные
месторождения с неглубоким залеганием пласта, позволяющим
вести его добычу наиболее производительным и дешевым откры-
тым способом. В этом плане в СССР наиболее перспективны
угольные месторождения Сибири, например Канско-Ачинское.
Вторая проблема — экономическая. Расчеты специалистов
показывают, что промышленная реализация процессов перера-
ботки твердых горючих ископаемых в разнообразные жидкие
продукты экономически целесообразна лишь при соотношении
цен на уголь и нефть порядка 1:10—1:14. С учетом тенденции к
быстрому росту стоимости нефти на мировом рынке можно с
* В ряде случаев, по-видимому, существенное значение могут иметь также про-
цессы полукоксования. Так, например, в 30-х годах получение моторных топлив на
базе продуктов полукоксования сибирских углей Барзасского месторождения было
более выгодно, чем завоз этого топлива из Европейской части СССР.
66
A. H. Башкиров, Г. А. К.шгер
уверенностью прогнозировать, что этот уровень будет достигнут и
даже превзойден в самом ближайшем будущем.
Становится очевидным, что к настоящему времени имеются все
основные предпосылки для создания промышленности по перера-
ботке твердых горючих ископаемых в смеси разнообразных угле-
водородов — искусственное жидкое топливо и сырье для нефте-
химии. Разумной альтернативы этому решению на сегодняшний
день, по-видимому, предложить нельзя.
При обсуждении проблемы полноценной замены нефти продук-
тами переработки угля мы до сих пор сознательно не касались
одного из очень важных аспектов ее будущего. Дело в том, что
запасы твердых горючих ископаемых хотя и очень велики, но
отнюдь не безграничны и так же, как ресурсы нефти, — невоспол-
нимы. Следовательно, можно предвидеть и такой момент, когда
иссякнут и они. В этом случае, по-видимому, самые широкие гори-
зонты откроются перед синтезом из водорода и окислов углерода.
При наличии достаточно мощных источников энергии водород (а он
сам, кстати, является очень перспективным видом топлива для дви-
гателей внутреннего сгорания и энергетических установок) может
быть легко получен разложением воды, а окислы углерода — раз-
личных карбонатных пород, например известняка.
Нельзя также не принимать во внимание огромные потенциаль-
ные возможности, которые заложены в усовершенствовании
процессов переработки различных видов возобновляемого расти-
тельного сырья. Методы его превращения в жидкое топливо и
разнообразные углеводороды широко и успешно разрабатыва-
ются во многих странах мира, особенно в Северной и Южной
Америке, Африке, Японии. В Бразилии, например, успешно реали-
зуется долгосрочная программа, направленная на замену бензина
этиловым спиртом (продуктом переработки сахарного тростника)
и использование последнего для получения углеводородного
сырья.
Наконец, возможно появление принципиально новых методов
получения необходимых органических продуктов на базе, напри-
мер, процессов, моделирующих фотосинтез. Но эти вопросы, впро-
чем, уже выходят за рамки проблемы, которой посвящена насто-
ящая статья.

ДЖОРДЖ ДЬЮИС МОРГАН {.Morgan) — американский
специалист по физической неорганической химии, профес-
сор химии Вайомингского университета (США). С 70-х го-
дов Дж. Л. Моргай занимается синтезом и изучением свойств
б е р и л л и й ор г а н и ч ес к и х с о ед и н е н и й.
БЕРИЛЛИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Менделеев в свое время справедливо назвал водород уникаль-
ным элементом. Бериллий в этом отношении, пожалуй, мало усту-
пает водороду: его атом имеет малые размеры, он расположен в
начале периодической системы.
Лучшая возможность познать природу химической связи пред-
ставляется при изучении соединений, имеющих минимальное
число электронов. Поэтому соединения бериллия оказываются
прекрасными объектами для данной цели. Но, к сожалению, до
недавнего времени бериллийорганические соединения не могли
дать нам полезной информации по следующим двум причинам.
1. Эти соединения очень реакционноспособны, и либо разлага-
ются, либо взаимодействуют со следами кислорода или воды с
образованием чрезвычайно токсичных продуктов. Окись бериллия
(и некоторые другие простые его соединения) способна вызвать
рак кожи, а при вдыхании — соединительной ткани легких, анало-
гично наблюдаемому при силикозе*.
* Краткое замечание будущим ученым: как и вообще в жизни, в науке при
встрече с неизвестным следует быть осторожным. Если природа явления известна,
68
Дж. Л. Морган
2. Чтобы разобраться в природе химической связи бериллий-
органических соединений, необходимы были современные физи-
ческие методы анализа. Использование соответствующих измери-
тельных приборов для этих целей стало возможным совсем недав-
но.
Первую проблему удалось решить, применяя изолированную
камеру с инертной атмосферой, которая постоянно подвергается
очистке для удаления следов кислорода и влаги до концентрации,
меньшей чем 1 м. д. (миллионная доля). Полезными также оказа-
лись высоковакуумные системы, хотя при неправильном использо-
вании они представляют определенную опасность.
Дальше мы еще коснемся необходимости применения совре-
менного физического оборудования.
Электронодефицитная связь
Диметилбериллий, подобно диборану и димеру триметилалюми-
ния, обычно приводят в качестве примера для иллюстрации элек-
тронодефицитной связи.
В кристаллическом состоянии диметилбериллий — полимер, в
газообразном — в основном мономер. В кристаллическом полиме-
Диборан
Диметилбериллий
исследующий его ученый инстинктивно принимает меры безопасности. ,Чотя слово
«рак» пугает большинство людей, тем не менее ученый и в этом случае видит перед
собой определенные перспективы. Рак — это неконтролируемый рост, однако, неко-
торые исследования указывают, что соли бериллия могут быть полезны для стимуля-
ции контролируемого роста, такого, например, какой имеет место при регенерации
конечностей, отсеченных у ящериц.
Бериллийорганические соединения и теория химической связи
69
ре расположение атомов углерода вокруг атома бериллия почти
соответствует тетраэдрическому, внутренний угол С—Be—С со-
ставляет 114°. Полагают, что каждый метильный атом углерода
связан с двумя атомами бериллия посредством пары электронов,
занимающих трехцентровую молекулярную орбиталь, образуемую
из гибридных sp3 орбиталей одного атома углерода и двух атомов
бериллия.. Малый угол Be—С—Be, составляющий 66°, объясняет-
ся как результат действия двух противоположных тенденций,
стремления к максимальному увеличению перекрывания элект-
ронных облаков и к уменьшению до минимума взаимного отталки-
вания атомов металл — металл.
Несвязывающее взаимодействие необычайно важно в опреде-
лении стабильности соединений этого типа. Расстояние
металл—металл, равное 2,09 А, всего на 0,23 А больше, чем удво-
енный ковалентный радиус бериллия. Расстояние угле-
род—углерод внутри каждого четырехчленного цикла составляет
3,15 А, а расстояние между атомами углерода, принадлежащими
соседним циклам в цепи, не превышает 3,56 А. В органических
соединениях несвязанные атомы углерода отстоят друг от друга по
крайней мере на 4,1 А.
Расстояние между атомами Be и С в полимере диметилбериллия
составляет 1,93 А; оказалось, что это намного больше, чем длина
связи, характерная для мономера в газовой фазе. Упомянутые вна-
чале трудности удалось преодолеть, применив инфракрасные спе-
ктральные и электронографические исследования в газовой фазе.
Для постановки двух соответствующих экспериментов были спе-
циально сконструированы высокотемпературные целиком кварце-
вые ячейки с нагреваемыми входами.
Исследования позволили проникнуть в сущность теории хими-
ческой связи. Механизму реакций посвящены тома, трактующие
проблему гиперконьюгации. Мономер диметилбериллия считается
идеальным примером стабилизации за счет гиперконьюгации *.
Н	Н
।	0	।	0
Н----С — Be == С Н
Н	Н
— ___________ Диметилбериллий
* Приношу свои извинения читателю за такую упрощенную схему связей; суще-
ствуют схемы молекулярных орбиталей, которые физически более правдоподобны,
однако их труднее представить графически.
70
Дж. Л. Морган
СН3	сн3
СН з — С------ Be---- с ----- СН з
I I
СН,	сн3
Бис (трет-бутил) бериллий
Вместе с тем трет-бутильные группы не обладают свойствами,
обычно приписываемыми гиперконьюгации. Отсутствие укороче-
ния связи в диметилбериллии по сравнению со связью в бис (трет-
бутил) бериллии (в обоих случаях 1,70 А) свидетельствует против
представления о гиперконьюгации (в основном состоянии). Приво-
дились такие же аргументы против гиперконьюгации в триметилбо-
ране; структурных доказательств в пользу гиперконьюгации в
основном состоянии получено не было. Действительно, расчеты
молекулярных орбиталей с помощью расширенного метода Хюк-
келя показывают, что электронная плотность перекрывания
л-орбиталей связи М—С (где М — металл) на 10% меньше, чем
электронная плотность о-связи в этих молекулах.
В предыдущем примере рассматривалось термическое расще-
пление электронодефицитной связи. Общепринятый способ рас-
щепления таких связей — растворение в основных растворителях,
таких, как простые эфиры или амины. Поскольку для диметилбе-
риллия характерен дефицит электронов, он легко взаимодействует
с молекулами, которые могут снабдить его электронной парой.
Правда, последующее удаление молекул растворителя обычно
связано с большими трудностями. При изыскании метода синтеза
меченого диметилбериллия на основе так называемых реакций
Гриньяра было установлено, что диметилсульфид не только хоро-
ший растворитель, но после реакции достаточно легко удаляется.
Охлаждение растворов диметилбериллия в диметилсульфиде при-
водит к осаждению игольчатых кристаллов диметилбериллия,
подобных полученным сублимацией. Спектр ЯМР (ядерного маг-
нитного резонанса) полученного раствора оказался температурно-
зависимым, что согласуется с равновесиями:
Ме2Ве -SMe2 + SMe2 Me2Be(SMe2)2
n[Me2Be (SMe,)9] (Me2 Be)n (SMe 2 ) 2 + (2n-2)SMe 2
с образованием следующих ассоциатов (комплексов):
Бери.'|.1ийорганические соединения и теория химической связи
71
Особенно интересный результат этих исследований — отнесе-
ние сигналов ПМР (протонного магнитного резонанса): сигнал
10,80 м. д. (т) соответствует концевым метильным группам,
10,41 м. д. (т) — мостиковым метильным группам в конце цепи
(и поэтому подверженным влиянию молекул растворителя) и
10,31 м. д. (т) — метильным группам внутри цепи. Подобные ис-
следования требуют не просто ЯМР-спектрометра; здесь нужен
прибор с очень высоким разрешением, способный регистриро-
вать слабые сигналы, расположенные очень близко друг от друга.
Нет необходимости объяснять, что до недавнего времени условий
для такой работы не было. В дополнение к сказанному выше
следует отметить, что температурная зависимость ЯМР-спектров
делает возможным рассчитать термодинамические параметры.
Встречающийся в природе бериллий содержит 100% 9Ве с маг-
нитным моментом Г~3/2. Это позволяет создать устройство для
изучения магнитного резонанса бериллия. Сигналы ЯМР 9Ве в
бериллийорганических соединениях расположены в относительно
широком диапазоне, что обусловливает большую информатив-
ность ЯМР-спектров. Химические сдвиги сильно зависят от коорди-
национного числа бериллия и природы (электроотрицательности)
групп, связанных с атомом бериллия. Сдвиг ЯМР определяется
главным образом экранированием и лишь в небольшой степени —
локальными диамагнитными эффектами. (Данных о вкладе пара-
магнитного эффекта получено не было.)
Методом ЯМР 9Ве была подтверждена структура описанных
выше соединений и четко идентифицированы многие другие
бериллийорганические соединения в растворе. Так, было установ-
лено, что комплекс Ме2Ве с эфиром в растворе диэтилового эфира
имеет состав 1:1 (Ме2Ве-OEt2), а не 1:2, как это предполагалось
ранее (отметим, что ни ПМР-спектры, ни другие методы не позво-
лили однозначно определить состав этого комплекса).
Другим методом, используемым для изучения различных образ-
цов в растворе, в частности для исследования степени ассоциации
(погчл\'^оизации), является измерение молекулярного веса. Для
анализа смесей необходимы очень точные данные. К сожалению.
72
Дж. Л. Морган
такие данные до недавнего времени могли быть получены только
при температуре кипения или замерзания растворителя. А вместе
с тем, как показывают приведенные примеры, структура этих
веществ часто сильно зависит от температуры.
Недавно в рамках программы космических исследований был
разработан прибор, регистрирующий минимальные колебания дав-
ления,— баратрон. Основу прибора представляет собой очень
тонкая диафрагма между двумя камерами, которая прогибается
при изменении разности давления между камерами. Электронное
устройство регистрирует прогибание диафрагмы. Этот прибор
позволяет в широком диапазоне температур применять общеиз-
вестный закон Рауля для непосредственного измерения молеку-
лярного веса и расчета степени ассоциации органических соеди-
нений в растворах.
Циклопентадиенильные соединения бериллия
После открытия ферроцена и нового типа связи в этом соеди-
нении были синтезированы циклопентадиенильные комплексы
большинства металлов. Был получен и дициклопентадиенилбе-
риллий— (С5Н5)2Ве; при этом еще раз показано, что бериллий
образует необычное соединение, чрезвычайно чувствительное к
воздуху, существующее в газовой фазе и в растворе в виде моно-
мера, но обладающее высоким дипольным моментом — около
2,5D. Эту особенность удалось объяснить с помощью электроно-
графического исследования паров. Было установлено, что кольца
С5Н5 плоские и расположены параллельно друг другу (как в ферро-
цене). Исследование показало, что атом металла может занимать
две альтернативные позиции на оси симметрии пятого порядка —
на расстоянии около 1,5 А от плоскости одного кольца и около
2,0 А от плоскости другого.
Можно предложить электростатическую модель с двумя арома-
тическими циклопентадиенильными анионами, находящимися друг
от друга из-за отталкивания между л-электронными облаками на
расстоянии не ближе чем 3,5 А. Ион Be2" слишком мал для того,
чтобы занять объем между кольцами, и кривая потенциальной
энергии имеет два минимума на оси пятого порядка.
Читателю следует вспомнить описание связи в ароматических
кольцах в терминах метода молекулярных орбиталей. Для бензола
молекулярные орбитали обозначаются:
Бериллийорганические соединения и теория химической связи
73
Е2
Для ароматического СбНб-аниона существует лишь пять молеку-
лярных орбиталей, аналогичных орбиталям A, Ei и Е2 в бензоле.
Если предположить, что атом Be имеет sp-гибридизацию (как в
мономере диметилбериллия), то существуют две свободные р-ор-
битали, перпендикулярные sp-гибридным орбиталям. Таким обра-
зом, мы имеем необходимую для образования связи симметрию
между sP-гибридной и А-молекулярной орбиталью С5Н5(а-связь) и
между двумя р-орбиталями и Бимолекулярными орбиталями (две
p-связи). Однако из-за малого размера атома бериллия достаточ-
ное перекрывание может происходить лишь с одним кольцом; при
этом образуется практически «тройная» связь с одним кольцом и
одинарная связь с другим. Рентгеноструктурное исследование мо-
нокристалла подтверждает такое предположение; в отличие от га-
зовой фазы одно кольцо находится близко к бериллию, в то время
1,20 А (образуя, напри-
плотность обеспечива-
весьма полезными для
как другое кольцо смещено в сторону на
мер, другой тип ci-связи).
Поскольку необходимая электронная
ется циклопентадиенильным анионом, то
исследования концевыхсвязей Be—Хв газовой фазеоказались сое-
динения ряда (С^Н^Ве X, где Х-Cl, Вг, ВН4,Н и органические ради-
калы (СНз, С2Н5 и т. д.). Например, ВеС12 при комнатной темпера-
туре представляет собой полимер, аналогичный диметилбериллию
(однако это не электронодефицитное соединение, так как в каче-
стве мостиковых групп выступают Cl-анионы). В газовой фазе при
высокой температуре можно получить мономер; однако нельзя
74
Дж. Л. Морган
считать, что при этом образуются простые Be—CI связи, так как
имеет место дополнительная стабилизация за счет л-орбиталей.
В случае (С5Н5)ВеС1 можно ожидать связь такого типа:
Структура в газовой фазе подтверждает такую трактовку: длина
связи Be—Cl в молекуле ВеСЬ составляет 1.75 А, а в молекуле
(СбН5)ВеС1 эта величина намного больше — 1,84 А, и связь соот-
ветственно слабее. Результаты исследования микроволновых спе-
ктров при измерении константы квадрупольного расщепления ядра
О (оценивающей искажение облака электронной плотности вокруг
ядер хлора) свидетельствуют о том, что хлор близок к аниону,
который обладает очень слабым ковалентным взаимодействием с
атомом бериллия, т. е. электронная плотность смещена в сторону
атома хлора.
Недавно с помощью фотоэлектронных спектров ряда этих сое-
динений в газовой фазе были получены корреляции, полезные для
проверки положений квантовой теории. Два из этих соединений
будут описаны ниже при рассмотрении вопроса о мостиковых ато-
мах водорода в бериллиевых соединениях.
Исследования самого (CsHsbBe дали доказательства существо-
вания нового типа электронодефицитной связи В растворе неаро-
Бериллийорганические соединения и теория химической связи
75
матических растворителей спектры ЯМР имеют обычный характер,
и система диамагнитна. Однако в ароматических растворителях,
таких, как толуол, спектры были необычны, и исследования при
различных температурах свидетельствовали о парамагнетизме.
Однако в чем причина парамагнетизма? Изучение спектров ЭПР
(электронного парамагнитного резонанса) при низких температу-
рах позволило дать следующее объяснение, которое находится в
соответствии с результатами исследования ЯМР и други-
ми данными:
X
Две молекулы (CsHs^Be образуют комплекс с одним ароматиче-
ским кольцом, которое поэтому отличается от прочих молекул рас-
творителя (не принимающих участия в образовании комплекса).
Полезной является модель, в которой принимается, что атомы Be
находятся в вр3-гибридизованном состоянии: две орбитали каждого
атома бериллия могут использоваться на образование связи с
четырьмя С5Н5-группами, остальные четыре орбитали двух атомов
бериллия, по-видимому, взаимодействуют с молекулярными орби-
талями бензола (что описано ранее). Это лучше всего иллюстриру-
ется качественной диаграммой молекулярных орбиталей:
4 в
— ----------1-------—	---------
к Е Н - - - -	|	/----------
ф	—--— z Гибридные
(?) А Sp3 орбитали
бериллия
Орбитали бензола	it
Соображения симметрии допускают взаимодействие лишь
одной из двух Ei-орбиталей и одной из двух Е2-орбиталей. Так,
76
Дж. Л. Морган
уровень Е2 может снизиться до такой степени, что становится
возможным заселение его электронами с Ет-уровня за счет тепло-
вой энергии. Сложный ЭПР-спектр содержит все три таких сигна-
ла: 1) мультиплет из семи пиков, соответствующих расщеплению
неспаренного электрона двумя ядрами со спином 3/2 (9Ве имеет
спин 3/2); 2) сигнал нормального ароматического радикала;
3) пики ароматического кольца, указывающие на электрон-элек-
тронное взаимодействие. Мы получили прямое доказательство
электронодефицитной связи — молекулярная орбиталь распро-
страняется на два атома бериллия и на то, что находится между
ними. В результате мы имеем дело с новым типом электронодефи-
цитной связи; «то, что находится между атомами бериллия», пред-
ставляет собой не is-орбиталь атома Н (как в случае диборана) и не
зр3-гибридную орбиталь атома С (как в случае диметилбериллия). а
ароматическую молекулярную орбиталь.
Производные гидрида бериллия
О чистых алкилбериллиевых гидридах, не содержащих основа-
ний, известно немного. Попытки их выделения приводят к образо-
Учение о химической связи — центральная проблема современной
химии. Не зная природу взаимодействия атомов в веществе, нельзя
понять причины многообразия химических соединений, представить
механизм их образования, состав, строение и реакционную способ-
ность. Современные методы исследования позволяют эксперимен-
тально определить пространственное положение в веществе атомных
ядер.
В качестве модели состояния электрона в атоме в квантовой меха-
нике принято представление об электронном облаке, плотность соот-
ветствующих участков которого пропорциональна вероятности нахо-
ждения на них электрона. Пространство вокруг ядра, в котором
Бериллийорганические соединения и теория химической связи
77
ванию стекловидных твердых веществ или сильно ассоциирован-
ных форм в растворах.
Все эфирные комплексы (RBeH OEt2)2 димерны в бензоле и
представляют собой жидкости при комнатной температуре.
ИК-спектральные и рентгенографические исследования свиде-
тельствуют о том, что такие комплексы, а также подобные комп-
лексы с азотистыми основаниями имеют структуру, аналогичную
диборану (о нем см. в начале статьи). Методом ЯМР-спектроско-
пии были получены доказательства существования температурно-
зависимого равновесия между цис- и трансизомерами аддукта и
триметиламином:
Be Be
(CH3)3N Н
Be	Be
(CHJ3N V
Цис-форма
Транс-форма
наиболее вероятно пребывание электрона (вероятность выше 95%),
называется орбиталью. В соответствии с квантовомеханическими
расчетами формы орбиталей можно представить как шарообразные
для s-орбиталей, гантелеобразные для р-орбиталей и более сложной
формы для d- и f-орбиталей.
Так, атом водорода имеет только s-орбиталь, элементы II периода
периодической системы имеют s- и р-орбитали; более тяжелые эле-
менты имеют также d- и f-орбитали.
Очень важна симметрия орбиталей: перекрывание орбиталей и
образование связей может произойти только в том случае, когда у
орбиталей есть общие элементы симметрии. Сферические s-орбитали
имеют бесконечное множество плоскостей и осей симметрии, р-орби-
тали — антисимметричны по отношению к плоскости, перпендику-
лярной их оси. У четырехлопастных d-орбиталей — сложные эле-
менты симметрии.
В тех случаях когда две орбитали с близкими энергиями имеют
общие элементы симметрии, они могут взаимодействовать и давать
две гибридные орбитали с более низкой энергией. Если атом обладает
только одной р-орбиталью, способной к гибридизации с s-орбиталью,
то такой атом находится в sp-гибридизованном состоянии. При этом sp-
орбитали находятся на одной прямой (Н—С —Н). Если атом имеет
две р-орбитали, способные к гибридизации с s-орбиталью, то такой
78	Д»- Л. Морган
Различие в энтальпии (теплосодержании химической связи)
обеих форм невелико, цисформа более устойчива при низкой, а
трансформа — при высокой температуре. Различие же в энтро-
пии5' между двумя формами существенно. Поскольку внутримоле-
кулярный вклад в энтропию каждого изомера должен быть практи-
чески одинаковым, можно предположить, что значительное разли-
чие в энтропии связано с большей упорядоченностью сольватиру-
ющих молекул растворителя в случае сильно полярной цисформы.
Циклопентадиенилбериллий гидрид мономерен в газовой фазе,
однако в твердом состоянии происходит интересная ассоциация.
Полосы в ИК-спектре, относящиеся к колебаниям Be—Н связи,
совершенно отличны от наблюдаемых для вышеописанных соеди-
нений, однако напоминают те, которые свойственны стекловид-
ному (ВеН2)х. Сам гидрид бериллия полностью не охарактеризо-
ван, однако предполагают, что он содержит линейные мостики
Be—Н—Be (которые и дают стекловидную структуру BeHg)-
ИК-спектры твердого (CJ-lgJBeH позволяют предположить ас-
социацию такого вида:
* Энтропия -— физическая величина, характеризующая тепловое состояние. --
Ред.
атом находится в ьр2-гибридизованном состоянии. Три гибридные sp2-
орбитали лежат в одной плоскости под углом 120° друг от друга
Когда асом имеет три р-орбитали, способные гибридизеваться с ь-
орбиталью. го такой атом называют 8р3-гибридизованн ым. Он имсез
четыре гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра.
Бериллийорганические соединения и теория химической связи
79
Таким образом, вполне вероятно образование совершенно
иного типа электронодефицитной связи с мостиковыми атомами
водорода, что, несомненно, представляет интерес в теоретическом
отношении.
Боргидрид бериллия — другой классический пример соедине-
ния с электронодефицитными связями — имеет, как говорилось,
структуру, аналогичную структуре диборана:
Простые связи, включающие перекрывание двух орбиталей, назы-
вают о-связями. Двойные связи включают перекрывание четырех
орбиталей, что приводит к образованию о-связи и л-связи.
Орбитали тройной связи построены аналогичным образом, причем
две л-свяш ориентированы ортогонально (перпендикулярно) друг
к Другу.
Если орбитали могут перекрываться с орбиталями ненасыщенной
связи, присутствующей в той же молекуле, то говорят, что функцио-
нальная группа находится в сопряжении с ненасыщенной связью. Это
можно объяснить образованием многоцентровых орбиталей:
80
Дж. Л. Моргай
Однако поскольку эти данные о структуре были получены давно и
не представлялись достаточно надежными, его структуру опреде-
лили заново и получили при этом иные результаты. Как нам теперь
ясно, трудность была связана с тем, что Ве(ВН 4) 2высокореакцион-
носпособен и легко разлагается. Далее выяснилось, что соедине-
ние вступает в реакцию даже с фотографической эмульсией, ис-
пользуемой в электронографическом эксперименте.
Из всех исследованных до сих пор боргидридов металлов бор-
гидрид бериллия оказался самым необычным. Полагают, что в
газовой фазе он существует в двух формах: одна из них содержит
двойные водородные мостики (как показано выше), а другая —
более устойчивая линейная форма с симметрией с3 * __________
НВН3ВеН3ВН, содержащая тройные водородные мостики. v
* Это означает, что если молекулу повернуть вдоль оси на Зб0°/3, то она совпа-
дет сама с собой.
В сопряжении могут принимать участие также о-связи, находящиеся
рядом с кратной связью, — такой эффект называется сверхсопряже-
нием, или гиперконьюгацией:
Н
Н-С--С=С
I I хн
Н Н
Таким образом, для образования химической связи было принято
считать необходимым перекрывание как минимум двух атомных
Бериллийорганические соединения и теория химической связи
81
Однако в твердой фазе, как это установлено рентгеноструктур-
ным и спектроскопическим исследованиями, в структуре имеются
спиралеобразные цепи, образованные связанными между собой
ионами: ...(ВН4~)... (Н £Н J3e-%? (ВН 4~)... Такая «пограничная» тен-
денция Be (ВН J 2К образованию ионной структуры совпадает с тем
фактом, что боргидриды всех остальных элементов II и I группы
таблицы Менделеева представляют собой ионные соли. Эти
необычные типы связывания и структурные изменения возможны
и для других металлов. В последнее время был исследован ряд
боргидридов, которые, как предполагалось, имеют промежуточный
тип связи между ионной и ковалентной.
В настоящее время точно еще не выяснено, какие свойства
атома металла в наибольшей степени определяют структуру (ион-
ную или ковалентную) и характер водородных мостиков (двойные
или тройные) в боргидридах этого металла.
Синтез и изучение боргидридциклопентадиенилбериллия яви-
лись логической частью наших исследований производных цикло-
пентадиенилбериллия. Электронографическое исследование по-
зволяет заключить, что цикл С5Н5 сохраняет локальную симметрию
CsV’ но не дает возможности выяснить, связана ли боргидридная
группа с бериллием посредством двойного или тройного мостика.
Решающие данные, устанавливающие двойной водородный
орбиталей и наличие на них по меньшей мере двух электронов.
Однако дальнейшее развитие синтетических методов неорганической
и органической химии привело к получению соединений, строение
которых не укладывалось в такие классические представления. Про-
стейшими примерами соединений такого типа являются гидриды
бора (бораны). Например, в В^Н6общее число валентных электронов
равно 12, т. е. их не хватает для образования восьми обычных двухэле-
ктронных связей; при этом имеет место образование двух- и трехцен-
тровых связей. Так, два атома бора и два атома водорода образуют две
трехцентровые орбитали. Подобные связи, имеющие формально
число электронов меньше двух, называются электронодефицитными.
82
Дж. Л. Морган
мостик между атомами бериллия и бора, были получены методами
ИК- и КР (комбинационного рассеяния)-спектроскопии. При пере-
ходе от газовой фазы к жидкой не происходит структурных измене-
ний; тепловые колебания ВеВН группировки соответствуют ко-
лебаниям иона ВеВН4+ в твердом Ве(ВН4)2 Эти спектральные
результаты получены при помощи методики, которую невозможно
было осуществить всего лишь несколько лет назад. Образцы в
виде пленок осаждались на охлаждаемой подложке, спектры реги-
стрировались при 19К. Использованная в ряде случаев съемка ИК-
спектров отражения требовала мощного источника, а достаточную
интенсивность линий в КР-спектрах удалось получить, конечно,
лишь с помощью ионного аргонового лазера.
При тщательно контролируемом воздействии диборана на диме-
тилбериллий при 100°С образуется боргидрид триметил бериллия.
Он хорошо растворяется в бензоле и существует в растворе (по
данным криоскопии) в виде димеров. Результаты ЯМР-спектроско-
пии позволяют предположить, что димеры содержат мостиковые
метильные группы. Исследование ИК-спектров ненасыщенных
паров боргидрида триметилбериллия при давлении, составляющем
Уз атмосферного, показывает, что это соединение существует в
виде смеси, содержащей 95% димера и 5% мономера, а также
содержит небольшое количество продукта его разложения —
метана.
Все изложенные положения хорошо описываются квантовой .ме-
ханикой с помощью уравнения Шредингера. Это уравнение исполь-
зуется для расчета электронной плотности в атомах и молекулах.
Точное решение уравнений Шредингера сопряжено с непреодоли-
мыми трудностями. Однако возможны приближенные решения на
основе эмпирических упрощений (метод Хюккеля, МО, ЛКАО,
INDO, MNDO, CNDO и др.). Эти методы используют в расчетах неко-
торых данных. Соединения легких элементов являются идеальными
объектами для изучения, поскольку для них возможны квантовомеха-
нические расчеты электронной плотности и сопоставление этих вели-
чин с экспериментально полученными параметрами.
Для анализа теоретически рассчитанных величин и эксперимен-
тально полученных данных применяются современные методы иссле-
дования. Однако несмотря на чрезвычайное многообразие подобных
методов общая схема устройства почти всех физических приборов
едина, как бы сложны они ни были. Одна часть прибора представляет
источник воздействия на вещество (магнит, специальная лампа, лазер,
электронный луч, рентгеновское излучение и т. д.), другая же предна-
значена для преобразования отклика вещества в электрический сиг-
нал.
Методы ядерного магнитного и электронно-парамагнитного
резонанса основаны на том, что в веществе, помещенном в сильное
Бериллийорганические соединения и теория химической связи
83
Димер
Мономер
Эти спектры были расшифрованы при использовании дейтерий-
и 10В-меченых образцов, а также путем их сравнения с отнесен-
ными ранее спектрами диметилбериллия и боргидрида бериллия
(при этом учитывалась сложность химической природы водород-
ных мостиков, связывающих атомы бериллия и бора). Частота
асимметрических валентных колебаний мостика Be—СНз—Be
несколько выше соответствующей частоты в полимерном диметил-
бериллии. Весьма заманчивым представляется вывод о том, что
более высокая частота отражает более значительную энергию
связи. В пользу этого вывода свидетельствует преобладание в
этой молекуле метильных, а не гидридных (обычно более выгодных
энергетически) мостиков.
магнитное поле, индуцируются магнитные энергетические уровни
ядер (ЯМР) или электронов (ЭПР). Энергетические переходы между
магнитными уровнями соответствуют поглощению квантов радио-
волн, причем поглощение происходит при строго определенном
напряжении магнитного поля. Стоит лишь немного изменить напря-
женность, чтобы поглощение энергии полностью прекратилось.
Такое избирательное поглощение называется резонансным. Анализ
формы (мультиплетности) и сдвига пика (сдвиг пика относительно
выбранного эталона по шкале о или т выражается в миллионных
долях — м. д.) на кривой резонансного поглощения позволяет
делать заключения о свойстве и структуре соединений.
При возбуждении молекул излучением с более высокой энергией
(ИК-, видимым-, УФ-светом) можно исследовать колебания связей в
молекуле, установить пространственное строение молекулы и охарак-
теризовать природу химической связи, в частности ее полярность,
поляризуемость, кратность.
При облучении молекул еще более жестким рентгеновским излу-
чением можно изучить строение кристаллической решетки. Метод
рентгеноструктурного анализа позволяет непосредственно опреде-
лить структуру молекулы в твердой фазе.
84
Дж. Л. Марган
Мы не стремились здесь дать исчерпывающий обзор химии
бериллийорганических соединений, а остановились лишь на неко-
торых из тех соединений, которые обнаруживают необычные типы
химической связи.
Лишь в последнее время были разработаны методики, которые
могут быть использованы для синтеза, очистки и выделения столь
реакционноспособных и чувствительных к различным воздей-
ствиям соединений. Совсем недавно стали также доступны такие
методы исследования, как лазерная КР-спектроскопия, многоядер-
ная ЯМР-спектроскопия высокого разрешения, фотоэлектронная и
микроволновая спектроскопия, а также новейшие методы электро-
нографии и рентгеноструктурного анализа.
Совокупность этих методов дает нам возможность обнаружить
новые типы химической связи не только в области бериллийорга-
нических соединений (однако в этой области, пожалуй, в особенно-
сти). Химия бериллия по самой своей природе отличается от химии
других элементов, образующих связи «необычного» типа. Соедине-
ния бериллия можно использовать для проверки и дальнейшего
развития теорий химической связи, которые могут впоследствии
быть применены и к более сложным (содержащим больше электро-
нов) системам. Изучение этих реакционноспособных и чувстви-
тельных к различным воздействиям соединений позволит глубже
понять природу тех существующих короткое время слабых необыч-
ных химических связей, которые возникают на промежуточных
стадиях реакций образования устойчивых соединений (как, напри-
мер, в механизме катализа).
В последнее время были высказаны предположения, что в био-
логических макромолекулах, таких, как ДНК, передача энергии
происходит через несопряженные ароматические группы боковых
цепей. Механизм взаимодействия этих ароматических колец неиз-
вестен, возможно, однако, что он близок к обсуждавшейся выше
схеме взаимодействия молекулярных орбиталей в электронодефи-
цитных молекулах с ароматическими кольцами. Можно не сомне-
ваться, что в будущем химия бериллия обещает много интерес-
ного.

ЮРАС КАРЛОВИЧ ПОЖЕЛА — физик, академик АН Лит.
ССР, вице-президент АН Лит. ССР. директор Института фи-
зики полупроводников Академии наук Литвы.
Основное направление исследований — проблемы горячих
электронов, плазмы и токовых неустойчивостей в твердых
телах.
ПЛАЗМА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Сверхвысокочастотные волны
Плазменные явления в полупроводниках привлекают внимание
ученых, главным образом, в плане освоения той части шкалы элек-
тромагнитных волн, которая лежит на стыке между световыми и
радиоволнами. Это так называемые сверхвысокочастотные (СВЧ)
волны длиной от долей миллиметра до сантиметров. Полупровод-
никовые транзисторы и лазеры не работают в СВЧ-диапазоне. Его
освоение позволило бы решить многие важные технические зада-
чи. И не только технические. Миллиметровый и субмиллиметровый
диапазоны электромагнитных волн привлекательны еще тем, что в
них лежат частоты вибрационных и вращательных колебаний боль-
ших молекул, определяющих функционирование живых организ-
мов. Возможно, что создание полупроводниковых генераторов,
усилителей и индикаторов миллиметрового и субмиллиметрового
диапазонов волн откроет принципиально новые пути в биологии и
медицине, связанные с активным воздействием электромагнитных
волн на живую природу, на различные заболевания.
86
Ю. К. Пожела
В настоящее время существуют вакуумные устройства, генери-
рующие и усиливающие СВЧ-колебания. Однако по мере роста
частоты (уменьшения длины волны) эти устройства резко усложня-
ются, а коэффициент их полезного действия падает. В субмиллиме-
тровом диапазоне практически отсутствуют вакуумные устройства,
которые были бы приемлемы для сколько-нибудь широкого приме-
нения. Вообще вакуумным электронным устройствам присущи
многие недостатки: короткий срок службы, дороговизна и др.
Поэтому в последние десятилетия мы являлись свидетелями
замены вакуумных приборов полупроводниковыми. Подлинно
революционные преобразования в технике происходили именно
там, где полупроводниковые приборы — транзисторы сменили
вакуумные радиолампы. Полупроводниковые транзисторы при-
вели к образованию новых направлений науки и техники — микро-
электроники, быстродействующей вычислительной техники. Без
полупроводниковых генераторов и усилителей невозможно пред-
ставить современную радиотехнику, телевидение, связь.
Полупроводниковым транзисторам, однако, присущи свои недо-
статки, и одним из главнейших является их относительная низкоча-
стотность. Первые транзисторы работали лишь при частотах
меньше мегагерца (1 МГц=106 Гц)иимелиограниченноепримене~
ние. Вся история усовершенствования транзистора связана с
борьбой за повышение высокочастотной границы его рабочих
частот. С увеличением диапазона рабочих частот резко расширя-
лась область их практического применения. Прогресс достигался,
главным образом, за счет совершенствования технологии изготов-
ления транзисторов. Несмотря на все ухищрения, получить транзи-
сторы, работающие при частотах выше сотен мегагерц, все же не
удалось. Дело в том, что частотные ограничения здесь носят прин-
ципиальный характер. Они определяются емкостями электронно-
дырочных переходов —основных элементов транзистора, а также
конечностью времени дрейфа между электродами инжектирован-
ных носителей —основного физического процесса в транзисторе.
Лишь в самое последнее время увеличение частоты до тысяч мега-
герц было достигнуто путем принципиального изменения прибора,
а именно отказа от инжекции носителей и создания так называ-
емого полевого транзистора. При этом опять же СВЧ-полевой
транзистор удалось сделать лишь благодаря, я бы сказал, ошело-
мляющему прогрессу в микроэлектронной технологии. Сейчас уда-
ется размещать на площади в один квадратный миллиметр слож-
ные радиоэлектронные схемы, содержащие десятки тысяч элемен-
тов. В настоящее время мы практически вплотную подошли к физи-
ческому пределу дальнейшей миниатюризации.
Высокочастотность полевого транзистора обеспечивается ма-
лой шириной (а значит, и емкостью) управляющего электрода,
составляющей всего 1—2 мкм. Эта величина близка к пределу
Плазма в полупроводниках
87
достигнутому современной технологией. По-видимому, нельзя
будет создать транзисторы с рабочими частотами выше несколь-
ких десятков гигагерц (1 ГГц^ 109 Гц), что соответствует сантиме-
тровым длинам волн.
Таким образом, решение задачи освоения всего СВЧ-диапазона
не может быть достигнуто с помощью транзисторов. Требуется
найти принципиально новые способы генерации и усиления
электромагнитных волн с помощью полупроводников, позволя-
ющих значительно повысить верхнюю границу рабочих частот
твердотельных приборов.
Одним из таких способов является лазерный, в котором ис-
пользуется инверсная заселенность электронами квантовых
уровней в атомах и молекулах. Вскоре после открытия газовых
квантовых генераторов света —- лазеров*, были созданы и полу-
проводниковые лазеры. Их создание означало резкое, почти не-
ограниченное повышение рабочих частот твердотельных
электронных устройств в области оптического диапазона волн.
Это внесло качественные изменения в электронику — образова-
лась новая отрасль науки и техники —оптоэлектроника. Прогресс
оптоэлектроники позволит уже в ближайшие годы качественно
изменить системы связи, практически неограниченно увеличить
их пропускную способность. Создаются оптоэлектронные вы-
числительные машины, локаторы и другие системы.
Однако лазерный способ генерации электромагнитных волн
имеет ограничение со стороны низких частот. Нельзя получить
инверсную заселенность квантовых уровней, если энергетическое
расстояние между этими уровнями меньше средней тепловой
энергии электронов. При комнатной температуре эта энергия соот-
ветствует частотам около десяти тысяч гигагерц или электромаг-
нитным волнам длиной в десятки микрон.
Как видим, лазеры — это скачок от транзисторов по шкале
частот электромагнитных волн через четыре декады. Остается
большое белое пятно неосвоенных частот, охватывающее почти
весь СВЧ-диапазон волн. А с ним остаются нерешенными многие
технические и «биологические» задачи. Сказанное выше иллю-
стрируется рисунком.
История поисков способов генерации и усиления СВЧ-волн
полупроводниковыми приборами насчитывает уже два десятиле-
тия и свидетельствует о том, что здесь физики и инженеры встре-
тили очень крепкий орешек. Реальные успехи были получены на
пути использования для упомянутых целей так называемых горя-
чих электронов и плазменных явлений в полупроводниках. Можно
думать, что именно на основе использования этих явлений будет
решена задача полного овладения СВЧ-диапазоном с помощью
полупроводников.
Рассмотрим, какие специфические свойства плазмы и горячих
1О8Гц Ю9Гц Ю10Гц К)" Гц 1О,2Гц Ю’3Гц 10,4Гц
Частота
71лина
волны
ЗОО см 30 см 3 см 3 мм 0,3 мм О.
00
Приборы
Принципы
Примене-
ние
Инжекция I Полевой |	ПЛАЗМА И ГОРЯЧИЕ	j Инверсная
носителей I тран' |	ЭЛЕКТРОНЫ	I заселенность
tзистор .	I
			?	
Радио	1Телеви- '	СВЧ связь ।	Связь, лонация,	Оптоэлектро-
	|дение 1	радиолокация|	БИОЛОГИЯ,	ника, связь,
	| ВЧ связь I	|	МЕДИЦИНА	выч. техника
Вычисл.		1		
техн.	1	1		L		
Ю. К. Пожела
Плазма в полупроводниках
89
электронов в полупроводниках используются и могут быть ис-
пользованы для этих целей.
Плазма и горячие электроны
Плазма — наиболее распространенное состояние вещества. Из
плазмы состоят звезды, Солнце, каналы разрядов молний. Искус-
ственно плазма создается в различных газовых разрядах, в уста-
новках типа «Токомак» по исследованию управляемой термоядер-
ной реакции. Благодаря компенсации положительных и отрица-
тельных зарядов, число которых равно, плазма не разлетается под
действием кулоновских сил отталкивания, как это было бы с газом
одноименно заряженных частиц. Поэтому в плазме число заряжен-
ных частиц может достигать больших значений, и, несмотря на это,
она остается устойчивой. Устойчивой, пока ее не трогают.
Основной характерной особенностью плазмы, которой она
отличается от других состояний вещества, является ее коллектив-
ный отклик на действие внешних полей и токов. Благодаря заря-
женности частиц плазмы электрические и магнитные поля могут ее
деформировать, перемещать, нагревать и т. д.
Эти свойства плазмы при достаточно сильных полях и токах
приводят к тому, что она теряет устойчивость: стягивается в шнур,
скручивается в спираль, сжимается в отдельные сгустки, приобре-
тает волнообразное движение. Различные типы неустойчивостей
плазмы являются основным препятствием на пути решения про-
блемы управляемого термоядерного синтеза. Академик Л. Арци-
мович писал, что многие из волновых мелодий плазмы звучат
траурным маршем на пути создания управляемой термоядерной
реакции.
Неустойчивость плазмы сопровождается колебаниями электри-
ческого тока через нее. Естественно возникает мысль, а нельзя ли
использовать неустойчивости плазмы в полупроводниках как
метод генерации электрических колебаний СВЧ-диапазона? Ока-
зывается, можно и очень эффективно. Перефразируя слова Л. Ар-
цимовича, можно сказать, что как раз те из волновых мелодий
плазмы в полупроводниках, которые ведут к ее неустойчивости,
звучат победным маршем на пути к созданию генераторов и усили-
телей СВЧ-диапазона.
Термин «плазма в полупроводниках» первоначально может
вызывать недоумение. Однако более внимательное рассмотрение
показывает, что «газ» свободных электронов и дырок в полупро-
водниках вместе с заряженными примесными атомами представ-
ляет собой нейтральное образование, которое обладает основным
свойством плазмы — коллективным откликом на внешние элек-
тромагнитные воздействия. Конечно, плазма в полупроводниках
90
Ю. К. Пожела
специфическая, поскольку она находится среди атомов, образую-
щих решетку кристалла.
Остановимся на этих специфических сторонах плазмы в полу-
проводниках.
Энергия ионизации атомов в кристалле с образованием по-
движных зарядов в десятки раз меньше, чем в газовом состоянии.
Поэтому если газовая плазма образуется при температурах в сотни
и тысячи градусов Цельсия, то в полупроводнике плазма может
образоваться даже при температуре, недалекой от абсолютного
нуля. Плотность плазмы в полупроводнике на много порядков пре-
вышает плотность газовой плазмы. При комнатной температуре во
всех полупроводниках имеется устойчивая плазма с концентра-
цией зарядов 1012-—1022 см 3. Внешними воздействиями (теплом,
светом) можно менять концентрацию зарядов на многие порядки.
Более того, в полупроводниках можно независимо изменять число
отрицательных и число положительно заряженных подвижных
частиц.
Малая энергия ионизации атомов в кристалле позволяет с помо-
щью внешнего электрического поля резко увеличивать число сво-
бодных электронов и дырок. Приобретая в электрическом поле
энергию всего в 1—2 эВ, свободный электрон выбивает с верхней
оболочки атома новый электрон. Теперь уже два электрона разго-
няются полем и выбивают еще два новых электрона. Процесс
образования новых электронов нарастает по мере их движения по
кристаллу лавинообразно, благодаря чему плотность плазмы в
полупроводнике может быть значительно повышена.
Увеличение энергии электрона в плазме полупроводника под
влиянием электрического поля также происходит по-другому,
нежели в вакууме. Частые столкновения свободных электронов с
решеткой (1013—1014 раз в секунду), которые в основном носят
упругий характер, хаотизируют их направленную скорость, приоб-
ретаемую в электрическом поле. Поэтому в кристалле в электриче-
ском поле вместе с дрейфовыми растут и хаотические скорости
электронов, которые характеризуют их температуру. Другими сло-
вами, электронный газ не только разгоняется, но и разогревается.
Такие электроны называют горячими электронами. Из-за малости
передачи энергии от электронов решетке их температура может
значительно превышать температуру кристалла. Следует отметить,
что электроны в электрических полях разогреваются за
10 11—1012 с. Столь малая инерционность процесса разогрева
сразу наталкивает на мысль использовать эффекты горячих элек-
тронов для освоения СВЧ-диапазона.
Особо примечательным свойством плазмы в полупроводниках
является зависимость массы подвижной частицы от ее энергии и
направления движения. Эта масса частицы называется эффектив-
ной массой. Понятие эффективной массы вводится для того, чтобы
Плазма в полупроводниках
91
сложное движение подвижного носителя заряда в условиях силь-
ного взаимодействия с полями атомов, образующих кристалличе-
скую решетку, можно было рассматривать как движение классиче-
ской свободной частицы.
Эффективная масса подвижной заряженной частицы в полу-
проводнике, как правило, много меньше массы свободного элект-
рона. С ростом энергии частицы ее эффективная масса обычно
растет, причем часто очень значительно. Так, разогревание элект-
ронов в арсениде галлия всего до нескольких десятых электрон-
вольта приводит к росту его массы в десятки раз!
Заканчивая разбор специфических свойств плазмы в полупро-
водниках, отметим еще одно немаловажное обстоятельство.
Известно, что плазма высокой плотности не пропускает, как и
любое другое высокопроводящее тело (например, металл), элек-
тромагнитных волн. Последние отражаются от поверхности тела, а
неотраженная часть поглощается на малой глубине, называемой
скин-слоем. Глубина скин-слоя уменьшается с ростом частоты
электромагнитной волны и проводимости плазмы. Если в газовой
плазме глубина скин-слоя не так уж мала, то в плотной полупровод-
никовой плазме и в металлах она составляет на сверхвысоких
частотах величину порядка 10-1—10’4 см. Казалось бы, высоко-
проводящая плазма в полупроводниках непроницаема для СВЧ-
волн, и нечего говорить об ее использовании для генерации таких
волн. Однако в 1960 г. советские ученые О. Константинов и В. Пе-
рель показали, что, будучи помещенной в магнитное поле, проводя-
щая плазма оказывается прозрачной для электромагнитных волн.
Последние, входя в плазму, приобретают круговую поляризацию,
за что их назвали геликонными волнами. Образование геликонных
и других типов волн в проводящей среде, помещенной в магнитное
поле, есть чисто плазменный эффект — результат отклика плазмы
на электромагнитное возбуждение. Примечательно, что геликон-
ные волны были обнаружены лишь недавно, хотя их существова-
ние вытекает из классических уравнений движения и уравнений
Максвелла, и они могли быть открыты еще в прошлом веке,
Существование глубоко проникающих в проводящие тела элек-
тромагнитных волн естественно наводит на мысль об их использо-
вании для диагностики электрических параметров этих тел. Дей-
ствительно, дисперсия геликонных волн зависит от концентрации
носителей заряда, их подвижности и величин эффективных масс.
Это позволяет, например, пропуская геликонные волны в различ-
ных направлениях через полупроводник, изучать специфическую
особенность полупроводниковой плазмы — анизотропию эффек-
тивных масс носителей заряда. Геликонные и другие виды магни-
топлазменных волн уже используются для бесконтактной диагно-
стики параметров электропроводности и даже для определения
кристаллографических направлений в полупроводниках. Можно
92
Ю. К. Пожела
говорить о формировании нового направления в физике плазмы в
полупроводниках —геликонной спектроскопии.
Рассмотренные выше (и другие) специфические свойства полу-
проводниковой плазмы открывают довольно наглядные перспек-
тивы для изыскания новых методов генерации и усиления СВЧ-
волн. Ниже мы остановимся на них, рассмотрев сначала уже
открытые к сегодняшнему дню методы.
Лавинные диоды и диоды
с междолинным перебросом
Еще в 1959 г. советский ученый А. Тагер с сотрудниками обнару-
жил, что при образовании электронной лавины в кремнии происхо-
дит генерация СВЧ-колебаний в сантиметровом диапазоне волн.
При приложении достаточного напряжения к включенному в за-
порном направлении электронно-дырочному переходу (диоду) в
нем создается сильное электрическое поле, разогревающее элек-
троны до энергий лавинной ионизации. Ток через диод с образо-
вавшейся в нем благодаря лавинам плазмой большой плотности
начинает пульсировать со сверхвысокой частотой. Механизмы
этой пульсации в диодах с различной конструкцией различны. Они
хорошо изучены на сегодняшний день. Основной физической при-
чиной появления пульсации является запаздывание движения
лавины электронов относительно изменения напряжения на диоде.
Другими словами, переменная составляющая тока через диод, обу-
словленная движением лавины, запаздывает более чем на чет-
верть периода относительно фазы переменной составляющей
напряжения на диоде. Это значит, что произведение переменных
составляющих напряжения и тока через диод отрицательно, т. е.
диод не поглощает, а излучает мощность, или, как принято назы-
вать, диод обладает отрицательным динамическим сопротивлени-
ем.
Как видим, полупроводниковые приборы прорвались в СВЧ-
диапазон более чем 20 лет назад, однако широкое применение
лавинные диоды (их еще называют лавинно-пролетными) получили
лишь в последние годы. Это связано с технологическими пробле-
мами создания надежного лавинного диода. Сложность технологии
обусловлена тем, что малейшая неоднородность лавины ведет к
разрушению кристалла. Ведь плотность мощности СВЧ-излучения
из плазмы лавинного диода в десять раз превышает плотность
мощности светового излучения с поверхности Солнца! Несмотря
на столь фантастические концентрации энергии, благодаря совер-
шенству технологии современные лавинные диоды безотказно
служат уже много лет. Лавинные диоды в сантиметровом диапа-
зоне имеют высокий коэффициент преобразования постоянного
Плазма в полупроводниках
93
тока в СВЧ, достигающий 20—30%, а в специальном режиме даже
75%.
Вскоре после открытия лавинных диодов был обнаружен еще
один метод генерации СВЧ-волн с помощью полупроводника.
В 1963 г. американский физик Дж. Ганн обнаружил, что если к
кристаллу из арсенида галлия приложить постоянное напряжение,
он генерирует СВЧ-волны. Эффект Ганна обусловлен другим спе-
цифическим свойством плазмы в полупроводнике, которое мы упо-
минали выше, а именно резким увеличением эффективной массы
электрона, когда он достигает энергии около 0,35 эВ. Скорость
движения электрона вдоль электрического поля обратно пропор-
циональна его эффективной массе. В арсениде галлия получает-
ся, что в электрических полях величиной 3—4 кВ/см дрейфовая
скорость электронов (а значит, и электрический ток) вследствие
роста их эффективной массы уменьшается, несмотря на рост поля.
Это значит, что приращение напряжения ведет к уменьшению тока,
т. е. получаем для переменных сигналов отрицательное поглоще-
ние мощности, т. е. усиление. Принято говорить в этом случае, что
вольт-амперная характеристика имеет падающий участок, где диф-
ференциальная электропроводность отрицательна.
Плазма в полупроводнике очень «не любит» отрицательной
электропроводности и реагирует на ее появление бурным пере-
распределением зарядов и полей с образованием так называемых
доменов сильного поля. Эта реакция плазмы способствует появле-
нию новых видов генерации СВЧ-сигналов. Мы на них здесь не
будем подробно останавливаться. Отметим лишь, что эффект и
диоды Ганна часто называют еще эффектом и соответственно дио-
дами междолинного переброса, подчеркивая физический меха-
низм: переброс электрона из состояния (долины, т. е. минимума на
кривой зависимости энергии от импульса) с легкой массой в состо-
яние (долину) с тяжелой массой.
Диоды Ганна и лавинные диоды успешно работают в сантиме-
тровом диапазоне волн, позволив продвинуть верхнюю частотную
границу полупроводниковых приборов более чем на декаду в СВЧ-
диапазон. Они используются в аппаратуре для направленной связи
на расстояния 10—30 километров, в контрольно-измерительной
аппаратуре, в переносных радиолокаторах. В нашей стране раз-
работаны и выпускаются промышленностью ретрансляционные
станции радиорелейной связи, переносные станции направленной
радиосвязи, по объему и весу соответствующие обычным транзи-
сторным приемникам. Радиорелейная связь идет на смену местной
телефонной проводной связи. По-видимому, в близком будущем
местная телефонная связь, особенно в сельских местностях, цели-
ком перейдет на полупроводниковые приемники-передатчики, и из
сельского пейзажа исчезнут столбы телефонной связи. Лавинные
диоды проникли и в длинноволновую часть миллиметрового диапа-
94
Ю. К. Пожела
зона. Здесь мы уже можем прикоснуться к живой материи. Уста-
новлено, что электромагнитное поле миллиметрового диапазона
волн убивает многие виды болезнетворных бактерий, в том числе
стафилококки. На лавинных диодах построена аппаратура для
облучения ран и ожогов, предотвращающего развитие воспали-
тельных процессов и ускоряющего заживление.
Однако в более коротковолновой части миллиметрового и суб-
миллиметровом диапазонах лавинные диоды и диоды Ганна оказы-
ваются бессильными: коэффициент их полезного действия и излу-
чаемая мощность резко падают. Означает ли это, что неустойчиво-
сти в плазме полупроводников исчерпали свои возможности?
Отнюдь нет. Ниже мы остановимся на некоторых идеях, позволя-
ющих думать, что в полупроводниковой плазме существуют и более
высокочастотные неустойчивости.
Миллиметровый
и субмиллиметровый диапазоны волн
Этому диапазону волн соответствуют частоты 1011—1012 Гц.
Значит, физические процессы, определяющие работу приборов,
должны иметь инерционность, меньшую этих величин. С помощью
разработанной нами аппаратуры удалось измерить инерционность
процессов разогрева электронов в основных полупроводниках.
Она составляет величину порядка 10~11 —- 10"12 с, т. е. на частотах
субмиллиметрового диапазона волн инерционность разогрева уже
проявляется. Это одна из причин резкого снижения эффективности
работы лавинных диодов и диодов Ганна в этом диапазоне волн.
Для его освоения, казалось бы, требуется искать менее инерцион-
ные, чем разогрев, процессы. Однако в последние годы высказан
целый ряд идей, указывающих на то, что явление разогрева элек-
тронов в плазме может быть использовано для целей освоения
субмиллиметрового диапазона волн.
Весьма интересными являются неустойчивости тока в плазме в
сильных электрических полях, когда функция распределения горя-
чих электронов по скоростям вследствие особенностей механиз-
мов их рассеяния в полупроводнике сильно деформируется. Воз-
никает своего рода инверсная заселенность по скоростям и усиле-
ние плазменных волн, аналогично тому, как это происходит со
светом в лазерах. Теоретические расчеты предсказывают здесь
значительные величины коэффициентов усиления волн субмилли-
метрового диапазона.
В лавинных диодах для создания очень сильных электрических
полей (сотни кВ/с) с помощью малых напряжений используется,
как уже упоминалось, электронно-дырочный переход. Это позво-
ляет сконцентрировать все напряжение на тонком переходе и
Плазма в полупроводниках
95
создать сильное поле, ведущее к образованию лавин электронов.
Однако тонкий переход имеет большую емкость, которая шунти-
рует СВЧ-колебания и снижает эффективность диода на этих
частотах. Поэтому для освоения коротковолновой части СВЧ-диа-
пазона нужно найти условия, при которых можно.получать боль-
шие поля без применения электронно-дырочных переходов. Теоре-
тически и экспериментально недавно показано, что этого можно
достичь в однородном полупроводнике при неоднородном разо-
греве электронного газа. Неоднородность разогрева можно полу-
чить, например, придавая полупроводнику специальную геометри-
ческую форму. Забавно то, что полупроводниковый образец, име-
ющий геометрическую форму в виде треугольника, своей верши-
ной опирающегося на прямоугольник, т. е. образующий фигуру,
совпадающую по виду со знаком, которым в электрических схемах
принято обозначать диод, действительно выпрямляет переменный
ток. Такой «диод» из-за отсутствия шунтирующей емкости элек-
тронно-дырочного перехода может работать на очень высоких
частотах. При приложении к нему постоянного напряжения он ока-
зывается генератором СВЧ-волн. Это своего рода лавинный диод,
но без электронно-дырочного перехода. Его так и называют —без-
барьерный лавинный диод.
Таким образом, эксперименты и расчеты показывают, что рез-
ко неоднородный разогрев электронного газа в плазме полупро-
водников, по-видимому, может оказаться одним из методов полу-
чения генерации волн сверхвысокой частоты в миллиметровом
диапазоне.
Для освоения миллиметрового и субмиллиметрового диапазо-
нов волн весьма эффективным может оказаться также использо-
вание очень специфического свойства электронов в полупровод-
никах — отрицательной эффективной массы. Наличие отрицатель-
ной эффективной массы означает, что электрон будет двигаться в
направлении против действующей на него силы. Если эта сила
обусловлена электромагнитной волной, то электроны с отрица-
тельной массой будут отдавать свою энергию волне— усиливать
ее. Отрицательную массу имеют, например, дырки в германии, дви-
жущиеся под определенными углами к кристаллографическим
направлениям. Если бы удалось заставить большую часть дырок
двигаться в телесных углах, где их эффективная масса отрицатель-
на, то был бы получен эффективный усилитель и генератор субмил-
лиметрового диапазона. Пока этого сделать не удалось. Задача
облегчается, однако, если создать кристаллы, в которых эффек-
тивная масса всех разогретых постоянным электрическим полем
электронов (дырок) становилась бы отрицательной. Такие кри-
сталлы известны. Это полупроводниковые многослойные периоди-
ческие структуры — так называемые сверхрешетки. Толщины
отдельных слоев в таких структурах должны не превышать сотен
96
Ю. К. Пожела
ангстрем. Создание таких структур — очень сложная технологиче-
ская задача, но она в последние годы успешно решается.
Когда были открыты проникающие в проводящую плазму гели-
конные волны, было обнаружено также, что эти волны имеют
фазовую скорость, в тысячи раз меньшую скорости распростране-
ния обычной электромагнитной волны, т. е. скорости света. Эта
особенность геликонных волн, естественно, наводила на мысль: а
нельзя ли их усиливать (или генерировать) с помощью потока элек-
тронов в кристалле, движущихся со скоростью, несколько превы-
шающей скорость геликонных волн, ведь электроны могут быть
разогнаны до таких скоростей.
Известно, что те электроны, которые движутся несколько мед-
леннее продольной волны электрического поля, разгоняются этой
волной, а те, которые ее обгоняют, тормозятся в поле волны, т. е.
отдают ей свою энергию. Поэтому если электроны разогнать до
скоростей, несколько больших, чем скорость волны, они ее будут
усиливать. Такой метод используется, например, для генерации и
усиления акустических волн.
Попытки усилить этим методом геликонные и другие типы волн
в полупроводниковой плазме, помещенной в магнитное поле, не
привели к положительным результатам, главным образом, из-за
слабости взаимодействия этих волн с потоками электронов.
Однако эти эксперименты, а также теоретические исследования
показали, что волны в замагниченной плазме могут сильно взаимо-
действовать друг с другом, передавая энергию от менее высокоча-
стотных более высокочастотным. Другими словами, можно полу-
чать СВЧ-волны с помощью более низкочастотных волн. Актив-
ность плазмы в этом плане сейчас исследуется во многих лабора-
ториях. Эти исследования показывают, что и здесь можно ожидать
прорыва в субмиллиметровый диапазон. Например, уже сейчас
удается генерировать электромагнитные волны длиной около
одного миллиметра и мощностью выше прогнозируемой для лавин-
ных диодов на 1995 год. Правда, коэффициент полезного действия
такого генератора пока что лишь сотые доли процента.
Наконец, укажем еще на возможности генерации и усиления
волн субмиллиметрового диапазона с помощью использования
различных явлений, имеющих место в полупроводниках при темпе-
ратурах, близких к абсолютному нулю. Это — лазеры на мелких
примесных центрах и эффекты, связанные с образованием сверх-
проводящего состояния. Конечно, из-за необходимости глубокого
охлаждения такие генераторы не смогут найти широкого примене-
ния.
Таким образом, мы видим, что на сегодняшний день имеется
большое количество теоретических идей и некоторые эксперимен-
тальные результаты, свидетельствующие о том, что освоение мил-
лиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн полупровод-
Плазма в полупроводниках
97
никовыми электронными приборами — по-видимому, дело близко-
го будущего. Характер радиотехнических средств в этом диапазо-
не волн изменится коренным образом, будут решены многие
важные технические задачи, люди получат мощный инструмент
изучения окружающей нас природы и воздействия на нее. Освое-
нием этого диапазона завершится полный охват полупроводнико-
выми приборами спектра электромагнитных колебаний от видимо-
го света до звуковых и более низких частот.
Предвидимое будущее
Освоение новых физических методов и явлений, как свидетель-
ствует история науки, всегда приводило к революционным преоб-
разованиям в науке и технике. Если пофантазировать о будущем
использовании полупроводниковых СВЧ-генераторов и усилите-
лей, то можно нарисовать такие картины.
Каждый человек носит в кармане «записную книжку» — СВЧ-
приемопередатчик, и через антенну районной радиорелейной
линии (а далее через оптоэлектронные каналы связи) может разго-
варивать с любым другим человеком (или машиной) на земном
шаре. Причем разговаривать, когда ему это удобно, так как
пропускная способность СВЧ и оптоэлектронных линий связи —
миллионы каналов на одном луче...
Сотни миллионов операций в секунду выполняют электронные
вычислительные машины на СВЧ-приборах...
Электроэнергия, вырабатываемая солнечными электростанци-
ями на околоземных орбитах, с малыми потерями передается полу-
проводниковыми СВЧ-генераторами на Землю в нужном направле-
нии потребителю. Сами солнечные электростанции объединены с
помощью тех же генераторов и приемных СВЧ-антенн в глобаль-
ную мировую (или национальную) энергетическую систему. Энер-
гетическая проблема решается без загрязнения окружающей сре-
ды...
Полупроводниковые генераторы с регулируемой фазой излуче-
ния позволяют создать электрически регулируемые антенны
радиолокаторов с узким лучом. Сами радиолокаторы становятся
миниатюрными. Они находят широкое применение в управлении не
только воздушным и морским транспортом, но и наземным. Безо-
пасность и регулирование движением автомобилей обеспечива-
ется полупроводниковым локатором...
В биологию, медицину, животноводство и растениеводство
вторгаются новые физические методы воздействия на живую при-
роду. Вместо применяемых сейчас в медицине жестких лучей ядер-
ных частиц в практику входят «мягкие» СВЧ-лучи, не разрушающие
клетки, но активно и избирательно воздействующие на выбранные
98
Ю. К. Пожела
молекулы живой материи, регулирующие жизнедеятельность орга-
низмов. Химические методы воздействия на организмы и природу
дополняются, а может быть, и вытесняются физическими. На смену
лекарствам и ядохимикатам приходят СВЧ-облучатели... Как знать,
может быть, таким путем удастся уничтожать злокачественные
клетки в любой части организма — облучением электромагнитной
волной выбранной частоты, являющейся резонансной для молекул,
входящих в злокачественные образования, и не взаимодейству-
ющей со здоровыми клетками...
ЯКОВ АНДРЕЕВИЧ ФЕДОТОВ — специалист в области
полупроводниковой электроники, доктор технических наук,
профессор, лауреат Ленинской премии.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА —
ЭЛЕКТРОНИКА ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ
Третье поколение
электронной аппаратуры
Сами по себе термины «первое поколение», «второе поколе-
ние» и «третье поколение» появились в вычислительной технике.
Изобретение транзистора и создание первых ЭВМ на их основе
дало возможность отнести ЭВМ на лампах к первому поколению
и определить ЭВМ на транзисторах как второе поколение.
Вскоре это разделение на поколения было распространено на
все виды электронной аппаратуры.
В последующие годы развитие электроники пошло по пути
микроминиатюризации и интеграции. На одном небольшом кри-
сталле полупроводникового вещества площадью в несколько ква-
дратных миллиметров стали изготавливать уже не один, а
несколько транзисторов и диодов, электрически соединенных в
схему триггера, инвертора, усилителя и т. д. Степень интеграции
непрерывно возрастала, и на сегодняшний день она характеризу-
ется средним уровнем интеграции в несколько сотен транзисторов
на одном кристалле.
100
Я. А. Федотов
Электронные устройства на интегральных схемах (ИС) получили
название аппаратуры третьего поколения. Степень интеграции
непрерывно повышалась, усложнялись функции, выполняемые
устройством, размещенным на одном кристалле площадью от 5 до
20 мм2. Существенно изменились принципы создания электрон-
ного оборудования. Его уже не собирали из отдельных «кирпичи-
ков», выполняющих простейшие функции, а проектировали с рас-
четом изготовления на одном кристалле полупроводника методами
современной полупроводниковой технологии. Стали стираться
грани и между специалистами, и между предприятиями, разрабаты-
вающими электронную аппаратуру и основные элементы, из кото-
рых она собиралась.
Появились большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС
и СБИС). В вычислительную технику пришли мини-компьютеры,
микропроцессоры на нескольких, а затем и на одном кристалле, а
в 1977 г. появился первый однокристалльный микрокомпьютер.
По сравнению с первой ЭВМ на лампах современный микропро-
цессор, например, занимает в 300 000 раз меньший объем, потре-
бляет в 56 000 раз меньше электроэнергии и работает в 20 раз
быстрее. Надежность такого микропроцессора в 10 000 раз выше,
и среднее время безотказной работы исчисляется уже не часами,
а годами.
Наряду с повышением степени интеграции особое значение
приобрела проблема повышения быстродействия ИС.
Министерство обороны США опубликовало программу развития
высокоскоростных ИС, которой предусмотрено повышение их
быстродействия, точности, разрешающей способности, произво-
дительности технологических процессов и снижение стоимости
разработки одного кристалла (т. е. одной ИС) с 300 000 долларов
до 100 000 долларов. Программа рассчитана до 1984 г. и на ее
выполнение ассигнуется 150—200 млн. долларов.
Электроника статических неоднородностей
При производстве интегральных схем применяется так называ-
емая групповая технология обработки. На одной полупроводнико-
вой пластине в общем технологическом процессе изготовляется
большое количество кристаллов ИС одновременно. Затем каждая
ИС подвергается проверке на работоспособность, и только после
этого пластина разделяется на отдельные кристаллы, негодные ИС
отбрасываются, а годные — устанавливаются в корпус, к ним при-
соединяются выводы, производится окончательная проверка и
герметизация.
Первые ИС изготовлялись на пластинах диаметром 25—30 мм.
На пластине помещалось несколько десятков кристаллов ИС пло-
Функциональная электроника — электроника четвертого поколения
101
щадью 5—10 мм2. Схемы были относительно простыми, и количе-
ство транзисторов в них обычно не превышало 10.
С развитием полупроводниковой технологии диаметр пластин
возрастал до 50 и 70 мм и должен увеличиться в перспективе до
100 мм и более. Площадь кристалла при этом составляет до
25—40 мм2 и на одном кристалле размещаются уже не только
сотни, но тысячи и десятки тысяч транзисторов. На одной пластине
диаметром 100 мм может разместиться 150—300 таких кристаллов
с общим числом в 2—3 миллиона транзисторов, причем каждый
транзистор сам по себе представляет довольно сложный электрон-
ный прибор, многоэлементную структуру, состоящую из ряда обла-
стей с самыми различными характеристиками и с очень малыми
размерами.
Кроме того, в интегральной схеме ее элементами будут токове-
дущие дорожки, соединяющие между собой отдельные схемы,
диэлектрические слои, разделяющие те или иные области, и
т. д.
Таким образом, в ходе технологического процесса изготовле-
ния ИС создается кристалл, состоящий из громадного числа эле-
ментов. Неизменность характеристик этих элементов или областей
в течение многих лет работы и хранения позволяет рассматривать
ИС как совокупность очень большого количества статических
неоднородностей с границами раздела между ними.
Размеры этих элементов или областей измеряются десятками,
единицами и даже долями микрона. Наименьшие размеры полу-
чены сегодня в направлении, перпендикулярном к поверхности
кристалла. Толщины отдельных слоев в полупроводнике (напри-
мер, толщина базы в биполярном транзисторе) могут измеряться
десятыми долями микрона. Это достигается поочередным введе-
нием четко дозированных количеств тех или иных примесей при
различных, строго контролируемых режимах диффузии или ионной
имплантации.
Значительно сложнее обстоит дело с получением минимальных
размеров элемента в плоскости поверхности кристалла. Всего год-
два тому назад в серийном производстве ИС минимальная ширина,
например, токоведущей дорожки составляла около 5 мкм. Прибли-
зительно такие же размеры имел зазор между токоведущими
дорожками и т. д. При меньших размерах элементов фотолитогра-
фическое оборудование, используемое в технологии получения
ИС, не позволяло обеспечить высокие экономические показатели
производства.
В настоящее время на массовых изделиях минимальные раз-
меры элемента доходят уже до 2—3 мкм. Сохраняется тенденция к
дальнейшему их уменьшению.
Упомянутая выше программа Министерства обороны США
предусматривает к 1984 г. освоение минимального размера в
102
Я. А. Федотов
0,5 мкм. Это потребует отказа от оптических методов исполнения
рисунка на поверхности кристалла (фотолитография) и перехода к
электронолитографии, т. е. к исполнению необходимого рисунка
на слое вещества, чувствительного к облучению электронами, с
помощью тонкого электронного пучка.
Сегодня трудно сказать, возможно ли будет в эти сроки обеспе-
чить при такой разрешающей способности высокую точность, вос-
производимость результатов и заданную высокую производитель-
ность. По ряду зарубежных прогнозов разрешающую способность
в 1 мкм в массовом производстве можно будет ожидать где-то
между 1985 и 1990 гг.
Нельзя не отметить, что на некоторых изделиях твердотельной
электроники, в частности на транзисторах сантиметрового диапа-
зона, минимальные размеры элемента в 1 мкм и даже менее
реализованы уже в настоящее время. Однако эти изделия не явля-
ются массовыми и тем более изделиями с высоким уровнем инте-
грации. Низкий процент выхода годных изделий и вытекающая
отсюда высокая стоимость не являются препятствием для сбыта.
Один-два транзистора такого класса, установленные во входных
цепях приемного устройства, могут резко изменить параметры
сложной и дорогостоящей системы и с избытком окупить затраты
на них.
Иное дело — изделия вычислительной техники и в первую оче-
редь ИС памяти. Эти изделия характеризуются исключительно
большими объемами производства и массовостью применения в
самой различной аппаратуре —от военной и космической до авто-
мобильной и бытовой электроники.
По американским данным на 1979 г., стоимость одного бита
памяти на кристалле составляла 0,2—0,4 цента. В системах памя-
ти, объединяющих большое количество кристаллов, стоимость од-
ного бита возрастала приблизительно в 10 раз.
Экономические показатели приобретают, таким образом, осо-
бое значение, поэтому и продвижение этих изделий в область
размеров 1 мкм и менее происходит медленно. И тем не менее
степень интеграции продолжает неуклонно возрастать, хотя и с
заметно замедляющимися темпами. Это замедление характеризу-
ется рядом технических и физических ограничений.
Микроразмеры — технические
и физические ограничения
В принципе повысить степень интеграции можно, уменьшая
размеры элемента при неизменной площади кристалла либо увели-
чивая площадь кристалла при неизменном размере элемента.
Конечно, возможен еще и комплексный путь— увеличивать
функциональная электроника — электроника четвертого поколения
103
размер кристалла, одновременно уменьшая размер элемента.
Однако это направление нет смысла рассматривать как самосто-
ятельное, так как здесь неизбежно будут суммироваться все техни-
ческие и физические ограничения, характерные для названных
выше двух основных путей.
Уменьшение размеров элемента связано в первую очередь с
техническими возможностями оборудования, например, с разре-
шающей способностью оптики в технологических процессах фото-
литографии. Чтобы уменьшить геометрические размеры рисунка
на поверхности кристалла, нужно повысить разрешающую способ-
ность оптики. В то же время большие поля (большая площадь
кристалла) и высокая разрешающая способность оптики являются
противоречивыми требованиями: чем выше разрешающая способ-
ность, тем меньше площадь, на которой она может быть реализо-
вана.
Кроме разрешающей способности важной характеристикой
является также и точность. В технологии полупроводниковых при-
боров и интегральных схем используются многократно повторя-
ющиеся (до 10—12 раз) процессы фотолитографии, при которых
новый рисунок «впечатывается» в рисунки, ранее нанесенные на
поверхность кристалла.
Точность позиционирования нового рисунка, грубо говоря,
должна быть хотя бы в 3-—-4 раза выше разрешающей способности.
Если на пластине размещается около 500 кристаллов и на каждом
из них до 20 000 элементов рисунка (а это далеко не предельный
случай!), то мы должны с высокой точностью совместить около
10 миллионов элементов. Каждый элемент должен точно попасть
на свое место, а между их краями должны сохраниться заданные
расстояния. А ведь мы говорили о минимальной ширине элемента
и расстояниях между ними в 1 мк и менее!
Важной проблемой является и резкость края воспроизводимой
полоски. Принципы оценки разрешающей способности в фотоли-
тографии существенно отличаются от общепринятых в оптике. Ряд
близко расположенных точек глаз воспринимает как сплошную
линию. Ширина такой линии при визуальном ее наблюдении может
быть принята за предельную возможность оптики — ее разреша-
ющую способность. В электронике линия не только не должна
иметь разрывов, но и, более того, не должна иметь существенных
изменений ширины. Так как эта линия является токоведущей
дорожкой, то в местах уменьшения ее ширины будет увеличиваться
плотность тока, возрастут электрические поля, повысится рассе-
иваемая мощность. Такое уменьшение ширины будет представлять
собой скрытый дефект, потенциальную причину отказа устройства.
Именно поэтому разрешающая способность оптики в фотолитогра-
фии оценивается по возможности создавать сплошные линии
минимальной ширины с достаточно четкими краями.
104
Я. А. Федотов
Следующая проблема состоит в том, что оптика с высокой
разрешающей способностью обладает очень малой глубиной рез-
кости. Это ставит весьма жесткие требования по точности обра-
ботки поверхности полупроводниковых пластин, особенно при
большом их диаметре (100—150 мм). Незначительные отклонения
от плоскостности будут приводить к расфокусировке изображения.
Серьезным ограничением при уменьшении размеров элемента
в фотолитографических процессах является также и дифракция,
даже при использовании для экспонирования ультрафиолетового
излучения с длиной волны в 0,3—0,4 мкм. При малых размерах
элемента фотошаблон превращается уже в дифракционную
решетку. Уменьшение длины волны до 0,2 мкм позволяет улучшить
разрешающую способность, но глубина резкости при этом умень-
шается. В то же время для пластин диаметром 100 мм искрив-
ление по площади кристалла в ходе температурных обработок
может существенно превышать глубину резкости.
В силу этих ограничений и предполагается, что пределом умень-
шения размеров в фотолитографических процессах массового
производства ИС будет величина около 1 мкм. Дальнейшее умень-
шение размеров элемента ожидается за счет применения рентге-
нолитографии и электронолитографии.
Наиболее перспективной в этом отношении следует считать
электронолитографию. В принципе можно наносить рисунок очень
тонкими пучками электронов, при этом размеры элемента будут
составлять не только десятые, но и сотые доли микрона. Однако и
здесь мы сталкиваемся с рядом серьезных проблем. В частности,
при малом сечении пучка плотность тока должна быть достаточно
большой. Кроме того, необходимо обеспечить точное совмещение
элементов, высокую производительность при малом сечении пуч-
ка и большом диаметре обрабатываемой пластины.
Одной из серьезных проблем на пути уменьшения размеров
элементов ИС является также проблема дефектов, приводящих к
неработоспособности приборов или схем. Дефекты в объеме или
на поверхности полупроводниковой пластины можно разделить на
две категории: дефекты, имевшиеся в исходном материале, и
дефекты, возникающие в ходе технологических процессов.
Дефекты могут представлять собой скопления вакансий в кри-
сталлической решетке или, наоборот, скопления групп атомов
какого-либо вещества. Такие дефекты могут возникать в процессе
выращивания слитков и в процессе обработки пластин.
В последнем случае при повышенной температуре дефекты
этого рода могут увеличиваться в размерах, перемещаться по объ-
ему кристалла и т. д.
Изготовление бездефектных слитков, разработка технологии,
не создающей дефектов, — весьма сложная техническая пробле-
ма, которая усложняется еще и тем, что при малых размерах
Функциональная электроника — электроника четвертого поколения
105
элемента существенное значение приобретают дефекты с разме-
рами в 1 мкм и менее. При большой площади пластины даже обна-
ружить такие дефекты весьма непросто, тем более исключить их
появление.
Одним из распространенных дефектов могут также являться
обрывы или короткие замыкания, возникающие из-за попадания
посторонних частиц (например, пылинок) на поверхность обраба-
тываемой пластины. Даже при минимальных размерах элемента в
5 мкм технологические среды (в том числе воздух) и материалы
приходится очищать от частиц размером более 1—0,5 мкм. Задача
эта весьма важная и решается ценой значительных затрат и слож-
ного оборудования. Уменьшение размеров элемента до 1 мкм и
менее неизбежно поставит задачу исключить попадание частиц
размером в 0,1—0,2 мкм.
Таковы технические трудности на пути уменьшения минималь-
ных размеров элемента.
Самое же неприятное заключается в том, что если бы мы,
невзирая на затраты и сложности, все же преодолели все эти
технические ограничения, то столкнулись бы с ограничениями
физическими.
Прежде всего, необходимо напомнить, что принцип работы по-
давляющего большинства современных твердотельных приборов
основан на создании в объеме полупроводника статических
неоднородностей, отличающихся типом примеси, распределенной
в этом объеме, ее концентрацией, законом изменения этой концен-
трации и т. д.
Для транзисторной электроники весьма характерны концент-
рации примеси порядка W4 — 1016 атомов/см3. Если в объеме
полупроводника содержится около 1022 атомов основного веще-
ства, а расстояние между ними составляет около 5 А, то нетрудно
подсчитать, что один атом примеси будет приходиться на 106 — 108
атомов основного вещества, т. е. в лучшем случае один атом при-
меси будет приходиться на объем куба со стороной в 100 атомов
или 500 А. Совершенно очевидно, что при размерах элемента в
0,1 мкм (1000 А) и менее теряют смысл представления о концент-
рации примесей, законе ее распределения и т. д.
Далее, с уменьшением размеров элемента неизбежно возрас-
тает концентрация мощности, плотность рабочих токов, электри-
ческие поля. Если сегодня с точки зрения процессов электроми-
грации безопасными можно считать плотности рабочего тока не
свыше 105 А/см2, то при субмикронных размерах элементов и
тем более при стремлении обеспечить высокое быстродействие
возникает опасность превысить допустимые плотности тока.
В малых зазорах даже при относительно низких рабочих напря-
106
Я. А. Федотов
жениях будут возникать сильные электрические поля, которые
могут привести к возникновению электрического пробоя.
Сопоставление всех технических и физических ограничений
заставило различных авторов предположить, что минимальным
размером для традиционных транзисторных принципов создания
ИС будет размер в 0,2 мкм. Физика, техника и экономика встают
единым фронтом против дальнейшего повышения степени
интеграции за счет уменьшения размеров элемента. Что же остает-
ся? Увеличение размеров кристалла?
Ограничения на размеры кристалла
Можно смело утверждать, что сегодня при проектировании БИС
имеется очевидная тенденция использовать кристалл минималь-
ных размеров. Эта тенденция определяется отнюдь не стремле-
нием уменьшить расход материала или габариты электронного
устройства. В конечном счете расход материала (кремния)
определяется не площадью кристалла, а технологическими потеря-
ми.
Аналогично и габариты электронного устройства определяются
далеко не размерами кристалла БИС. Так, например, созданный в
1977 г. первый однокристальный микрокомпьютер требовал при-
близительно около 1 м2 площади для размещения устройств связи
с ним. В электронном калькуляторе Б3.18 площадь кристалла
занимает менее 25 мм2. Основной объем занимают аккумуляторы,
индикаторная панель и кнопочное устройство управления. В эле-
ктронных часах Б6.03 со светодиодным индикатором 1300 транзи-
сторов размещаются на кристалле площадью в 4 мм2, что состав-
ляет доли процента от объема часов.
Тенденция использования кристалла минимальной площади
определяется тем, что с увеличением площади кристалла резко
возрастает вероятность поражения кристалла дефектом. Процент
выхода годных кристаллов на пластине падает.
Другой, весьма существенной причиной, ограничивающей воз-
можность увеличения кристалла, является все то же противоречие
между площадью изображения и разрешающей способностью оп-
тики. Попытка работать с высоким разрешением на больших площа-
дях приводит к размытию краев изображения, к появлению дефек-
тов в ходе технологического процесса. Определенные сложности
возникают и при совмещении рисунков на больших площадях при
малых размерах элемента.
В результате наибольшая площадь кристалла БИС составляет в
настоящее время около 25 мм2 и только в отдельных случаях
поднимается до 35—40 мм2.
Необходимо отметить, что экономические показатели падают
Функциональная электроника — электроника четвертого поколения
107
отнюдь не пропорционально росту площади. Здесь, как и при
уменьшении размера элемента, зависимость оказывается близкой
к экспоненциальной.
Имеется некоторое оптимальное соотношение величины кри-
сталла и минимального размера элемента, определяющее наиболее
высокие экономические показатели. Из года в год положение
этого оптимума сдвигается, причем в основном не за счет увели-
чения размеров кристалла, а за счет уменьшения размеров эле-
мента. Ряд прогнозов, может быть, несколько пессимистических,
говорит о том, что в ближайшее десятилетие величина кристалла
вряд ли достигнет размеров 10 х 10 мм2.
Итак, с одной стороны, имеем ряд существенных ограничений
уменьшению размеров элемента и предположение, что в ближай-
шее пятилетие минимальные размеры элемента БИС и СБИС в
массовом производстве вряд ли выйдут в субмикронную область.
С другой стороны, имеем прогнозы весьма авторитетных спе-
циалистов, что в ближайшее пятилетие размеры кристалла БИС
вряд ли превысят 8X8 мм2.
Получается, что прогнозы дальнейшего повышения степени
интеграции оказываются не очень утешительными. И в то же
время уже сегодня есть такие приборы, как твердотельные аналоги
видиконов — матричные фотоэлектрические преобразователи
изображения на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Эти приборы
могут иметь площадь более 1 см2, на которой размещены сотни
тысяч элементов. Бесспорно, что процесс изготовления этих при-
боров сложен, стоят такие приборы дорого, они не являются
массовой продукцией.
Но на этом же самом принципе начинают создаваться и схемы
памяти значительного объема на одном кристалле, причем это
должны быть массовые изделия с минимальной стоимостью одно-
го бита запоминаемой информации.
Не противоречит ли это всем приведенным выше прогнозам?
Почему в технике ПЗС удается реализовать то, что не реализуется
в транзисторной электронике?
От статических неоднородностей
к неоднородностям динамическим
В транзисторных схемах информация «продвигается» от одного
транзистора к другому, от одной статической неоднородности к
другой. В процессе этого продвижения информация непрерывно
меняет, если можно так выразиться, свой внешний облик. Напря-
жение на эмиттерном переходе переходит в заряд в базе, заряд в
базе — в ток коллектора, тот, в свою очередь, в напряжение на
нагрузке и так далее, от ячейки к ячейке.
108
Я. А. Федотов
Несколько иначе происходит продвижение информации в ПЗС.
Введенный у одного конца линейки заряд продвигается в статиче-
ски однородной среде от одной динамической неоднородности к
другой.
На выходе линейки мы имеем тот же самый заряд (при условии
пренебрежения потерями), что был введен на входе линейки. Пере-
мещение заряда осуществляется перетеканием его из одной
потенциальной ямы в другую. Потенциальная яма образуется в
однородном материале канала за счет подачи на соответствующий
электрод необходимого напряжения. Если снять напряжение с
этого электрода и подключить его к следующему, то потенциальная
яма, а с ней и пакет заряда, продвигаются вдоль канала. Так вдоль
статически однородного канала движется динамическая неодно-
родность — пакет заряда.
Бесспорно, что электрод, создающий потенциальную яму, пред-
ставляет собой статическую неоднородность. Однако несложно
показать, что продвижение информации на одну ячейку потребует
в ПЗС значительно меньшего количества статических неоднород-
ностей, чем в транзисторном аналоге такой ячейки.
Взаимодействие информации с дефектами в этом приборе
может также иметь характер, отличный от транзисторной схемы.
Представим себе, что в материале канала ПЗС имеется дефект,
обладающий повышенной скоростью генерации носителей. Мы
освещаем отдельные элементы прибора различными уровнями
светового сигнала. В потенциальных ямах под определенными
электродами накапливается заряд, соответствующий уровню осве-
щенности. Если дефект попал в область динамической неоднород-
ности (потенциальной ямы) в момент накопления информации, то
картина может оказаться искаженной. Данная ячейка может быть
вообще не освещена, тем не менее за счет высокой скорости гене-
рации на дефекте в ней может накопиться значительный заряд.
После этапа накопления следует этап считывания. Пакеты заря-
дов продвигаются от одного конца канала к другому, где находится
считывающее устройство. Время считывания обычно меньше вре-
мени накопления, а число элементов в строке может составлять
несколько сотен. В результате время взаимодействия каждого
пакета зарядов с дефектом будет по крайней мере на три порядка
меньше времени накопления, и дефект не сможет исказить прохо-
дящей через него информации.
Этот пример не имеет целью доказать, что такой прибор, как
ПЗС, значительно проще, например, транзисторных схем. Однако
можно видеть некоторые определенные преимущества использо-
вания динамических неоднородностей и уменьшения, таким
образом, количества статических неоднородностей.
Функциональная электроника — электроника четвертого поколения
109
Приборы с динамическими неоднородностями
Можно считать, что одним из первых приборов, использовавших
в принципе своей работы динамическую неоднородность, был опи-
санный более 20 лет тому назад диод Ганна.
Действительно, в диоде Ганна между двумя статическими
неоднородностями (анод и катод) заключен однородный объем
полупроводника. В этом объеме при определенных условиях воз-
никает динамическая неоднородность— электрический домен,
состоящий из двух слоев подвижного объемного заряда.
Диод Ганна используется в СВЧ-электронике, но его принцип не
нашел пока использования в электронике интегральной.
Использование поверхностных акустических волн (ПАВ) дало
возможность создать ряд приборов (фильтры, линии задержки,
усилители и т. п.), в основе работы которых лежат также динамиче-
ские неоднородности. На поверхности пластины имеются две
системы штырей — узких тонких металлических полосок. Одна
система возбуждает ПАВ, другая система является приемником и
преобразует ПАВ в электрический сигнал. Таким образом, и здесь
мы имеем две группы статических неоднородностей (возбудитель
и приемник), между которыми в статически однородной среде рас-
пространяются динамические неоднородности, например, пакеты
волн, представляющих собой динамическое смещение атомов в
кристалле.
Что касается линий задержки и фильтров, то здесь преимуще-
ства приборов на ПАВ очевидны. Для усиления же сигналов этот
принцип, возможно, не имеет преимуществ перед транзистором,
хотя это положение требует дополнительного анализа. Дело в том,
что усилитель на ПАВ может быть выполнен как некоторое функ-
циональное устройство, сочетающее в себе функции усиления,
селекции, задержки сигнала и т. п.
Кроме того, при изготовлении приборов на ПАВ не требуется
многократного повторения литографических процессов, а следо-
вательно, упрощаются требования по точности, воспроизводимо-
сти и совмещаемости рисунков. Более того, системы возбудителя
и приемника могут выполняться независимо друг от друга, что в
известной степени может сделать противоречие между площадью
и разрешением не столь критичным фактором.
В настоящее время уже существуют и прорабатываются теоре-
тически и экспериментально идеи использования ПАВ в интеграль-
ной электронике, например, для создания памяти большого объема.
Динамическими неоднородностями являются также цилиндри-
ческие магнитные домены (ЦМД), образующиеся в тонкой магнит-
ной пленке. Эти домены можно возбуждать и уничтожать, можно
перемещать их в пленке и детектировать. Фактически в одной и той
110
Я. А. Федотов
же однородной пленке можно осуществлять и функцию памяти, и
логические функции.
В последнее время появились сообщения о разработке прибо-
ров на магнитостатических волнах (МСВ). Эти приборы по своему
принципу действия имеют много общего с приборами на ПАВ, и по
принятой нами классификации тоже должны быть отнесены к кате-
гории приборов с динамическими неоднородностями. Преимуще-
ство приборов этого типа заключается в том, что при их изготов-
лении нет необходимости использовать оборудование со столь
высоким разрешением, как при изготовлении приборов на ПАВ.
Что же такое четвертое поколение?
В последние годы в различных статьях и докладах можно было
часто встретить утверждение, что началась эра четвертого поколе-
ния в электронике. Эти высказывания появились приблизительно
тогда, когда степень интеграции достигла нескольких сот тран-
зисторов на кристалле. Сперва началом четвертого поколения
были провозглашены БИС, затем СБИС. В то же время нет даже
единой точки зрения, с какого же количества транзисторов начина-
ется БИС? И с какого СБИС? Не говоря уже о том, что это понятия
чисто количественные и уже поэтому не принципиальные.
Четвертое поколение по сравнению с третьим должно иметь
некоторое принципиальное отличие, как то, которое отделило вто-
рое поколение от первого и третье от второго.
В настоящее время можно уверенно сказать, что в электронике
твердого тела, в интегральной электронике, появилось новое
направление —электроника динамических неоднородностей. В то
же время в обиход и в техническую литературу вошел новый
термин, для которого сегодня также нет достаточно точного
определения: «функциональная электроника». И это не случайное
совпадение.
Формально любой электронный прибор и любая ИС исполняют
те или иные функции. Чем сложнее ИС, тем сложнее функции,
которые она способна выполнять. Если исходить только из этих
представлений, то всю электронику следовало бы считать функ-
циональной.
Однако для обычных ИС мы можем разделить общую функцию
всего устройства на более низкие уровни функций, привязанные к
тем или иным блокам, узлам, ячейкам, транзисторам. В конечном
счете, расчленяя сложные функции на все более простые, мы бу-
дем продвигаться от уровня к уровню, пока не дойдем до уровня
некоторых элементарных функций, выполняемых статическими
неоднородностями (диодами, транзисторами и т. д.).
Там же, где мы имеем дело с динамическими неоднородностя-
Функциональная электроника — электроника четвертого поколения
111
ми, этого сделать нельзя. Так, например, в устройстве на ПАВ мы
не можем выделить, как в обычной схеме, усилительный элемент
(транзистор), элемент селекции (фильтр), элемент задержки и т. д.
Мы имеем одно устройство, выполняющее сложную функцию —
обработка сигнала ведется в однородной среде твердого тела.
Именно с этих позиций мы и называем такие устройства устрой-
ствами функциональной электроники.
Таким образом, функциональная электроника имеет ряд прин-
ципиальных качественных отличий от транзисторных ИС третьего
поколения, и в силу этого может претендовать на то, что именно
она и есть первый шаг в электронику четвертого поколения.
Бесспорно, что функциональная электроника не будет стро-
иться исключительно на базе динамических неоднородностей.
В устройствах управления, ввода и вывода информации и т. п.
будут использоваться и статические неоднородности. Однако
динамические неоднородности будут занимать все более значи-
тельное место в устройствах функциональной электроники.
Чтобы правильно оценить перспективы функциональной элек-
троники и определить более четко направления работ в этой обла-
сти, необходимо уже сегодня рассматривать ряд проблем, напри-
мер:
В каких соотношениях могут находиться количества статиче-
ских и динамических неоднородностей, объем обрабатываемой
информации и размеры устройства (кристалла)?
Каков механизм взаимодействия дефектов со статическими и
динамическими неоднородностями в различных случаях? В какой
степени можно рассчитывать на повышение уровня интеграции в
функциональной электронике за счет увеличения размеров кри-
сталла?
В какой степени уменьшение количества статических неодно-
родностей за счет использования неоднородностей динамических
дает возможность получать высокие экономические показатели
(производительность, процент выхода, стоимость одного бита
информации) при наиболее высоких разрешениях (т. е. при мини-
мально возможных размерах элемента)?
Нет ли возможности получать малые размеры динамических
неоднородностей при низком разрешении? Другими словами,
нельзя ли получать размеры динамических неоднородностей мень-
ше, чем размеры статических неоднородностей в этом же устрой-
стве?
Конечно, это далеко не полный и весьма приблизительный пере-
чень вопросов. Какие-то из них, возможно, покажутся просто наив-
ными через 2—3 года. Сегодня же мы, как садоводы, должны окру-
жить вниманием первые ростки функциональной электроники —
электроники четвертого поколения.
ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ ДЕНИСЮК — физик, член-коррес-
пондент АН СССР, лауреат Ленинской премии. Научные
интересы относятся к области физической оптики, большин-
ство работ посвящено фотографическому методу регистра-
ции волновых полей — голографии.
ГОЛОГРАФИЯ
И ЕЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
Поразительно, что среди всего разнообразия известных физике
эффектов до последнего времени не было явления, которое позво-
лило бы объективно запечатлевать конфигурации предметов окру-
жающего нас мира. Фотографии, полученные с помощью камеры-
обскуры и линзы — вот фактически и весь арсенал средств реги-
страции предметов. Однако даже и эти на первый взгляд
очевидные способы регистрации при ближайшем рассмотрении
оказываются субъективными, т. е. рассчитанными на восприятие с
помощью человеческого глаза или какого-либо иного зрительного
аппарата с аналогичным строением.
Первый, в действительности объективный способ регистрации
формы предметов — голография и лежащий в ее основе эффект
были обнаружены только в середине нашего столетия к моменту
появления технического средства их реализации — лазера В1949 г.
английский физик Д. Габор показал, что фотографическая
запись картины интерференции сложного произвольного волно-
вого поля излучения, рассеянного объектом, и волнового поля про-
стой конфигурации (его обычно называют референтной волной)
обладает свойством восстанавливать волновое поле объекта, если
Голография и ее перспективы
113
на такую запись-голограмму снова направить референтную вол-
ну*.
Голограмме Габора был присущ ряд серьезных недостатков. На
истинное изображение, которое формирует восстановленная вол-
на, накладывалось ложное, предметы можно было регистрировать
только «на просвет», имелись и другие ограничения. Все это сдер-
живало развитие такого способа регистрации, и он был на какое-
то время забыт.
Дальнейшие события, однако, показали, что идея записи волно-
вых полей с помощью референтной волны — одна из наиболее
жизненных в физике нашего времени. Первые же эксперименты с
лазерами обнаружили, что связанные с такого рода записью
эффекты необычайно сильны и устойчивы. Уникальный характер
голографии, как фактически единственного способа объективной
записи информации о форме и структуре предметов, предопреде-
лил необычайно широкий диапазон ее практических приложений,
простирающийся от тяжелого машиностроения до исследований в
области термоядерной плазмы и лингвистики. С течением времени
все более и более выявляется, что в основе всей этой области
оптики лежит весьма глубокая и общая закономерность волновых
полей.
Голография в своем новом качестве возродилась в 1962—
1964 гг., когда американские исследователи Е. Н. Лейт и Ю. Упат-
ниекс, используя так называемую внеосевую референтную волну,
показали, что ограничения характера регистрируемого объекта и
искажения восстановленного изображения отнюдь не свойствен-
ны методу, а являются результатом крайне невыгодной геометрии
записи в схеме Габора. Оказалось, что на голограмме можно запи-
сывать практически любые объекты.
В том же 1962 г. автор данной статьи обнаружил, что сама двух-
мерная голограмма в действительности представляет собой лишь
только частный случай гораздо более общего явления. Выясни-
лось, что существенно более полный комплекс отображающих
свойств заключен в объемной картине интерференции — так назы-
ваемой стоячей волне. Трехмерная материальная модель такой
волны однозначно воспроизводит амплитуду, фазу и спектральный
состав записанного на ней излучения. В дальнейшем, в 1974 г.,
автор показал, что отображающими свойствами обладают не
только стоячие, но и бегущие волны интенсивности, которые
образуются в том случае, когда частоты объектной и референтной
волн различны.
Отображающие свойства волн интенсивности распространя-
ются и на состояние поляризации излучения. Исследования,прове-
* См. статью автора «Голография» в международном ежегоднике «Наука и че-
ловечество. 1973». — Pet).
114
Ю. II. Денисюк
денные советским физиком Ш. Д. Какичашвили, показали, что
голограмма, во всяком случае двухмерная, способна регистриро-
вать и воспроизводить состояние поляризации объектной волны. В
этом случае направления поляризации объектной и референтной
волн заведомо отличаются и в предельном случае могут быть
взаимно ортогональными. Запись такой голограммы осуществля-
ется в среде, способной к так называемому Вейгерт-эффекту, т. е.
в среде, которая под действием поляризованного излучения приоб-
ретает анизотропию показателя поглощения.
Картина интерференции, соответствующая случаю, когда объ-
ектная и референтная волны поляризованы взаимно ортогонально,
приведена в правой нижней части рис. 1. Вместо модуляций интен-
сивности такая картина характеризуется различными циркуляр-
ными и линейными состояниями поляризации. Глаз не различает
этих состояний поляризации, и ему кажется, что поле интерфе-
ренции освещено равномерно. Однако в действительности такие
волны интенсивности несут информацию как о форме волновых
фронтов, так и о состоянии поляризации интерферирующих
Голография и ее перспективы
115
компонент. Если такую картину интерференции зарегистрировать
на фотоматериале F, способном к Вёйгерт-эффекту, то получим
голограмму, на которой одновременно записаны две периодиче-
ские структуры: на месте слоев ; d2 ...возникает структура, по-
ляризующая свет в направлении северо-восток. На месте слоев
ё t; ё 2 возникает сдвинутая наполовину периода структура, поляри-
зующая свет в ортогональном направлении. При реконструкции
такая голограмма восстановит две объектные волны, которые
будут сдвинуты по фазе наполовину периода и поляризованы
под прямым углом друг к другу и под 45° по отношению к рефе-
рентной волне. Нетрудно показать, что при сложении таких сдви-
нутых по фазе компонент плоскость поляризации повернется
на 90° относительно восстанавливающей волны. Таким образом
будет восстановлено состояние поляризации объектной волны.
Поляризационная голография — далеко не единственный при-
мер того, что во многих случаях именно светочувствительная среда
оказывает решающее влияние на весь комплекс свойств голограм-
мы. В последнее время начал развиваться ряд новых важных
направлений, таких, как динамическая голография, голография в
резонансных средах, а также обращение волнового фронта при
вынужденном рассеянии света. Каждое из этих направлений обя-
зано своим появлением определенной специфической особенно-
сти характера отклика того или иного класса светочувствительных
сред на излучение. При всем этом следует помнить, однако, что
какую бы важную роль ни играл фотоматериал, в основе отобража-
ющих свойств голограммы все же лежат отображающие свойства
волновых полей.
Основное оптическое явление голографии
Наиболее общее оптическое явление голографии в том виде, в
котором оно известно нам в настоящее время, можно представить
себе следующим образом (см. рис. 1). Движущийся с неограничен-
ной произвольной скоростью объект 0 (на рисунке в качестве
примера приведена птица, однако с таким же успехом объектом
могут быть молекула, протон, электрон) рассеивает излучение
некоторого когерентного источника S. Рассеянное объектом из-
лучение, сдвинутое вследствие Доплер-эффекта по частоте относи-
тельно падающего излучения, складывается с последним, образуя
систему бегущих волн интенсивности. На рисунке эти волны пред-
ставлены в виде слоев dA, d2, d3 (помеченных штриховкой), харак-
теризующихся максимальным значением интенсивности и разде-
ленных слоямиSi,S2, У которых интенсивность поля минимальна.
Вся эта система перемещается в общем направлении движения
объекта.
116
Ю. Н. Денисюк
Предположим, что окружающее объект пространство, в частно-
сти объем V, заполнено материальной средой, которая мгновенно
реагирует на изменение интенсивности поля тем, что ее диэлектри-
ческая постоянная изменяется пропорционально значению воз-
действующей интенсивности.
В результате нелинейного взаимодействия поля со средой в
объеме V возникает материальная модель бегущей волны интен-
сивности. Оказывается, что такая модель обладает замечательным
свойством отражать излучение источника S так, что оно точно
преобразуется в излучение, рассеянное объектом. В отраженном
излучении однозначно воспроизводятся амплитуда, фаза и спект-
ральный состав излучения объекта, включая доплеровский сдвиг
отраженного излучения относительно падающего.
Несколько упрощая воспроизведение амплитуды и фазы, т. е.
воспроизведение формы волнового фронта объекта, его можно
объяснить следующим образом: каждая сферическая волна источ-
ника S отражается от поверхности каждого из слоев d19 d2, d3, ...,
как от некоего кривого зеркала, характеризующегося переменным
коэффициентом отражения. При этом коэффициент отражения
зеркала изменяется от точки к точке именно так, чтобы обеспечить
воспроизведение амплитуды волнового фронта объекта, а кри-
визна зеркала такова, что сферическая волна источника перехо-
дит в волну, форма которой совпадает с формой волны объекта.
Скорость движения зеркал, образовавшихся на месте слоев d1}
d2, d3 оказывается именно такой, что длина волны падающего на
голограмму излучения благодаря эффекту Доплера точно преоб-
разуется в длину волны излучения, отраженного от объекта.
Знаменательно, что отображающие свойства бегущих волн
интенсивности сохраняются и в области релятивистских скоростей
движения объекта, т. е. когда объект движется со скоростью,
близкой скорости света. При таких скоростях разность частот волн
объекта и источника приобретает заметную величину, и поэтому
нормаль п к поверхности волн интенсивности и соответствующих
им френелевских зеркал перестает быть биссектрисой угла между
лучевыми векторами ls и /0 интерферирующих волн. На первый
взгляд кажется, что в этих условиях голограмма не может осуще-
ствить преобразование волны реконструирующего источника S в
волну объекта О, так как геометрия расположения лучевых векто-
ров /5 и /ои нормали п не соответствует закону зеркального отра-
жения. Замечательно, однако, что это обстоятельство совершенно
не'отражается на отображающих свойствах голограммы. Оказыва-
ется, что когда зеркало движется с большой скоростью, закон
Снелиуса видоизменяется и что соответствующая этому видоизме-
Голография и ее перспективы
117
ненному закону геометрия расположения падающего, отражен-
ного лучей и нормали точно совпадает с геометрией расположения
интерферирующий лучей ls и /0 относительно нормали п к поверх-
ности образующейся при этом волны интенсивности.
Частному случаю, когда объект О и референтный источник S
неподвижны относительно друг друга, а регистрация осуществля-
ется в объемной светочувствительной среде, соответствует так
называемая голография с записью в трехмерных средах. Волна
интенсивности при этом превращается в стоячую волну, которую
можно «запомнить», зафиксировав ее в отличие от бегущей волны,
в объемном фотоматериале. Релятивистские эффекты в этом слу-
чае естественно исчезают, и нормаль п к поверхности пучностей
становится биссектрисой угла между лучами ls и 1О интерфериру-
ющего в объеме голограммы излучения.
При реконструкции такая трехмерная модель стоячей волны
ведет себя как своеобразный оптический эквивалент объекта.
Если на нее направить излучение точечного источника S, но уже не
когерентного, как при записи, а со сплошным спектром, то такая
голограмма выберет из этого спектра и отразит излучение именно
той длины волны, которое падало на нее при экспозиции. При этом
в отраженном голограммой излучении будет точно воспроизведен
волновой фронт излучения, рассеянного объектом.
Воспроизведение спектрального состава, т. е. селекция, из
сплошного спектра излучения восстанавливающего источника
излучения с длиной волны, равной длине волны излучения объекта,
осуществляется за счет того, что волны, отраженные различными
слоями, складываются синфазно (т. е. «в такт») только для излу-
чения именно этой длины волны. Колебания с другими длинами
волн складываются несинфазно и поэтому взаимно гасятся. Трех-
мерная голограмма однозначно воспроизводит амплитуду, фазу и
спектральный состав записанного на ней излучения.
Следующий, более частный случай — голография с записью в
двухмерных средах. Возможность перехода к этому случаю осно-
вана на одном весьма интересном свойстве голограммы. Так как в
каждую точку голограммы приходят и интерферируют лучи от всех
точек объекта, то голограмма может делиться без ущерба для
целостности записанного на ней изображения. Более того, оказы-
вается, что полное изображение несут также и плоские фрагменты
волны интенсивности — например, фотографическая запись
интенсивности в сечении стоячей волны плоскостью Р (см. рис. 1).
Однако в этом случае свойства голограммы обедняются — плоская
голограмма'не воспроизводит спектрального состава излучения и
кроме истинного изображения объекта образует также и ложное.
118
Ю. Н. Денисюк
Возникновение ложного изображения обусловлено тем, что
одну и ту же двухмерную картину интерференции могут образовать
две совершенно различные волны, взаимодействующие с рефе-
рентной волной. При реконструкции голограмма не чувствует раз-
ницы между этими волнами и восстанавливает их одновременно. К
оптическим свойствам голограммы следует отнести и ее способ-
ность воспроизводить состояние поляризации объектной волны,
хотя это во многом определяется также и свойствами сред, в
которых записываются голограммы такого типа. Запись состояния
поляризации излучения на голограмме в первую очередь подразу-
мевает возможность записи картины интерференции поляризован-
ной определенным образом референтной волны с объектной вол-
ной, поляризованной в произвольном направлении, в том числе и
ортогонально к референтной. На первый взгляд кажется, что такая
операция неосуществима. Действительно, в оптике известно, что
ортогонально поляризованные лучи видимой глазом интерферен-
ционной картины не создают. Однако исчезновение картины интер-
ференции только кажущееся. Оказывается, что в этом случае поле
интенсивности состоит как бы из нескольких вложенных друг в
друга интерференционных картин, соответствующих различным
состояниям поляризации. Слои с разными направлениями цирку-
лярной поляризации условно изображены в правой нижней части
рис. Г. Глаз не различает эти состояния, и ему кажется, что поле
зрения освещено равномерно.
Более подробный анализ, однако, показывает, что в сложном
поле интерференции волн, поляризованных в различных направле-
ниях, заключена достаточно точная информация о состоянии их
поляризации. Для того чтобы выявить информацию об этом пара-
метре, голограмму необходимо записать в среде, характеризу-
ющейся так называемым эффектом Вейгерта, т. е. в среде, которая
под действием поляризованного излучения приобретает анизотро-
пию показателя поглощения. Записанная таким образом голо-
грамма при реконструкции волной с определенным направлением
поляризации может восстановить волну с любым направлением, в
том числе ортогональным по отношению к поляризации восстанав-
ливающей волны.
Способность голограммы восстанавливать состояние поляри-
зации излучения следовало бы отнести к ее самым общим свой-
ствам. К сожалению, однако, в настоящее время этот эффект
теоретически и экспериментально обоснован только для случая
записи в двухмерных средах.
Невольно возникает мысль, что основное оптическое явление,
как весьма общее свойство материализованных волн интенсивно-
сти, должно играть какую-то важную роль в строении материи.
Ведь материя, как известно, тоже распространяется посредством
волн; эти волны, как и любые другие, обладают способностью
Голография и ее перспективы
119
интерферировать, а следовательно, и записывать голограммы.
Говоря об отображающих свойствах голограммы, обычно под-
разумевают ее способность воспроизводить волновые поля. Одна-
ко, строго говоря, отображать можно только подобное подобным.
Поэтому правильнее считать, что материальная голограмма вос-
производит какие-то элементы структуры материального объекта и
в результате становится его оптическим эквивалентом, способным
воздействовать на излучение так же, как и оригинал. Насколько
далеко распространяется это свойство, играет ли оно какую-либо
роль, например, при превращении гамма-квантов в частицы, и
можно ли рассчитывать получить в дальнейшем с помощью голо-
графии двойники объектов — правомерность постановки этих
вопросов и ответы на них определит будущее.
Голограммы с записью в трехмерных средах
и их приложения
По существу, любая голограмма, записанная на реальном фото-
материале, трехмерна, и двухмерные голограммы, при рассмотре-
нии которых можно было бы пренебречь эффектами третьего
измерения, встречаются только как редкое исключение. Такие
виды голограмм, как динамические голограммы, голограммы в
резонансных средах (подробнее о них — ниже), фактически пред-
ставляют собой также трехмерные голограммы, свойства которых
несколько видоизменены благодаря особым характеристикам
фотоматериала.
Одним из первых направлений развития приложений трехмер-
ной голографии стала так называемая изобразительная гологра-
фия. Сама мысль о применении голографии для создания изобра-
жений, неотличимых от оригинала, была выдвинута в 1962 г.
одновременно с одним из методов трехмерной голографии — так
называемым методом встречных пучков. В те времена казалось,
что реально такие изображения могут быть получены в каком-то
весьма отдаленном будущем. Сейчас голограммы с изображения-
ми такого рода находятся на пороге массового внедрения в по-
вседневную жизнь.
Метод записи таких трехмерных голограмм, известный под
названием метода встречных пучков, можно пояснить на том же
рис. 1. Излучение трех лазеров— красного, зеленого и синего
направляется из точки S на объект О через прозрачную фотопла-
стинку F. Отраженное объектом излучение, складываясь с пада-
ющим, образует стоячую волну, которая впечатывается в эмуль-
сионный слой фотопластинки е.
Полученная таким образом голограмма восстанавливается из-
лучением обычной лампы накаливания, расположенной на месте
120
Ю. Н. Денисюк
источника S. В силу присущих ей свойств трехмерная голограмма,
как уже говорилось, выделяет из сплошного спектра излучения
лампы накаливания излучение тех длин волн, которым объект
освещался при записи, и отражает их так, что на месте объекта
возникают три наложенных друг на друга изображения — красное,
зеленое и синее. В результате образуется единое цветное объем-
ное изображение объекта, которое воспроизводит полный
эффект присутствия оригинала. Предметы на таком изображении
объемны, их можно рассматривать с разных сторон, при этом бли-
ки на блестящих поверхностях играют, как на настоящем пред-
мете.
Отечественная техника получения такого рода изобразитель-
ных голограмм достигла высокого совершенства, значительно
обогнав в данный момент соответствующую зарубежную технику.
Прогрессу в этой области существенно содействовали работы
физика-оптика Г. А. Соболева, а также специалистов в области
фотослоев И. Р. Протаса и Н. И. Кириллова.
Пройдет совсем немного времени, и изобразительные голо-
граммы, записанные во встречных пучках, найдут широкое приме-
нение в качестве копий музейных экспонатов, а также украшений
интерьеров общественных зданий и жилых квартир. Особенно
широкое распространение, по-видимому, получат объемные
голографические портреты, для изготовления которых будут
созданы специальные ателье. На основе техники получения таких
голограмм уже сейчас начинает развиваться новый вид искусства,
занимающий промежуточное положение между живописью, фото-
графией и скульптурой.
Другое, сложившееся к настоящему времени практическое при-
ложение трехмерной голографии — создание отражающих, фоку-
сирующих покрытий. В этом случае при регистрации голограммы
в качестве объекта О (см. рис. 1) используется либо вогнутое
зеркало, либо каким-то способом формируется соответствующий
ему волновой фронт. В результате в эмульсионный слой е фото-
пластинки F впечатывается голограмма, которая обладает способ-
ностью в узком спектральном диапазоне фокусировать излучение
так же, как и оригинал. На остальных участках спектра зеркало
прозрачно.
Такие своеобразные покрытия нашли уже применение в при-
боростроении для введения информации в поле зрения наблюда-
теля, в качестве дисперсионных элементов резонаторов лазеров,
а также при создании экранов, предназначенных для проекции
объемного изображения зрителю.
Все упомянутые приложения развивались на основе галогени-
досеребряных фотослоев или слоев бихромированной желатины.
Такие слои имеют толщину порядка нескольких микрон, и объем-
ные эффекты возникают в этом случае за счет того, что при испо-
Голография и ее перспективы
121
Рис, 2
льзовании встречных пучков период стоячих волн все же в десятки
раз меньше толщины эмульсионного слоя.
Развитие голографии с записью на относительно большую глу-
бину стимулировалось попытками осуществить идею американ-
ского исследователя П. И. Ван-Хирдена, который предложил
использовать уникальные возможности трехмерной голографии
для создания оптической памяти сверхвысокой емкости. По мне-
нию П. И. Ван-Хирдена, сходство некоторых свойств голограммы
и мозга подтверждает гипотезу английского физиолога
Р. И. Верля о том, что мозг хранит каждый бит информации не в
одиночной пространственно-локализованной ячейке, а в виде оди-
ночной пространственной гармоники возбуждения, заполняющей
весь его объем. Такой способ хранения информации обладает
рядом достоинств. Например, повреждение одного или нескольких
участков мозга не вызывает в этом случае полного исчезновения
какой-либо части записанной в нем информации.
Вход в такую «нелокализованную» память весьма удобен — в
отличие от памяти на пространственных ячейках, где каждая рас-
положенная внутри объема ячейка должна быть соединена с вход-
122
Ю. Н. Денисюк
ным устройством специальным нервным волокном, в данном слу-
чае каждый элемент соединен только с ближайшими соседями.
Потенциальная емкость такого рода памяти грандиозна.
П. И. Ван-Хирден показал, что число независимых гармоник, с
помощью которых может быть записана информация, равно объ-
ему голограммы, деленному на кубик с линейными размерами
л хХ хХ (см. рис. 2), равными длине волны света, использованно-
го при ее записи. Для видимого света эта величина составляет
Юю ячеек/см3.
Практически уплотнение записи при использовании трехмерной
голограммы достигается за счет того, что на один и тот же участок
фотоматериала впечатывается одновременно много голограмм,
отличающихся либо длиной волны записи, либо направлением
референтного луча. Благодаря селективным свойствам трехмер-
ной голограммы каждая из записанных голограмм может быть счи-
тана затем независимо. Например, изображения Оь О2,... могут
быть одновременно записаны в виде голограмм на одном и том же
участке фотоматериала либо с помощью референтных волн, харак-
теризующихся одним и тем же волновым фронтом Я] и различными
длинами волн Хг к2 либо с помощью референтных волн Rv R2
характеризующихся одной и той же длиной волны, но различными
направлениями распространения (см. рис. 2).
Появление оптической памяти с емкостью, приближающейся к
предельной теоретической емкости трехмерной голограммы,
могло бы существенно повлиять на развитие вычислительных
машин. В такой памяти можно было бы, например, записать
громадную таблицу результатов различных математических опера-
ций, аналогично тому, как это делается при составлении таблицы
логарифмов или синусов, и затем извлекать эти результаты по
мере надобности из памяти, не производя громоздких вычислений.
Несмотря на достаточно интенсивные исследования, объемную
голографическую память до сего времени создать не удалось в
связи с отсутствием светочувствительного материала, облада-
ющего необходимыми свойствами. Первоначально объемные глу-
бокие голограммы пытались регистрировать на щелочно-галоид-
ных кристаллах, а затем на кристаллах ниобата лития. Однако в том
и другом случае запись не фиксируется, и в результате при считы-
вании информация, записанная на голограмме, достаточно быстро
стирается под действием считывающего излучения.
В самое последнее время в этой области снова открылись неко-
торые перспективы — появился новый светочувствительный мате-
риал реоксан, который позволяет записывать голограммы на боль-
шую глубину и затем фиксировать запись. Этот материал представ-
ляет собой полимерную матрицу, в которую введено рабочее веще-
ство — полиаценовое соединение, а также кислород и сенсибили-
затор. Механизм светочувствительности материала основан на
Голография и ее перспективы
123
принципе сенсибилизированной реакции фотоокисления. Сенси-
билизатор поглощает квант света, передает его кислороду, и тот
окисляет рабочее вещество. После экспозиции кислород удаляет-
ся, и, таким образом, осуществляется фиксация изображения.
В результате окисления рабочего вещества его полосы погло-
щения, расположенные в ультрафиолетовой части спектра, изме-
няются, что вызывает соответствующее изменение показателя
преломления в видимой части спектра. На материале такого рода
можно записывать голограммы весьма больших размеров, испо-
льзуя при этом излучение практически любой длины волны види-
мого спектра. К недостаткам реоксана, как, впрочем, и всех фото-
материалов, не обладающих так называемым усилением изобра-
жения, следует отнести относительно низкую чувствительность.
Аналогия трехмерной голограммы с мозгом простирается, по-
видимому, гораздо дальше возможности создания сверхплотной
памяти, не чувствительной к повреждению ее отдельных участков.
В работе П. И. Ван-Хирдена было показано, что на основе так
называемой безопорной трехмерной голограммы (т. е. такой, при
записи которой не используется референтная (опорная) волна)
можно осуществить ассоциативную память. Ее свойства весьма
родственны процессам нашего мышления.
Предположим, что при записи на голограмме V (см. рис. 2) было
зарегистрировано излучение некоторого объекта-стрелки О1(
референтная волна при этом отсутствовала. Излучение каждой
точки стрелки, интерферируя с излучением всех ее остальных
точек, запишет в объеме голограммы множество пространствен-
ных гармоник, отличающихся значением пространственного
периода и ориентацией в пространстве (гармоники а, (1 у на
рис. 2).
Пусть при реконструкции на такую голограмму направляется
излучение только одной части записанного на ней объекта, напри-
мер излучение точек острия. Излучение каждой такой точки в силу
селективных свойств объемных пространственных гармоник будет
взаимодействовать только с теми гармониками, в формировании
которых это излучение участвовало во время записи". При вза-
имодействии волны излучения данной точки с каждой из гармоник
восстановится соответствующая парная волна, участвовавшая в
образовании этой гармоники. Поскольку излучение любой из точек
стрелки взаимодействовало с излучением всех остальных точек
стрелки, то каждая из точек острия восстановит изображение всей
стрелки в целом. Эти изображения, складываясь, усилят друг дру-
га, и в результате появится единое, яркое изображение стрелки.
Таким образом, по части записанной на ней ситуации — острию
* Двухмерные пространственные гармоники селективными свойствами не обла-
дают. соответственно двухмерная голограмма не может быть бе топорной.
124
Ю. Н. Денисюк
стрелки— голограмма «вспомнила» всю ситуацию — изображе-
ние стрелки в целом.
Замечательной чертой этой на первый взгляд простой операции
является то, что она весьма напоминает процессы ассоциативной
памяти, которые так свойственны нашему мышлению. По сущест-
ву, каждый из нас встречается с этим фундаментальным свойст-
вом мозга буквально каждую минуту своей сознательной жизни:
коснулся нашего слуха небольшой отрывок полузабытой мело-
дии, и вот уже вся симфония зазвучала в нашей голове, принес
ветер какой-то аромат, и в памяти возникает образ цветка.
Аналогия между трехмерной голограммой и мозгом весьма глу-
бока и, по-видимому, реальна, во всяком случае с развитием наших
представлений о трехмерной голограмме сходство протекающих в
ней процессов с процессами мозга только усиливается. Например,
в соответствии с более современными теориями трехмерной голо-
граммы восстановленная ею волна, возникнув в толще голограм-
мы, сама начинает восстанавливать эту голограмму. Нетрудно
показать, что такой механизм допускает выявление цепей последо-
вательно связанных между собой событий. На самом деле, предпо-
ложим, что на трехмерной голограмме были последовательно
записаны без помощи опорной волны две ситуации — стрелки О}
и О2, перекрывающиеся в области оперения (см. рис. 2). Если
такую голограмму по-прежнему восстановить излучением острия
стрелки Olt то на какой-то глубине восстановится изображение
стрелки Ог. Поскольку структура стрелки Ог совпадает в области
оперения со структурой стрелки О2, то восстановленное внутри
голограммы волновое поле стрелки тут же начнет восстанавли-
вать волновое поле стрелки О2.
Аналогичным способом поступает и человек, желающий восста-
новить в памяти какое-то событие, начав от одного яркого
момента, память последовательно восстанавливает одну ситуацию
за другой.
Трехмерной голограмме свойственна и такая операция, как
«концентрация внимания». Этот эффект имеет место при считыва-
нии голограммы, записанной в динамической среде, реагирующей
на свет непосредственно в процессе его воздействия. При рекон-
струкции такой голограммы восстановленная ею волна, проходя
далее через объем голограммы, начинает снова записываться.
В результате запись усиливается, и восстановленное изображе-
ние постепенно «разгорается».
Ни одно из упомянутых «интеллектуальных» свойств трехмер-
ной голограммы пока еще не нашло практического применения.
Несомненно, однако, что со временем, когда человечество ближе
подойдет к решению суперпроблемы создания - искусственного
интеллекта, трехмерная голограмма сможет внести достойный
вклад в эту область.
Голография и ее перспективы
125
Динамическая голография
и генерация обращенной волны
В настоящее время фронт наиболее активных исследований
переместился в упомянутую выше динамическую голографию. Под
этим термином обычно понимают случай, когда трехмерная кар-
тина стоячих волн записывается в среде, которая реагирует на
излучение непосредственно в процессе его воздействия. По харак-
теру закономерностей динамическая голография представляет
собой синтез голографии в трехмерных средах и нелинейной опти-
ки. При этом закономерности голографии используются для описа-
ния трансформаций сложных волновых фронтов, а закономерно-
сти нелинейной оптики —для описания характера поведения реги-
стрирующей среды в процессе воздействия на нее излучения.
Наиболее характерная область исследований динамической
голографии — преобразование волновых фронтов, выполняемых
непосредственно в момент их существования. Однако эффекты
динамической голографии проявляются также и в процессе записи
обычных статических объемных голограмм, когда такие голо-
граммы регистрируются на фотоматериалах, которые не образуют
скрытого изображения, нуждающего в проявлении, а реагируют на
свет непосредственно в процессе экспозиции. Собственно говоря,
с изучения именно этих эффектов, свойственных записи на щелоч-
ногалоидных кристаллах, ниобате лития, а также реоксане, и было
начато исследование закономерностей динамических голограмм.
Одной из заметных вех в этой области стало обнаружение
Д. Л. Стаблером и И. И. Амодеем эффекта направленного пере-
носа энергии между волнами, интерферирующими в кристалле
ниобата лития. Эффект существенно определялся тем, что при
записи в таком кристалле картина изменения показателя прело-
мления сдвигается на четверть периода относительно интерферен-
ционной картины, вызывающей это изменение. Интерес к этому
эффекту особенно возрос после того, как советский физик
М. С. Соскин предложил использовать его для исправления вол-
новых фронтов излучения лазеров. С этой целью предполагалось
смешать в динамической голограмме два волновых фронта: мощ-
ный фронт неправильной формы и специально сформированную
правильную относительно слабую волну. Теория динамической
голограммы, развитая Д. И. Стаселько и В. Г. Сидоровичем,
показала, что при наличии четвертьволнового сдвига энергия иска-
женной волны может быть перекачана в волну правильной формы.
Практическая реализация идеи коррекции волнового фронта
за счет перераспределения энергии волн в динамической програм-
ме оказалась весьма затруднительной как из-за сложности созда-
ния необходимого четвертьволнового сдвига, так и вследствие
126
ю. Н. Денисюк
некоторых других причин. В последнее время выяснилось, что го-
раздо более важной и свойственной динамической голографии за-
дачей является обращение (комплексное сопряжение) волн в мо-
мент их существования. Полученные обращенные волны можно
использовать затем для различных целей, в том числе для коррек-
ции волновых фронтов излучения, исходящего из лазеров.
Способность голограммы образовывать обращенную волну,
приблизительно равноценная по важности ее способности восста-
навливать прямую объектную волну, впервые была обнаружена на
трехмерных голограммах, записанных во встречных пучках. Сущ-
ность этого явления поясним с помощью рис. 1.
Предположим, что объект О неподвижен и записан в виде трех-
мерной голограммы в объеме V. При восстановлении излучением
записывающего источника такая голограмма восстановит объект-
ную волну. На рис. 1 этому процессу соответствует преобразова-
ние лучевого вектора восстанавливающей волны 1$ в лучевой век-
тор объектной волны /0. Напомним, что нормаль п к зеркальному
сл^ю в статическом случае является биссектрисой угла между ls
и /0).
Оказывается, однако, что трехмерную голограмму можно вос-
становить также излучением сферической волны, которая схо-
дится в точку, где расположен источник S, или, если говорить
языком теории, волной, комплексно сопряженной по отношению к
волне источника. При реконструкции такой волной каждый ее луче-
вой вектор ls* переходит в лучевой вектор /0* волны, обращенной
по отношению к волне объекта. Обращенная волна, в отличие от
прямой объектной волны, не расходится от объекта, а сходится к
нему.
Операция обращения волн классической оптике была неизвест-
на. Свойства таких волн весьма необычны. В частности, например,
наблюдатель, воспринимающий изображение, образуемое обра-
щенной волной, увидит птицу «изнутри», как нечто напоминающее
внутренность сосуда, при этом головка будет казаться впадиной,
расположенной в дальнем конце этого сосуда. На практике обра-
щенная волна находит широкое применение для компенсации вли-
яния различных оптических неоднородностей — ведь проходя в
обратном порядке через среду, такая волна приобретает искаже-
ния обратного знака, при этом влияние неоднородностей пол-
ностью исключается.
Первая так называемая четырехволновая схема обращения
волн с помощью динамической голограммы была предложена
независимо советскими физиками Б. И. Степановым, Е. В. Ива-
Голография и ее перспективы
127
«иным, А. С. Рубановым и американским физиком И. Р. Вордма-
ном. Принцип действия этой схемы, а также возможный способ
использования обращенной волны для компенсации влияния опти-
ческих неоднородностей пояснены на рис. 3.
Предположим, что плоская волна И/о, распространяясь слева
направо, проходит через некоторую оптически неоднородную
среду U. В результате воздействия оптических неоднородностей
волна И/о искажается и трансформируется в сложную волну Wu.
Четырехволновая динамическая голограмма формируется в
результате смешения волны И/„, плоской референтной волны Я и
встречной по отношению к ней волны R*, полученной в результате
отражения волны R от зеркала Z.
При рассмотрении механизма действия такой голограммы
можно принять, что в результате интерференции волн и R
образуется трехмерная голограмма (система изофазных поверх-
ностей dv d2 d$, которая при считывании волной R* формирует
волну сопряженную по отношению к объектной волне Wu,
записанной на голограмме. С равным основанием можно принять,
что голограмму образуют волны Wu и R*, а считывание осуще-
ствляется волной R. Результат будет одинаков — в обоих случаях
образуется волна Wu*, совпадающая по форме с волной Wir
однако распространяющаяся в противоположном направлении.
Пройдя строго по обратному пути через среду U, такая обращен-
ная волна приобретает искажения противоположного знака и в ре-
зультате трансформируется в плоскую волну И/о*. встречную по
отношению к первоначальной волне VV0
128
Ю. Н. Денисюк
Одним из наиболее естественных применений четырехволновой
схемы является коррекция волнового фронта излучения лазеров.
В этом случае динамическая голограмма Н, играя роль одного из
зеркал резонатора, обращает волну выходящую из торца ра-
бочего тела U. После прохождения обращенной волны через рабо-
чее тело влияние его оптических неоднородностей полностью ком-
пенсируется, и на выходе лазера формируется плоский волновой
фронт IV0*
Другой, еще более естественный способ получения обращен-
ных волн был обнаружен в Физическом институте АН СССР
(ФИАНе) В. В. Рагульским, Б. Я. Зельдовичем и другими. Оказа-
лось, что если на кювету К (см. рис. 4), заполненную веществом,
способным к так называемому вынужденному рассеянию Ман-
дельштама—Бриллюэна (например, сероуглеродом), направить
волну Wy с достаточно неоднородным волновым фронтом, то
кювета немедленно отразит эту волну в виде волны сопря-
женной по отношению к волне, падающей на кювету. Система с
такими свойствами получила название «бриллюэновского зер-
кала».
Механизм его действия можно интерпретировать следующим
образом. По существу, в кювете К регистрируется объемная без-
опорная голограмма волнового фронта WLJ совершенно аналогич-
ная безопорной голограмме, схема получения которой представ-
лена на рис. 2. Отличие заключается только в характере реакции
светочувствительного материала.
В случае, изображенном на рис. 2, предполагается, что голо-
грамма записывается в светочувствительной среде, которая
меняет свой показатель преломления пропорционально интенсив-
ности воздействующего излучения. В соответствии с этим сгустки
света, образовавшиеся в результате интерференции падающего
на голограмму излучения, регистрируются средой в виде соответ-
ствующих равномерно заполненных сгустков показателя прело-
мления. (На рис. 2 такие сгустки обозначены в правой части
объема V в виде зачерненных эллипсов.) Зарегистрированная в
таком материале голограмма при считывании восстанавливает
записанную на ней волну.
В случае бриллюэновского зеркала характер реакции светочув-
ствительной среды несколько иной. В местах сгустков света раз-
вивается процесс вынужденного рассеяния света на звуке. Это
означает, что свет, отраженный начальными тепловыми неодно-
родностями среды, складываясь с падающим светом, образует
волну интенсивности; она, в свою очередь, наводит в среде соот-
ветствующую неоднородность, на которой снова рассеивается
свет, и т. д.
В результате такого процесса каждый сгусток света в объеме
кюветы К заполняется звуковой волной, бегущей попутно с пада-
Голография и ее перспективы
129
ющим на кювету излучением. Пространственный период этой зву-
ковой волны Л равен периоду волны интенсивности, образую-
щейся при интерференции падающего на кювету и отраженного ею
излучения, т. е. приблизительно половине длины световой волны.
На рис. 4 такие звуковые волны показаны в виде вертикальной
штриховки, заполняющей каждый сгусток света, который реги-
стрируется голограммой.
Изменение характера отклика светочувствительной среды есте-
ственно приводит к изменению результата взаимодействия вос-
станавливающего излучения со структурой голограммы. Если на
равномерно заполненных сгустках показателя преломления, соот-
ветствующих случаю, изображенному на рис. 2, излучение только
преломлялось и восстановленная волна распространялась вслед-
ствие этого в том же направлении, что и падающая, то в случае
бриллюэновского зеркала те же сгустки, модулированные попе-
речными звуковыми волнами, сильно отражают свет в обратном
направлении аналогично тому, как это делает трехмерная отража-
тельная голограмма. Изменению направления волны на противо-
положное при неизменной общей конфигурации картины ее интер-
ференции (конфигурация сгустков в обоих случаях одинакова,
изменяется только их наполнение) соответствует переход к сопря-
женной волне.
Обращение волнового фронта при записи безопорных динами-
ческих голограмм в средах, способных к вынужденному рассеянию
света на звуке, оказывается, по-видимому, лишь одним из проявле-
ний общего свойства вынужденных рассеяний. В частности, обра-
щенная волна наблюдалась в ФИАНе А. И. Соколовской и другими
исследователями при экспериментах со средами, способными к
вынужденному комбинационному рассеянию. Однако в данном
случае обращенная волна претерпевает существенные трансфор-
мации, обусловленные тем, что этому виду вынужденного рассе-
яния присущ сильный частотный сдвиг, т. е. длина волны обращен-
ного излучения значительно отличается от длины волны пада-
ющего.
Одной из наиболее существенных перспектив использования
операции обращения волнового фронта является осуществление
автоматической фокусировки излучения на мишень, что крайне
важно, например, для осуществления термоядерного синтеза. На
рис. 4 приведена схема эксперимента, выполненного в этом
направлении В. В. Рагульским и другими в ФИАНе.
Достаточно слабое излучение постороннего лазера на рубине
подсвечивает точку Р на экране L (см. рис. 4). Волна Й/о излучения,
рассеянного этой точкой, пройдя через лазерный усилитель и,
увеличивает свою интенсивность и, искажаясь на его оптических
неоднородностях, трансформируется в волну Шу. Волна Wy попа-
дает на бриллюэновское зеркало К, обращается им и трансформи-
^30	Ю. jj Денисюк
Рис. -4
руется в волну WL.сопряженную по отношению к волне WLh
Пройдя через усилитель, обращенная волна Щц* превращается в
волну W() *, обращенную по отношению к слабой волне Wo, испу-
щенной мишенью. Эта волна точно сфокусируется на мишень,
несмотря на любые оптические неоднородности рабочего тела уси-
лителя U и оптических деталей, установленных на пути излучения.
Голография в резонансных средах
В самое последнее время начинает появляться новая, крайне
интересная область динамической голографии, соответствующая
случаю, когда голограмма записывается в резонансной среде, т. е.
такой, которая поглощает излучение именно той длины волны,
которое экспонирует голограмму. Ранее американскими исследо-
вателями И. Д. Абеллом и другими было показано, что когда длина
волны падающего на среду излучения совпадает с длиной волны
линии поглощения — испускания на нижний уровень, среда при
определенных условиях способна испустить импульс так называ-
емого фотонного эха.
Развивая идеи фотонного эха, советские исследователи
Е. И. Штырков и В. В. Самарцев выдвинули идею записи резо-
нансных динамических голограмм импульсами объектного и рефе-
рентного излучения, не перекрывающимися во времени. В соот-
ветствии с предложенным ими методом на резонансную среду V в
исходный момент времени ? = 0 должен быть направлен импульс
объектной волны /0 который переведет часть атомов среды из
нижнего основного состояния в верхнее возбужденное состояние.
Как это следует из теории фотонного эха, в этом состоянии фаза
колебаний атомов среды в течение так называемого времени попе-
речной релаксации остается скоррелированной с фазой, которую
имели в этой среде колебания объектной волны, в тот момент,
когда она воздействовала на среду.
Голография и ее перспективы
131
Запись голограммы, совпадающая с ее считыванием, осуще-
ствляется плоской референтной волной lR, которая подается на
среду в виде импульса в момент времени т после воздействия
объектной волны. Этот импульс обращает на 180° фазы колеба-
ний всех атомов среды, после чего колебания в среде начинают
развиваться в обратном направлении во времени. В результате по
прошествии следующего интервала времени т, в момент времени
2т, среда испустит импульс эха 1е. Волновой фронт этого импуль-
са будет сопряжен по отношению к волновому фронту зарегистри-
рованной на голограмме объектной волны 1О.
Голография с записью в резонансных средах, в которой про-
странственная память голограммы органически объединена с вре-
менной памятью фотонного эха, открывает принципиально новую
возможность запоминать, а затем воспроизводить процессы, свя-
занные с изменением состояний во времени и пространстве.
В дальнейшем это явление станет, по-видимому, основой для
создания нового сверхскоростного инструмента регистрации
физических процессов.
У голографии в резонансных средах есть по крайней мере еще
один крайне интересный аспект развития. Исследование процесса,
позволяющего объективно регистрировать и воспроизводить про-
странственно-временную последовательность событий окружа-
ющего мира и даже полностью инвертировать эти события в
пространстве и времени, несомненно, должно пролить какой-то
новый свет на одно из самых фундаментальных и загадочных
явлений природы — время и его связь с событиями.
О будущем голографии в кино
и телевидении
Если большинство из рассмотренных возможностей гологра-
фии представляет интерес только для специалистов, то перспек-
тивы создания голографического объемного кинематографа и
телевидения живо интересуют самые широкие слои населения.
Причина популярности этой идеи достаточно понятна— стоит
только взглянуть на обычную статическую изобразительную голо-
грамму, чтобы представить себе возможности, которые приобре-
тет кинематограф, если такие изображения появятся на экране.
Голография действительно способна создать изображения, в
принципе неотличимые от оригинала, и окружить, таким образом,
человека призрачным миром, создающим полную иллюзию дей-
ствительности изображаемой сцены. Однако при этом возникает
ряд серьезных эстетических, моральных, медицинских и научно-
технических проблем.
Научно-технические проблемы поставлены в этом перечне на
132
Ю. Н. Денисюк
последнее место совсем не случайно. Хотя они и очень сложны, но
в общем ясно, что при затрате больших усилий эти проблемы могут
быть решены в достаточно обозримые сроки. Основной вопрос в
настоящее время заключается в том, не окажется ли такое зрели-
ще вредным для здоровья и психики человека? Ведь зритель
такого кино одновременно с иллюзией присутствия получит ряд
противоречивых ощущений, например, зрение будет уверять зри-
теля в том, что он стоит на палубе качающегося корабля, а вести-
булярный аппарат будет настаивать на том, что зритель удобно
расположился в неподвижном кресле.
Эти, а также множество других аналогичных проблем будут
решены с созданием экспериментальной системы объемного
голографического кинематографа, которая разрабатывается в
настоящее время В. Г. Комаром в Научно-исследовательском
кинофотоинституте (Москва). В соответствии с принятой методи-
кой сцена при съемке освещается короткими импульсами излуче-
ния трехцветного лазера, следующими синхронно с частотой
смены кадров, и регистрируется на движущейся пленке в виде
последовательности голограмм. Для того чтобы снизить требова-
ния к источникам света, используемым на стадии проекции филь-
ма, изображение сцены фокусируется при этом на поверхность
пленки с помощью объектива с большим диаметром входного зрач-
ка. В^этом отношении данный метод несколько похож на съемку в
обычном кино.
Проекция объемного изображения зрителю осуществляется
следующим образом. Пленка с кадрами-голограммами восстанав-
ливается трехцветным излучением газоразрядной лампы, и восста-
новленное голограммой объемное изображение проецируется
через тот же объектив, а также через специальный экран каждому
из зрителей, сидящих в зале. Основная особенность системы
проекции связана с устройством экрана. Экран в этом случае не
рассеивающий, а представляет собой громадный голографический
оптический элемент, действующий подобно множеству вогнутых
зеркал, каждое из которых проецирует изображение объектива
проекционного аппарата на лицо одного из зрителей, сидящих в
зале. Смотря через изображение проекционного объектива как
через окно, зритель видит объемное изображение сцены.
Экспериментальная система голографического кинематографа
разрабатывается и испытывается в настоящее время в нескольких
вариантах. В результате этих исследований был создан первый
голографический кинофильм продолжительностью несколько де-
сятков секунд, который был успешно продемонстрирован в октя-
бре 1976 г. в Москве на 12 Международном конгрессе по кинема-
тографии (АТЕС). Нет никакого сомнения в том, что после того, как
такая система будет создана в полном объеме, вопрос о совмести-
мости объемного кино с психикой человека и наиболее целесооб-
Голография и ее перспективы
133
разных путях его развития будет в основном решен. Однако уже
сейчас очевидно, что объемный кинематограф, основанный на
непосредственной регистрации голограмм сцены действия, прак-
тически не имеет шансов на широкое применение в качестве
массового зрелища: очевидно, что лазерная подсветка неблаго-
приятно скажется на здоровье артистов, и кроме того, в этом
случае полностью исключается возможность съемки натурных
сцен, например, стадиона, ландшафтов и т. д.
Профессиональный кинематограф будет, по-видимому, разви-
ваться по несколько иному направлению. Сцена действия будет
регистрироваться методами обычной фотографии через линзовый
растр — периодическую систему объективов, каждый из которых
формирует свое собственное маленькое изображение сцены.
Голография (если применение ее в кинематографе будет признано
желательным) будет использоваться, видимо, только для того,
чтобы записать систему таких изображений в компактном виде на
кинопленку. При этом следует учитывать, что поскольку изображе-
ния, созданные различными объективами растра, мало отличаются
друг от друга, то и для записи информации, содержащейся в этих
изображениях, потребуется не очень большая площадь кадра (или
полоса частот в случае телевидения). На основе записанной таким
образом информации будут синтезироваться объемные изображе-
ния, проекция которых в зал будет осуществляться с помощью
экранов, аналогичных разработанным для системы эксперимен-
тального кинематографа.
ВИТАЛИЙ ЛАЗАРЕВИЧ ГИНЗБУРГ — физик, академик,
лауреат Ленинской премии и Государственной премии СССР,
возглавляет Отдел теоретической физики им. И. Е. Тамма
Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР. Им
получены важные результаты в теории распространения
волн в ионосфере, происхождения космических лучей, сверх-
текучести и сверхпроводимости, в области радиоастрономии,
астрофизики, оптики и др.
НЕСКОЛЬКО ЗАМЕЧАНИЙ,
КАСАЮЩИХСЯ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ
И АСТРОФИЗИКИ
В какой мере можно предвидеть и планировать развитие науки?
Какие факторы будут определять развитие науки до конца нашего
века?
Какие проблемы в физике и астрофизике представляются в
настоящее время ключевыми или, другими словами, особенно
интересными и важными?
В каком смысле можно (или нельзя) говорить о радикальном
изменении роли микрофизики в естествознании?
Каковы особенности научных революций и, конкретно, происхо-
дит ли сейчас научная революция в астрономии и в чем ее
сущность?
Последние три вопроса относятся конкретно к физике и астро-
номии, но по своему характеру довольно типичны (биолог, напри-
мер, скорее спросит о ключевых проблемах не физики, а биологии
сегодняшнего дня).
Несколько замечаний, касающихся развития физики и астрофизики	135
Все приведенные вопросы и целый ряд других, близких и дале-
ких, вызывают определенный интерес и дискутируются в научной
среде. Разумеется, немало представителей этой среды считают
«делом» только конкретные исследования, а рассуждения и
размышления на общие темы и, в частности, обсуждение перечи-
сленных вопросов рассматривают как пустую трату времени или во
всяком случае занятие довольно бесполезное. На другом полюсе
находятся верящие или надеющиеся на то, что анализ процесса
развития науки и определение или уточнение понятия (например,
понятия о научной революции, «парадигме» и т. п.) способны
оказать существенное влияние на естественнонаучную деятель-
ность.
В такой ситуации кажется уместным с самого начала сообщить,
что автор настоящей статьи не разделяет ни одной из указанных
крайних точек зрения. Даже независимо от их возможной «практи-
ческой» пользы, история и методология науки могут заинтересо-
вать и фактически многих интересуют. В процессе образования
при общении с коллегами любой физик (для определенности будем
говорить о физиках) впитывает огромный материал, тесно связан-
ный и переплетающийся с философией, методологией и историей
физики. Но это — само собой разумеется, и еще отнюдь не гаран-
тирует заинтересованности в перечисленных вначале вопросах и в
других им подобных. Трудно поверить в то, что в обозримое время
ситуация в этом отношении существенно изменится.
И вместе с тем случайно ли появление «науки о науке» и боль-
шого числа статей и книг, ей посвященных? Можно ли поверить,
что все дело здесь в колоссальном увеличении числа научных
работников, ищущих себе применения во все новых областях?
Наоборот, представляется несомненным, что количественный рост
науки и числа ее служителей действительно породил целый ряд
проблем общего и даже глобального характера. Одна из них —
проблема насыщения количества ученых, которое не может
без конца расти значительно быстрее численности всего населе-
ния.
Мы не будем здесь заниматься анализом этих и других
подобных им проблем, ибо сам, только и существенный для нас,
тезис о неизбежности изменения характера роста количества
людей, связанных с наукой, представляется достаточно ясным.
С другой стороны, совершенно не видно признаков уменьшения
требований, предъявляемых к самой науке в смысле ее роли и
влияния на технический прогресс и т. п. Как же обеспечить даль-
нейший рост и темп роста науки и ее продуктивности, существенно
сократив одновременно темп роста числа работающих? На анало-
гичные вопросы в области промышленности и сельского хозяйства
ответ давно известен: нужно повышать производительность труда.
Только такой же ответ может быть дан и в случае науки. Но здесь
136
В. Л. Гинзбург
имеется глубокая и существенная разница. Технические усовер-
шенствования способны, как известно, привести к замене маши-
нами огромного числа рабочих. В области же науки роль человека
значительно выше, и даже вычислительные машины, не говоря уже
о различных технических усовершенствованиях менее принци-
пиального характера, не столь эффективны (по сравнению с авто-
матическими станками и различными механизмами в материаль-
ном производстве) с точки зрения повышения продуктивности и
производительности научной деятельности.
Коротко говоря, повышение производительности научного
труда представляется совершенно необходимым и вместе с тем
особенно трудно достижимым. Отсюда мы и приходим к выводу,
что обсуждение целого ряда сторон развития науки, ее планирова-
ния и организации, а в связи с этим и истории, вопросов препода-
вания и т. д. будет привлекать и уже привлекает к себе значительно
большее внимание, чем в прошлые времена.
Но что значит «привлекать внимание»? Практически речь может
идти, особенно на первых этапах, о достаточно широком обсужде-
нии всей соответствующей проблематики, о выработке какого-то
взаимопонимания среди ученых. А вот как раз взаимопонимания
при обсуждении вопросов развития науки нам все еще очень недо-
стает. Конечно, можно найти физиков, которые не согласны даже
с обычным изложением основ ньютоновской механики, не говоря
уже о специальной теории относительности и нерелятивистской
квантовой теории. Однако в целом для «сообщества» физиков, а не
для немногих исключений спор в указанных областях может идти
об аксиоматике, различных деталях, способах изложения и т. п., но
не о фундаменте и, скажем, используемых формулах. В отношении
же ответа на вопросы, с которых начинается настоящая статья, а
также на другие вопросы, им подобные, картина иная. Правда,
опрос научного общественного мнения, насколько известно, не
производился (об этом, кстати, можно только пожалеть). Поэтому
я могу основываться только на собственном не слишком богатом
опыте и некоторых сведениях, ясных из литературы. Но впечатле-
ние таково, что расхождения во взглядах многочисленны и иногда
весьма глубоки. Часто при этом не видно даже базы для дискуссии,
и разговор ведется как бы на разных языках.
С таким положением я столкнулся на практике, причем неожи-
данно для себя. Имея в виду студентов и вообще начинающих
физиков и астрономов, я в 1971 г. опубликовал в отделе «Физика
наших дней» журнала «Успехи физических наук» статью под назва-
нием «Какие проблемы физики и астрофизики представляются
сейчас особенно важными и интересными?». Статья была напи-
сана без всяких претензий, не с целью кого-либо поучать и содер-
жала многочисленные оговорки, касающиеся условности выделе-
ния «особенно важных и интересных проблем» из всех других, а
Несколько замечаний, касающихся развития физики и астрофизики
137
также неизбежной субъективности списка проблем, составленного
одним человеком. Тем не менее, оказывается, никакие оговорки и
пояснения не помогают или во всяком случае не гарантируют пони-
мания. Пришлось столкнуться с мнением, что выделять какие-то
научные проблемы по принципу их важности вообще недопустимо
или нескромно. Другое мнение таково: нельзя выделять какие-то
проблемы, ибо тогда на развитие других «начальство не даст
денег». Был я удостоен и титула «враг ядерной физики», а один мой
старший коллега и друг заметил: «Если бы вы написали эту статью,
до того как были избраны в Академию наук, то никогда бы туда не
попали». Возможно, так оно и было бы. Во всяком случае я пора-
жен, насколько раздражающими, пусть и для небольшого мень-
шинства, оказываются некоторые простые замечания, касающи-
еся развития науки, оценки важности тех или иных ее направлений
и т. п. Думаю, что это в целом, и не касаясь отдельных «исключи-
тельных личностей», можно объяснить именно недостаточным вза-
имопониманием, отсутствием у физиков привычки обсуждать те
проблемы, о которых идет речь. Поэтому моим ответом явилось
расширение упомянутой статьи и издание ее в качестве небольшой
книжки *.
В настоящей статье я также хочу обсудить некоторые из вопро-
сов, перечисленных в ее начале. При этом имеется в виду именно
«обсуждение», что предполагает и отсутствие априорной убежден-
ности в своей правоте, и желание узнать другие мнения. Беспокоит
же меня следующее. Большинство из высказываемых замечаний
представляются просто очевидными, тривиальными. В таких слу-
чаях рождается чувство протеста (человек ломится «в открытую
дверь») и возникает подозрение в стремлении автора поучать.
Подобное подозрение было бы особенно неприятно. Фактически,
я отнюдь не претендую на то, что сообщаю читателям какие-то но-
вые и глубокие мысли. Многое мне кажется действительно триви-
альным и упоминается лишь по одной причине: я сталкивался с
мнением, что «тривиальное» на самом деле бывает неверным!
Об «особенно важных и интересных»
проблемах физики и астрофизики
Огромно число задач, которыми занимаются физики. Какая-то
часть из них неверно поставлена или фактически давно решена,
или, наконец, ни для чего не нужна. Но эта часть сравнительно
невелика и должна быть отнесена к «издержкам производства»,
* Г и избу р г В. Л. О физике и астрофизике (Какие проблемы представляют-
ся сейчас особенно важными и интересными?). М.. Наука. 1974.
138
В. Л. Гинзбург
имеющимся в любом деле. В отношении же большинства задач
можно утверждать, что они в той или иной мере нужны, важны и
интересны. Поэтому-то выделение каких-то «особенно важных и
интересных» или «ключевых» проблем настораживает. Возникают
опасения, что начинающий человек или администратор (скажем,
ведающий финансами) решит, что только такими «ключевыми»
проблемами и нужно заниматься, а остальные подождут. По сути
дела, именно такого оборота событий и опасается большинство
противников составления каких-либо «списков» или обсуждения
ключевых вопросов. Но существуют и другие возражения, осно-
ванные на неизбежной условности подобных списков, отража-
ющих вкусы их составителей, а также на уроках истории. Так,
известно, что многие крупнейшие открытия были сделаны или слу-
чайно, или во всяком случае в процессе изучения вполне рядовых
задач. Таким образом, грань между рядовыми и ключевыми про-
блемами является довольно зыбкой и изменчивой. Все это так, и я
всегда был в основном согласен с такой точкой зрения. Однако
призыв чего-либо не делать только из опасения возможных отри-
цательных последствий напоминает совет никогда не переходить
улицу, поскольку на ней можно попасть под автомобиль. Любому
разумному и опытному физику, конечно, ясно, что нельзя, особенно
в глобальных масштабах, заниматься только десятком-другим
выделенных вопросов, забыв обо всем остальном. Ясно и то, что
всякий «список» ключевых проблем будет меняться со временем.
Кроме того, пока список составлен кем-либо одним и всесторонне
не обсужден, он не может и не должен использоваться для каких-
либо организационных выводов.
Отсюда, однако, вовсе не следует, что «ключевых» проблем не
существует и что не нужно их как-то выделять и обсуждать. Думаю,
что сомневаться в самом существовании «особенно важных и
интересных» проблем не приходится, подтверждением тому может
служить знакомство как с оригинальной, так и с обзорной литера-
турой. Что же касается обсуждения этих вопросов, то оно полезно
и в педагогических целях, и для проведения научной политики. Сам
я столкнулся именно с первой стороной дела и написал упомянутую
книжку в расчете на начинающих свой путь физиков и астрофизи-
ков.
Выработка научной политики, т. е. определение путей и мето-
дов развития в достаточно широкой области и в достаточно боль-
ших масштабах, значительно более сложна и зависит от большого
числа факторов, лежащих за пределами самой науки (имеются в
виду средства как денежные, так и материальные; состояние про-
блемы и ее практическое значение и т. д. и т. п.). Научной политики
мы здесь касаться совсем не будем.
Наконец, приведу свой список «особенно важных и интерес-
ных» проблем физики и астрофизики.
Несколько замечаний, касающихся развития физики и астрофизики	139
Макрофизика
1.	Управляемый термоядерный синтез.
2.	Высокотемпературная сверхпроводимость.
3.	Новые вещества (проблема создания металлического водо-
рода и некоторых других «экзотических» веществ).
4.	Металлическая экситонная (электронно-дырочная) жидкость
в полупроводниках.
5.	Фазовые переходы (критические явления).
6.	Поведение веществ в сверхсильных магнитных полях.
7.	Рентгеновские и гамма-«лазеры», сверхмощные лазеры.
8.	Изучение очень больших молекул. Жидкие кристаллы. Неко-
торые явления на поверхности.
9.	Сверхтяжелые элементы (далекие трансураны). «Экзотиче-
ские» ядра.
Микрофизика
10.	Спектр масс. Кварки и глюоны.
11.	фундаментальная длина (квантование пространства и т. п.).
12.	Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энер-
гиях.
13.	Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий.
Нарушение СР-инвариантности
14.	Нелинейные явления в вакууме в сверхсильных электромаг-
нитных полях.
Астрофизика
15.	Экспериментальная проверка общей теории относительно-
сти.
16.	Гравитационные волны.
17.	Космологическая проблема.
18.	Квазары и ядра галактик. Оразование галактик. Вопрос о
необходимости «новой физики» в астрономии.
19.	Нейтронные звезды и пульсары. Физика «черных дыр».
20.	Происхождение космических лучей и космического гамма-
и рентгеновского излучения.
21.	Нейтринная астрономия.
Бросается в глаза известная разнохарактерность проблем в
этом списке, в котором более или менее конкретные вопросы
соседствуют с целыми научными направлениями или недостаточно
резко очерченными областями. Условно иногда и распределение
тем между макрофизикой, микрофизикой и астрофизикой. Речь не
идет, однако, о каком-то официальном документе или его проекте,
а всего лишь о перечне проблем и научных направлений, которые
представляются мне выделенными («ключевыми») в силу их вну-
треннего интереса, значения для дальнейшего развития физики
или астрофизики, а иногда с точки зрения потенциального влияния
физики на другие науки и на технику. При этом в список не включа-
лись вопросы, даже очень важные для техники, да и для самой
140
В. Л. Гинзбург
физики или астрофизики, если казалось, что подлинная тайна не
покрывает их черты. Другими словами, дело должно идти о прин-
ципах и основах, а не о развитии и усовершенствованиях на базе
уже построенного прочного фундамента.
Что изменилось за последние годы?
Для того чтобы «почувствовать», как развивается наука, каковы
темпы и различные особенности этого развития, необходимо обра-
титься к конкретному материалу, к примерам. Приведенный выше
список проблем может послужить этой цели, если спросить, как он
сам изменился и, главное, что в физике и астрономии произошло,
по существу, в перечисленных направлениях за какой-то период
времени, скажем, за пять лет.
Нужно подчеркнуть, что за пятилетний срок глубокие изменения
в науке происходят лишь в исключительных случаях. В физике это
имело место, например, между 1925 и 1930 гг., когда была создана,
бурно развивалась и применялась квантовая механика. Последние
годы с точки зрения развития физики и астрономии не были ка-
кими-то исключительными. Это обстоятельство находит извест-
ное отражение в том факте, что приведенный список «особенно
важных и интересных проблем» практически не отличается, ска-
жем, от списка 1974 г. Но, разумеется, сделано немало нового и
интересного, и в отношении почти каждой проблемы можно кое-
что добавить.
Итак, бегло остановимся на достижениях и изменениях, проис-
шедших в физике и астрономии за пятилетие. При этом ограни-
чимся вопросами, перечисленными в нашем списке. Нужно еще
раз повторить, что тем самым охватывается лишь часть физики и
астрофизики. Более того, вне нашего поля зрения оказываются
некоторые важнейшие, особенно для техники, области, такие, как
изучение полупроводников и ряда других материалов, лазерная
техника, различные «физические элементы» вычислительных ма-
шин, нелинейная оптика и т. д. и т. п. Автор ни в какой мере не скло-
нен умалять значение и важность всех этих направлений. Речь
идет, очевидно, о другом — о выделении ряда проблем по опреде-
ленным признакам, кратко упомянутым выше и подробнее разъяс-
ненным в уже цитированной книжке «О физике и астрофизике».
Проблема управляемого термоядерного синтеза имеет всем
известное огромное значение для энергетики будущего. Вместе с
тем речь идет об очень трудной и сложной физической задаче,
которая будет фигурировать в любом списке, типа предложенного
выше. Нельзя эту проблему отнести и к числу «технических»; и
сегодня, после почти 30 лет ее исследования, задача остается
физической, причем с многими неизвестными. Весьма любопытно
Несколько замечаний, касающихся развития физики и астрофизики
141
будет в будущем прочесть историю исследований в области управ-
ляемого синтеза в их социальном и психологическом аспектах.
Я сам занимался этим вопросом в 1950—1951 гг. и помню царив-
ший вначале оптимизм. Он оказался, однако, основанным лишь на
незнании и непонимании физики горячей плазмы. С тех пор уже
несколько раз, кажется, энтузиазм сменялся пессимизмом и
вообще происходили колебания моды, напоминающие изменения
длины дамских юбок. Сейчас мы переживаем оптимистический
период, порожденный успехами, достигнутыми на токамаках.
Широко обсуждаются и другие варианты, особенно с использова-
нием лазеров, электронных и ионных пучков. Сомнений в том, что
на каком-либо пути, а скорее даже на разных путях удастся создать
управляемый термоядерный реактор, видимо, уже нет..Но если
говорить о принципе, то таких сомнений не должно было быть и с
самого начала, поскольку всегда оставался путь применения для
целей энергетики подземных взрывов с использованием синтеза
дейтерия и трития. Что же касается конкретных успехов, то я не
склонен их переоценивать и думаю, что до реального реактора еще
весьма далеко. Но это, во-первых, мнение «человека со стороны»,
а во-вторых, может свидетельствовать только о том, что пробле-
ма управляемого термоядерного синтеза еще долго будет принад-
лежать к числу «ключевых» физических проблем.
Что касается проблемы высокотемпературной сверхпроводи-
мости, то здесь мы находимся скорее в пессимистической фазе.
Этим вопросом я занимаюсь, по сути дела, с самого начала его
постановки на современном уровне (в 1964 г.) и должен признать,
что трудность задачи также была вначале недооценена. Впрочем,
из разумных людей никто и не обещал заведомо добиться успеха.
На вопрос же, можно ли создать высокотемпературный сверхпро-
водник (работающий, скажем, в жидком воздухе), сейчас нельзя
дать определенного, в частности отрицательного, ответа. В общем,
в отношении этой проблемы за пять последних лет мало что изме-
нилось, если не говорить об углублении понимания *.
Появилось несколько работ, в которых имеются намеки на
создание металлического водорода, но в целом и здесь мало что
изменилось. Напротив, металлическая экситонная жидкость в
полупроводниках (в основном в германии) уже получена и во
многих отношениях изучена. Но все же еще рано исключить эту
проблему из списка, поскольку многое еще остается выяснить.
* Из экспериментальных результатов, хотя и лишь косвенно связанных с проб-
лемой высокотемпературной сверхпроводимости, можно отметить обнаружение ме-
таллической проводимости (а также сверхпроводимости при Т <(),3 К) полимерного
нитрида серы (SNK, не содержащего атомов металла. В 1978 г. появились также
указания на существование какого-то неизвестного ранее эффекта в хлориде меди
(CuCI), быть может, связанного с проблемой высокотемпературной сверхпроводи-
мости.
142
В. Л. Гинзбург
В области фазовых переходов ведется огромная по масштабам
работа. Самым ярким событием последних лет представляются
исследования сверхтекучих фаз в жидком 3Не. Впрочем, немало
интересного появилось и в отношении рассеяния света вблизи
точек фазовых переходов, а также, при изучении различных пере-
ходов другими методами (включая сюда теорию).
В отношении проблем 7, 8 и 9, отнесенных к макрофизике,
можно, конечно, констатировать дальнейший прогресс, но ничего
драматического не произошло. Точнее, можно считать, если угод-
но, драмой историю, начавшуюся в середине 1976 г. в связи с
сообщением об открытии сверхтяжелых элементов (Z =116, 126 и
т. д.). Однако эта работа, хотя и была выполнена рядом квалифици-
рованных физиков и опубликована в Physical Review Letters, оказа-
лась неверной. Что же, не ошибается только тот, кто не работает,
и удивляться как возможности ошибки, так и появлению публика-
ции нет оснований. Кстати, опубликование еще неподтвержденных
или вызывающих сомнение работ, особенно экспериментальных,
оправданно и необходимо. В данном случае оно привело к быст-
рой проверке и опровержению первоначальных выводов *
В общем, в области макрофизики мало что изменилось. Если же
иметь в виду наш список, то следовало бы, например, разделить
проблему 8 на части, особенно выделив исследования поверхно-
сти, которые бурно развиваются в разных направлениях. Кроме
того, уместно упомянуть о проблеме квантовых кристаллов и, кон-
кретно, кристаллов 4Не и 3Не, в которых примеси и «вакансии»
ведут себя весьма своеобразно.
В астрофизике за последние годы сделано немало. Помимо
космических гамма-всплесков, об обнаружении которых было
сообщено в 1973 г., открыты значительно чаще встречающиеся
рентгеновские всплески — короткие импульсы рентгеновских
лучей (первые публикации появились в 1975 г.). Возможно, что
гамма- и рентгеновские всплески представляют собой одно явле-
* Это замечание направлено, конечно, не против критичности и требовательнос-
ти, безусловно необходимых в науке. Но другая крайность, не так уж редко встреча-
ющаяся и проявляющаяся в огульном и априорном отрицании непонятных и недоста-
точно проверенных утверждений, может принести не меньший вред, чем излишний
либерализм. В общем, как почти всегда, правильное отношение лежит где-то посре-
дине, недаром ведь говорят о «золотой середине». Конкретно, даже еще всесторонне
не проверенные работы явно квалифицированных авторов должны публиковаться.
Задача рецензентов и критиков состоит раньше всего в том, чтобы помочь авторам,
предостеречь и предупредить их, но не ставить на пути публикации их работы все
новые и новые барьеры. При этом нужно иметь в виду, что публикация неверной
работы, а ошибка практически всегда раньше или позже выясняется, прежде всего
невыгодна ее автору. Если не говорить о людях, вообще не имеющих подлинного от-
ношения к науке, то публичное опровержение, выяснение того факта, что «открытие
не состоялось», является уже само по себе самым тяжелым наказанием для научного
работника. И уже это обстоятельство дает разумную гарантию того, что в печать не
будет сознательно направлена ошибочная работа.
Несколько замечаний, касающихся развития физики и астрофизики	143
ние в том смысле, что их происхождение одинаково. Но это не
более чем гипотеза, поскольку источник всплесков (особенно,
гамма-всплесков) еще не выяснен. Впрочем, в случае рентгенов-
ских всплесков довольно вероятно предположение о том, что
всплески образуются при попадании на нейтронную звезду очеред-
ной порции аккрецируемой плазмы. Интенсивно продолжается изу-
чение пульсаров, механизм излучения которых в различных диапа-
зонах все еще недостаточно ясен. Однако уже нет сомнений в том,
что пульсары (открытые в 1967—1968 гг.) представляют собой вра-
щающиеся намагниченные нейтронные звезды. Между тем при-
рода квазаров, обнаружение которых можно отнести, хотя и
несколько условно, к 1963 г., до сих пор не выяснена. По всей
вероятности (не видно особых оснований в этом сомневаться), ква-
зары лишь в количественном отношении отличаются от активных
галактических ядер, в частности ядер сейфертовских галактик. Но
что представляют собой эти ядра? Сейчас на этот счет конкури-
руют в основном три модели: плотного скопления звезд, массивной
черной дыры и некоторого магнитоплазменного тела (магнитоида).
Вопрос, в общем, остается открытым, и, быть может, споры по
этому поводу продлятся еще долгие годы. Отметим и проблему
происхождения космических лучей, где продвижение вперед свя-
зано в первую очередь с обнаружением радиогало у видных «с
ребра» галактик NGC4631 и NGC891 (этот результат особенно
важен потому, что подкрепляет заключение о наличии гало косми-
ческих лучей и у нашей Галактики (см. об этом: Природа, 1978, № 4,
с. 10).
Самым важным событием в астрофизике последних лет пред-
ставляются, однако, заключение об «испарении» черных дыр и свя-
занное с ним обсуждение вопроса о реликтовых черных дырах
малых размеров. К сожалению, мы не можем здесь подробнее
остановиться на этой проблеме, как и на других, поскольку и
размеры статьи ограничены, и цель ее иная. Итак, даже за по-
следние годы в астрофизике произошли заметные события.
То же с еще большей уверенностью можно сказать и о развитии
микрофизики, переживающей в последние годы период очеред-
ного подъема или, лучше сказать, взлета. Он связан, во-первых, с
укреплением и подтверждением гипотезы о кварках, высказанной
в 1964 г. С тех пор вместо 3 кварков (и 3 антикварков) стали,
правда, рассматривать уже минимум 12 кварков (12 антикварков),
из которых 4 типа (они отличаются своим «ароматом») являются,
можно сказать, основными, но встречаются в трех разновидностях,
характеризующихся тремя «цветами». Вводят уже не только 4, но
и 6, и 8 основных кварков, что будет соответствовать 36 и 48
кваркам и антикваркам. Появились (на бумаге, конечно) и прото-
кварки. Таким образом, сильное усложнение схемы, отказ от обра-
за простейшей «праматерии» несомненны. И тем не менее в связи
144
В. Л. Гинзбург
с открытием ряда новых частиц, подтверждающих гипотезу о су-
ществовании четвертого («очарованного») кварка, а также общим
развитием теории плодотворность и глубина новой (кварковой)
модели материи кажется как-то все более ясной. Недавно мне
попалась статья под названием «Ароматы кваркового моря»
(«Flavour content of the quark sea»), от которой так и веет арома-
том и романтикой новых идей и представлений микрофизики. На-
звание той или иной статьи — это мелочь, но речь идет не более
чем об одном из многих возможных примеров, свидетельствую-
щих об энтузиазме и увлеченности, царящих в области микрофи-
зики.
Успехи (или, быть может, надежды на успех?) обусловлены в
этой области, во-вторых, многообещающими попытками создать
единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий, а воз-
можно, и как-то соединить воедино все взаимодействия, включая
сильное и гравитационное. Имеются, как всегда, и скептики, счита-
ющие происходящий в микрофизике «бум» очередным увлечением
или данью моде, которые сменятся также очередным периодом
разочарования и уныния. Обсуждение этого вопроса — отдельная
тема. Ограничусь замечанием, что я видел много увлечений и разо-
чарований, особенно в области микрофизики. Спешить с выводами
и признавать уже сделанное великими достижениями, конечно, не
следует. Мое собственное впечатление, однако, таково, что в
микрофизике действительно произошли и происходят крупные
события и, возможно, скоро будет достигнут блестящий успех.
Тем больше оснований еще раз обсудить здесь вопрос о месте
микрофизики в современном естествознании. (Кстати, именно мои
замечания по этому поводу вызвали резкие возражения.)
О месте микрофизики
в современном естествознании
Будем понимать под микрофизикой ту часть физики, которая
посвящена изучению строения вещества «на переднем фронте»,
т. е. на грани неизвестного в отношении самого фундамента физи-
ки. При таком определении (а об определениях вряд ли стоит много
спорить) микрофизика является исторической категорией. Когда-
то речь шла об огне и воде, потом об атомах и молекулах, в нашем
веке — о строении атомов, атомном ядре и элементарных части-
цах. Сегодня к микрофизике уместно отнести те области, которые
называют субъядерной физикой, физикой высоких энергий, ме-
зонной и пионной физикой, нейтринной физикой и т. д. В общем,
речь идет о строении материи на современном уровне кварков,
сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий между раз-
личными частицами. Хотелось бы получить ответы на извечный
Несколько замечаний, касающихся развития физики и астрофизики
145
вопрос: из чего все состоит? Более скромная и конкретная задача
микрофизики — объяснить (получить из каких-то уравнений)
спектр масс известных (и еще неизвестных) частиц, описать про-
цессы, которые определяются сильными и слабыми взаимодей-
ствиями, хотя бы так же, как мы уже умеем это делать в области
электромагнитных и гравитационных взаимодействий (впрочем,
в квантовой области достаточно полная теория гравитационного
взаимодействия еще отнюдь не построена).
Задачи микрофизики — «это самые фундаментальные, принци-
пиальные и поэтому для многих самые привлекательные вопросы
физики». «Задачи, стоящие перед микрофизикой сегодня, ни в
какой мере не уступают по своей жгучей таинственности и труд-
ности проблемам вчерашнего дня». «Микрофизика осталась (и при
используемом ее определении всегда останется) аванпостом
физики, ее самой передовой и «глубокой» частью». Все эти цита-
ты приведены из упомянутой моей книжки, чтобы не возникло
подозрений в том, что автор раньше как-то недооценивал совре-
менную микрофизику, а под влиянием последних достижений пе-
ременил свое мнение. Нет, это мнение совершенно не измени-
лось, в частности, оно отражено выше. Не изменилось, однако, и
отношение к защищавшемуся в книжке и являющемуся спорным
тезису: «место микрофизики и в физике, и во всем естествозна-
нии радикально изменилось, и (этот пункт является особенно
спорным) я думаю, что такое изменение произошло, быть может,
навсегда или во всяком случае очень надолго».
Что значит «место» какой-либо дисциплины или научного
направления? Имеется, очевидно, в виду удельный вес (скажем,
физики высоких энергий относительно всей физики) в отношении
количества людей, средств, числа публикаций и т. п. Имеется в виду
и внимание общества, значение для техники, промышленности,
сельского хозяйства, для всей жизни отдельных стран и человече-
ства в целом. В центре внимания микрофизики первой половины
нашего века находились атомы, электроны, фотоны и атомные
ядра. Все вещество состоит из атомов, свет Солнца определяет
жизнь на Земле. Нужно ли удивляться тому, что физик, обещающий
подчинить и фактически подчинивший атомы, электроны, фотоны и
атомные ядра, стал чуть ли не центральной фигурой в науке и не
только в науке. Чем-то эта роль аналогична положению жрецов в
древнем мире. Физика в целом сохранила эти свои позиции и в
настоящее время с той существенной оговоркой, что о былых
заслугах быстро забывают, а многое из того, что вчера было физи-
кой, сегодня становится и называется уже техникой.
Какое же место занимают «в современном мире» живущие нич-
тожные доли секунды мезоны и частицы-резонансы, свободно про-
никающие через земной шар нейтрино и столь ароматные цветные
кварки? Научное значение, интерес, важность, притягательность
146
В. Л. Гинзбург
не могут быть измерены ни временем жизни, ни проникающей
способностью. Но для абсолютно подавляющей части человече-
ства, и даже для большинства ученых, разница между атомами и
атомным ядром (и связанными с ними ядерной энергетикой, атом-
ным оружием, электроникой и т. п.) и объектами современной
микрофизики даже глубже, вероятно, чем различие между хлебом
насущным и каким-либо редким деликатесом. Именно этим и
объясняется, как я убежден, радикальное изменение места микро-
физики в физике и особенно во всем естествознании и в жизни
общества. То исключительное место, которое микрофизика зани-
мала в недавнем прошлом, в значительной мере перешло к
биологии и, конкретно, к биофизике и молекулярной биологии, обе-
щающим создать жизнь «в пробирке», радикально удлинить чело-
веческую жизнь, побороть страшные заболевания (рак и другие),
мобилизовать огромные ресурсы человеческого мозга и т. д.
Микрофизика же сегодняшнего дня заняла место, аналогичное
астрофизике с ее увлекательнейшими открытиями и загадками, с
ее пульсарами, квазарами, черными дырами, космологической
сингулярностью, гамма- и рентгеновскими всплесками, сверхно-
выми звездами, космическими лучами и т. п. И разве это плохое
место!? В Древней Руси бояре превыше всего ценили свое место
в буквальном смысле этого слова — место, на котором они сидели
в боярской думе. Именно с такими боярами мне и хочется всегда
сравнивать тех микрофизиков, которые обижаются, когда микро-
физику «низводят» до роли первой среди равных вместо ни с чем
не сравнимого положения Верховного жреца или абсолютного
диктатора.
Довольно распространена, однако, точка зрения, заслужива-
ющая большего внимания. Она состоит в утверждении, что и роль,
скажем, ядерной энергии была понята и оценена далеко не сразу.
Так, может быть, мы еще просто не осознали потенциального
значения (в том числе для техники и т. д.) современной микрофи-
зики? Или, это несколько другой вариант, может быть, микрофи-
зика когда-нибудь вернет свое исключительное место в результате
новых открытий. Конечно, в принципе возможно и то, и другое. Но
что же это доказывает? Разве нельзя поэтому констатировать
сегодняшнюю ситуацию или высказать мнение (всегда являюще-
еся лишь предположением), что самый блестящий в общечелове-
ческом плане этап в развитии микрофизики уже позади? Вряд ли
целесообразно продолжать подобное обсуждение. Хотелось бы
только решительно отвергнуть всякие требования как-то вообще
избегать дискуссий о месте микрофизики или других областей
науки из «практических» соображений.
Постройка мощнейших ускорителей, как и телескопов на Земле
и в космосе, полностью оправданна и не нуждается сама по себе
в дополнительных оправданиях и аргументации, основанной на
Несколько замечаний, касающихся развития физики и астрофизики
147
каких-то обещаниях возможных практических применений, благ и
выгод*. Занятия наукой— один из видов интеллектуальной
деятельности, интерес к науке— естественная заинтересован-
ность очень многих людей. В этом отношении не видно принци-
пиальной разницы между наукой и, скажем, музыкой или живопи-
сью и архитектурой. В конкретных условиях средства, отпуска-
емые для нужд науки, ограничены, и возникает весьма сложная,
деликатная и ответственная задача распределения этих средств.
Никакого универсального метода решения такой задачи (по сути
дела, вариационной задачи с многими нерешенными) не существу-
ет, и здесь-то особенно важно детально анализировать возможные
пути, варианты и возможности. Один из элементов этого анали-
за— обсуждение вопросов, которым посвящена настоящая ста-
тья. Впрочем, выяснение понятия о научной революции и обсужде-
ние некоторых других аналогичных проблем методологии и исто-
рии науки лежит в несколько иной плоскости, и мы их здесь ка-
саться не будем (мнение автора на этот счет см.: Природа, 1976,
№ 6, с. 73). В настоящей статье не представляется уместным оста-
навливаться также на психологии научной деятельности, некото-
рых особенностях и, если можно так выразиться, социологии на-
учной среды и некоторых других достойных внимания предметах.
Можно ли планировать науку
Но вот вопрос о возможности предвидеть и планировать разви-
тие науки здесь необходимо хотя бы затронуть. В сравнительно
недалеком прошлом, а в каком-то смысле и теперь, сочетание слов
«планировать науку» казалось чуть ли не абсурдом или попыткой
вторжения в «творческую лабораторию» ученых мужей. Бесспор-
но, путей и результатов подлинно глубокого научного исследова-
ния во многих случаях предсказать нельзя. В особенности это ка-
сается сроков. Не будем здесь повторять хорошо известную исто-
рию использования ядерной энергии и спросим, для примера: ког-
да будут созданы высокотемпературные сверхпроводники? Такой
вопрос представляется даже не вполне правомерным, поскольку
нет никакой уверенности в самой возможности создать такие
сверхпроводники. Но не очевидно и обратное— невозможность
поднять критическую температуру до комнатной. Именно поэтому
мы и считаем, что проблема высокотемпературной сверхпроводи-
мости существует как физическая проблема. Она будет когда-то
* Мы уже не говорим о том, что фактически, как неопровержимо свидетельству-
ет история науки и техники, даже кажущиеся в данное время абстрактными научные
результаты в дальнейшем прямо или косвенно приобретают практическое значение,
приносят пользу не только самой науке.
148
В. Л. Гинзбург
либо решена положительно, либо «похоронена» — в случае дока-
зательства невозможности успеха. Ясно, что о сроках здесь гово-
рить не приходится. Вместе с тем вполне закономерно, особенно
учитывая потенциальную важность для практики*, целеустре-
мленно исследовать проблему высокотемпературной сверхпрово-
димости, а не просто ждать, когда случай принесет какой-то успех.
В отношении управляемого термоядерного синтеза положение
иное. Как мы уже отмечали, какое-то положительное решение
здесь несомненно возможно. Кроме того, исследование проблемы
требует создания очень больших и дорогих установок. Отсюда и
неизбежность планирования.
Кстати, несколько слов о «шкале времени». Для 30- или даже 40-
летнего человека срок 20—25 лет кажется весьма больши^.
Поэтому для большинства ученых (средний их возраст, вероятна,
не превосходит 40 лет) происшедшее 20—30 лет назад часто
представляется какой-то седой древностью, а о XXI в. они думают
как о далеком будущем. Достаточно вспомнить, однако, что кванто-
вой механике уже более 50 лет, теории относительности болед
60—70, сверхпроводимость была открыта в 1911 г., космические
лучи — в 1912 г. Поэтому 20 лет, отделяющие нас от следующего
века, это фактически не так уж много для развития науки в целом,
и думать о контурах «физики 2000» — не значит просто фантазиро-
вать.
В общем, планирование и прогнозирование науки в каких-то
пределах и рамках (и даже до 2000 г. и несколько дальше) оправ-
данно и просто необходимо, особенно когда речь идет о затрате
больших средств, создании сложной аппаратуры и т. д. Одна из
сторон прогнозирования— составление списков ключевых про-
блем, подобных нашему. Если учесть сделанные оговорки (в том
числе понимать, что в ряде случаев невозможно указать сроки
решения), то обсуждение ключевых вопросов и путей развития
науки может принести только пользу.
* Выше подчеркивалось, что вовсе не обязательно заниматься наукой с «практи-
ческим уклоном». Но столь же несомненно, что наличие сразу же ясных практических
(технических и т. п.) возможностей является только плюсом.
ФРИДРИХ ВИЛЬГЕЛЬМ ЕГЕР (Jager) — немецкий (ГДР)
астрофизик, профессор, доктор наук, член Международного
астрономического союза, лауреат Национальной премии
ГДР. В течение многих лет был руководителем солнечной
обсерватории Башня Эйнштейна Центрального института
солнечно-земной физики АН ГДР.
ОБЪЕКТ ПОЗНАНИЯ — СОЛНЦЕ
В ряду наук о космосе исследования Солнца занимают особое
место, поскольку их развитие стимулируется двумя существенно
различными факторами и происходит соответственно в двух суще-
ственно различных направлениях. В основе одного из них лежит
тот факт, что Солнце по своему строению— звезда, подобная
многим другим звездам. Благодаря сравнительно малому рассто-
янию между Солнцем и Землей ученые имеют уникальную возмож-
ность формулировать астрофизические законы точнее и подроб-
нее, нежели при наблюдениях других, гораздо более удаленных
звезд Вселенной.
Другое направление охватывает исследования солнечно-зем-
ных связей: для Земли Солнце — не просто некая рядовая звезда
среди многих других, а основной постоянно действующий источник
тепла и света. Sine Sole nihil (без Солнца ничего нет) — это латин-
ское изречение встречается иногда на солнечных часах. И конеч-
но, его суть не только в том, что без Солнца не действуют такие
часы; важнее то, что без Солнца наша Земля была бы холодной и
безжизненной. Исследования солнечно-земных связей имеют ог-
ромное практическое значение для человечества.
150
Ф. В. Егер
Исследования Солнца как объекта астрофизики ведутся только
с первой половины прошлого столетия. Их зарождение связано с
первыми надежными измерениями расстояний до неподвижных
звезд, в результате которых было установлено, что Солнце и
звезды представляют собой небесные объекты одного класса.
Особенно быстро это направление стало развиваться после того,
как была разработана методология спектрального анализа и
общие физические законы начали применяться к небесным те-
лам.
При астрофизическом подходе основная задача — изучение
общего среднего физического состояния Солнца; в этой связи
говорят о физике «спокойного Солнца». В настоящее время, после
столетия интенсивных исследований, мы располагаем весьма
надежными данными о физико-химическом состоянии спокойного
Солнца.
Мы знаем, что поверхность Солнца имеет температуру око-
ло 5800 К, что эта поверхность постоянно излучает в окружа-
ющее пространство энергию порядка 1020 МВт, знаем спектраль-
ный состав этого излучения, знаем, кроме того, что солнечная
материя состоит из 73% водорода, 25% гелия и 2% тяжелых эле-
ментов, и достаточно ясно представляем себе поведение давле-
ния, температуры, плотности и других характерных параметров в
глубине Солнца.
Чрезвычайно важным достижением науки было решение около
40 лет назад открытого до тех пор вопроса об источнике энергии
Солнца и звезд. Оказалось, что звезды черпают энергию для излу-
чения в основном из ядерных реакций, которые проходят в
центральной области звезд при температурах порядка 107 К и
приводят к превращению водорода в гелий. Именно в этом заклю-
чается причина постепенного старения звезд.
Хотя теперь мы вправе говорить, что в основном и в общем
представляем себе физику спокойного Солнца, это направление
исследований ни в коем случае не может считаться исчерпанным.
До сих пор отсутствует удовлетворительное объяснение меха-
низма турбулентных процессов на Солнце, а также возникновения
различных видов наблюдаемых пульсаций. Кроме того, не так
давно выяснилось, что реальный поток нейтрино солнечного про-
исхождения гораздо меньше того потока, который должен был бы
порождаться ядерными реакциями на Солнце. Этот факт привел к
критическому пересмотру существовавших моделей Солнца и ясно
показал необходимость уточнения прежних представлений.
Вернемся к солнечно-земному аспекту исследований Солнца.
Нет никаких сомнений в том, что основное воздействие Солнца на
Землю— постоянное ее облучение. Природный термоядерный
реактор, глубоко скрытый в недрах Солнца, уже несколько мил-
лиардов лет работает с почти неизменной интенсивностью и произ-
Объект познания — Солнце
151
водит ту энергию, которая обеспечила возможность возникнове-
ния и развития жизни на Земле. Изучение поступающей на Землю
солнечной радиации, интенсивность которой составляет примерно
1 кВт на 1 м2 земной поверхности (эту величину называют солнеч-
ной постоянной), сегодня уже представляет интерес не только для
физики Солнца. Учитывая напряженное положение с энергоресур-
сами в современном мире, можно считать одной из первоочеред-
ных задач технического прогресса изыскание способов рацио-
нального использования этой энергии. Общая мощность потока
солнечного излучения, приходящегося на всю поверхность Земли,
в 104 раз превосходит современное потребление энергии; он пред-
ставляет собой громадные и оптимальные с точки зрения проблем
окружающей среды энергоресурсы.
Солнечная физика в своем солнечно-земном аспекте занима-
ется не постоянными свойствами спокойного Солнца, а теми пере-
менными процессами, которые имеют определенную длитель-
ность и происходят при этом в ограниченных, изменяющихся, так
называемых активных областях солнечной атмосферы. Поэтому в
этих случаях говорят об «активном Солнце». Проходящие в актив-
ных областях процессы, хотя их вклад в общую энергию излучения
Солнца пренебрежимо мал, временами приводят к сильному воз-
растанию интенсивности электромагнитного излучения в опреде-
ленных диапазонах частот, а также к интенсивному излучению
частиц. В свою очередь, эти виды излучения могут инициировать
различные процессы на Земле и в околоземном пространстве,
которые могут вызвать, например, возмущение земного магнит-
ного поля, ионосферы и, как следствие, нарушение радиосвязи или
создать опасность радиационного облучения космонавтов. Эти
соображения и определяют практическую значимость исследова-
ний по солнечно-земной физике.
Самое известное и поразительное проявление солнечной актив-
ности— темные солнечные пятна, систематически наблюдаемые
еще со времен Галилея. Эти пятна встречаются группами, и
продолжительность времени их существования не превосходит
нескольких недель. Они всегда бывают окружены более светлыми
областями, имеющими большие размеры и значительно более дол-
говечными, так называемыми факелами. Наиболее активные
образования на Солнце — вспышки, внезапно возникающие крат-
ковременные всплески излучения большой интенсивности (в
основном радио- и рентгеновского), сопровождающиеся испуска-
нием потоков высокоэнергичных протонов и электронов. На краю
солнечного диска активные области часто проявляются в виде
протуберанцев, светящихся плазменных облаков, которые могут
подниматься до очень больших высот над поверхностью Солнца.
Все проявления солнечной активности, имеющей период при-
мерно 11 лет, связаны друг с другом, каждое из них занимает
152
Ф. В. Егер
определенное место в истории жизни центра активности. Это ука-
зывает на единую физическую обусловленность подобных процес-
сов, объяснение которой, как это уже известно сегодня, следует
искать в локальных магнитных полях разнообразной интенсивно-
сти и структуры.
Проводимые нашей Академией исследования Солнца в насто-
ящее время сосредоточены исключительно в районе Потсдама и
имеют здесь более чем вековую традицию. Первый большой толчок
этим исследованиям был дан в 1874 г., когда согласно решению
авторитетных членов Берлинской академии была основана астро-
физическая обсерватория. Это учреждение было в свое время пио-
нером применения физических методов исследования в астроно-
мии, и здесь с самого начала в качестве исходного пункта рассма-
тривали единство солнечной физики и астрофизики. Вторым боль-
шим толчком для исследований по солнечной физике в Потсдаме
явилось сооружение в 1924 г. Башни Эйнштейна. В ней находился
большой комплекс по наблюдению Солнца, представлявший собой
сочетание длиннофокусного башенного телескопа и спектрографа
с высоким разрешением.
Башня Эйнштейна была построена с целью эксперименталь-
ного обнаружения вытекающего из общей теории относительности
красного смещения спектральных линий Солнца. Выяснилось,
однако, что искомый релятивистский сдвиг линий невозможно
однозначно отделить от сдвигов, вызываемых давлением и движе-
нием солнечных газов. Ученые пришли к заключению, что для полу-
чения надежных количественных результатов необходимы гораздо
более точные сведения о физической картине солнечной атмосфе-
ры. В результате исследования, проводимые в Башне Эйнштейна,
постепенно стали все более и более концентрироваться на физике
самого Солнца. При этом в течение длительного времени на
первом плане стояли общие проблемы структуры атмосферы спо-
койного Солнца.
Однако постепенно проблемы солнечной активности все более
и более выдвигались на первое место. Специальные исследования
солнечных пятен и их магнитных полей ведутся с начала сороковых
годов и с тех пор постоянно расширяются. В 1954 г. в обсерва-
тории Тремсдорф вблизи Потсдама и одновременно в Институте
Генриха Герца в Берлине были проведены наблюдения радиоизлу-
чения активного Солнца. Наконец, в 1967 г. в ходе реформы
академии все научные силы, связанные с изучением Солнца, были
сконцентрированы в Центральном институте солнечно-земной
физики. В качестве основного было окончательно выбрано
направление исследований активных областей Солнца с акценти-
рованием на их солнечно-земном аспекте.
Центральный институт солнечно-земной физики ориентирует
исследования Солнца в сторону развития их наиболее перспектив-
Объект познания — Солнце
153
ных современных направлений. Нынешняя ситуация в этой обла-
сти характеризуется тем, что познание многих отдельных явлений
на Солнце пока еще не привело к созданию единой и полной непро-
тиворечивой картины идущих на нем чрезвычайно сложных про-
цессов.
Специалисты по исследованию Солнца, работающие в Цент-
ральном институте, поставили перед собой задачу: опираясь на
данные разносторонних исследований, разработать комплекс-
ную модель типичной солнечной активной области, в которой все
существенные явления прослеживались бы в их взаимосвязи.
Решение этой задачи, базирующееся на надежных количествен-
ных измерениях, включает в себя феноменологию различных про-
явлений активности, диагностику параметров солнечной магнито-
плазмы, а также теоретическое моделирование основных физиче-
ских процессов.
Эта общая задача по своему физическому содержанию и ме-
тодике решения распадается на две частные: описание общей
эволюции активных областей и связанных с ней процессов накоп-
ления энергии и исследование взрывных процессов, приводящих
к испусканию излучений высоких энергий.
Ключевая проблема здесь связана с солнечными магнитными
полями.
Для решения этой обширной задачи разработана долговремен-
ная программа, рассчитанная на период до 1995 г. Исследования,
которые будут проводиться в ее рамках, характеризуются высокой
степенью комплексности. При решении первой частной задачи
прежде всего предполагается изучить пространственную и вре-
менную структуру локальных магнитных полей. Именно для этого
сейчас в значительно усовершенствованной Башне Эйнштейна
установлен советский фотоэлектрический магнитограф. При
помощи этого прибора можно изучать не только магнитные поля,
но и одновременно движение солнечной материи. В результате
обработки этих измерений получаются магнитно-кинетические
карты.
На их основе можно сделать заключения о структурных и эво-
люционных закономерностях активных областей. Познание этих
закономерностей необходимо для создания магнитогидроди-
намической теории солнечных явлений. Для того чтобы выяснить
особенности магнитных структур на более высоких «этажах»
активной области, там, где они не поддаются непосредственному
измерению, была разработана специальная методика. Она позво-
ляет экстраполировать магнитные поля, измеренные на уровне
фотосферы, в вышележащие слои хромосферы и короны, а также
оценивать энергию, запасенную в магнитных полях.
Эта методика имеет большое значение и для решения второй
частной задачи, поскольку для взрывных процессов характерны
154
Ф. В. Егер
постепенное накопление и внезапное освобождение магнитной
энергии и связанное с этим ускорение частиц. Взрывные процес-
сы, проявляющиеся в основном на уровне хромосферы и короны,
обнаруживаются по характерному радиоизлучению. Оно непре-
рывно регистрируется обсерваторией солнечного радиоизлучения
в Тремсдорфе на различных длинах волн в диапазоне от сантиме-
тров до метров с большим временным разрешением. На основе
наблюдений строятся частотно-временные диаграммы, которые,
в свою очередь, служат базой для плазменно-физической интер-
претации явления.
Ее цель — моделирование основных физических процессов
путем определения плазменных параметров. Значительным ша-
гом на пути к пониманию взрывных процессов в активных обла-
стях Солнца можно считать успешное создание комплексной
модели эмиссии в радио- и рентгеновском диапазонах для горя-
чей и холодной плазмы высоких энергий.
Естественно, нельзя ожидать, что такая многогранная задача,
как исследование солнечной активности, может быть сколько-
нибудь успешно решена одним-единственным институтом. Эта
работа может быть осуществлена только на основе широкого,
хорошо организованного на всех уровнях научного сотрудниче-
ства, включающего регулярное проведение больших международ-
ных исследовательских программ. Ученые ГДР, работающие в
области солнечной физики, принимали участие в программе Меж-
дународного Геофизического Года (1957—1958 гг.), в ходе которой
большое место было уделено исследованиям по физике Солнца, в
программе Международного Года Спокойного Солнца (1964 —
1965 гг.) и в программе Года Активного Солнца, которая коорди-
нировала усилия по изучению Солнца в 1980 г. во время максиму-
ма солнечной активности.
В этой области особенно тесные научные связи складываются
между академиями наук социалистических стран в рамках сотруд-
ничества по проблеме планетарная геофизика (комиссия КАПГ).
В долгосрочные программы включены выдвинутые Центральным
институтом солнечно-земной физики предложения по разработке
комплексной модели солнечных активных областей. Солнечная
обсерватория Башня Эйнштейна в знак признания ее заслуг по
методической разработке проблемы получила почетную роль
головной организации. Под ее руководством работает сеть магни-
тографов социалистических стран, простирающаяся от Восточной
Сибири до Центральной Европы. Эта сеть функционирует по еди-
ной согласованной программе, благодаря чему удается получать
однородный материал наблюдений, пригодный для совместной
обработки.
Фундаментальные исследования Солнца помогли нам приобре-
сти разнообразные сведения о космических процессах. Собран-
Объект познания — Солнце
155
ные данные важны не только для физики самого Солнца, но и для
физики звезд, а также для общей физики плазмы и физики высоких
энергий.
Что касается солнечно-земного аспекта исследований, то
здесь прежде всего необходимо разработать основу для аналити-
ческого понимания механизмов воздействия Солнца на Землю.
Тем самым может быть внесен существенный вклад во всесторон-
нее исследование космофизических условий в нашем земном жиз-
ненном пространстве и в его освоение. Важность решения этой
задачи для человечества не вызывает никаких сомнений.
АЛЛА ГЕНРИХОВНА МАСЕВИЧ — астроном, доктор физико-математических наук,
заместитель председателя Астрономического совета АН СССР, заслуженный деятель
науки и техники РСФСР, лауреат Государственной премии СССР. Область интере-
сов — физика и эволюция звезд, использование наблюдений искусственных космиче-
ских объектов для целей геодезии и геофизики.
СУРИЯ КЕРИМОВНА ТАТЕВЯН — астроном-геодезист, кандидат технических
наук, старший научный сотрудник Астрономического совета /ЧН СССР. Основное
направление работ — спутниковая геодезия.
СПУТНИКОВАЯ ГЕОДЕЗИЯ:
ДОСТИЖЕНИЯ И ЗАДАЧИ
Более 20 лет в верхних слоях земной атмосферы и за ее преде-
лами движутся небесные тела, созданные руками человека. Сей-
час число движущихся вокруг Земли искусственных лун превы-
шает 4 тыс., а несколько тысяч объектов за это время уже прекра-
тили свое существование, сгорев в плотных слоях атмосферы.
Искусственные небесные тела движутся по самым разнообразным
орбитам — от полярных до экваториальных, от круговых до очень
вытянутых эллиптических.
Различны значения перигея и апогея их орбит и видимый с
Земли блеск. Различны цели запуска, характеристики спутников
и научная аппаратура на борту. Достаточно отметить, что среди
запущенных для научных целей спутников были шарик диаметром
16 см и баллон диаметром 40 м; различные объекты имели вес от
1,5 кг до десятка тонн и периоды обращения — от 80 до 24 ч (для
геостационарных спутников).
Спутниковая геодезия: достижения и задачи
157
Сейчас стало уже привычным считать искусственные спутники
космическими телами. Однако далеко не все знают, что, с точки
зрения астронома, искусственный спутник — это довольно
необычный космический объект, наблюдения и изучение движения
которого порождают много новых проблем. В отличие от обычных
небесных тел, которые доступны для наблюдения в течение дли-
тельного времени днем (Солнце) или ночью (звезды, планеты),
искусственный спутник наблюдается только в утренние или вечер-
ние часы, когда поверхность Земли погружена в темноту, а сам
спутник, находясь на большой высоте, уже (или еще) освещен
Солнцем.
Для обычных небесных тел, движущихся за пределами атмо-
сферы Земли, существует математически разработанная теория их
движения, в которой основную роль играют силы гравитации.
Обычно при исследовании движения планет и их естественных
спутников приходится иметь дело с силой притяжения централь-
ного тела (для планет— Солнца, для спутников планет— самой
планеты), в основном определяющей орбиту, и с возмущающими
силами (притяжение соседних планет и спутников), которые как бы
искажают эту орбиту.
Теория движения планет и особенно Луны математически очень
сложна, так как приходится учитывать много различных поправок,
но с помощью этой теории можно делать прогнозы на десятки и
сотни лет вперед.
Что касается искусственных спутников, то при вычислении их
орбит необходимо учитывать воздействие земной атмосферы,
строение которой еще не полностью изучено. Поэтому точные про-
гнозы их движения в лучшем случае можно делать вперед лишь на
ближайшие дни, непрерывно внося исправления, основанные на
наблюдениях. При этом весьма существенно, чтобы наблюдения,
используемые для «улучшения» орбиты, охватывали возможно
больший ее участок. С точки зрения астронома это означает, что
необходимо проводить регулярные наблюдения движения спут-
ника в разных местах земного шара и сообщать результаты этих
наблюдений в вычислительный центр в наикратчайший срок.
Кроме того, искусственное небесное тело отличается от есте-
ственного относительно быстрым видимым движением по небес-
ному своду, что создает дополнительные трудности при наблюде-
ниях. Для определения положения (координат) спутника на орбите
необходимо очень точно измерять время наблюдения, в сотни и
тысячи раз точнее, чем при наблюдении планет или звезд.
В настоящее время известны два основных типа наблюдений:
оптический, при котором измерительный прибор наводится на
спутник с помощью оптической системы, и радиотехнический,
основанный на радиоволновой связи между наблюдателем и спут-
ником.
158
А. Г. Масевич, С. К. Татевян
Каждая научная задача предъявляет свои требования к каче-
ству и точности наблюдений, в соответствии с этим используются
и различные измерительные приборы.
Оптические наблюдения могут быть визуальными, фотографи-
ческими и лазерными.
При визуальных наблюдениях для наведения на спутник приме-
няется простейший телескоп (например, теодолит). Точность таких
наблюдений не превышает 0,1° в положении спутника и 0,1 с по
времени.
Визуальные наблюдения играют большую роль на последнем
этапе жизни спутника, когда он начинает входить в земную
атмосферу. В это время изменения его орбиты происходят уже
настолько быстро и нерегулярно, что предсказывать их сколько-
нибудь надежно не представляется возможным. Между тем как раз
вхождение спутника в атмосферу Земли и движение в ней пред-
ставляют особый интерес, так как позволяют изучать плотность
воздуха на высотах до 100 км.
Фотография следа спутника на фоне звезд позволяет со значи-
тельно большей точностью определить положение спутника на
орбите, привязывая его к координатам звезд, взятым из каталога.
Для точного фиксирования момента наблюдения в следе спутника
во время съемки делаются перерывы путем периодического
открывания и закрывания специального быстродействующего
затвора, соединенного с точными часами. Метки времени могут и
непосредственно впечатываться на пластинку специальным
устройством.
Фотографические наблюдения для современных спутниковых
камер имеют точность по положению 1—2" и по регистрации
времени 0,001 с. Основная ошибка, как показывает опыт, вносит-
ся при регистрации времени наблюдения. Этого можно избежать
установкой на спутнике импульсных ламп-вспышек с заданной
программой. При наблюдениях таких вспышек точность зависит
только от свойств самой камеры.
Лазерные дальномерные наблюдения позволяют определить
расстояние до спутника с точностью в 1—1,5 м для современных
лазерных дальномеров первого поколения и около 10 см для даль-
номеров второго поколения. Такова же точность, получаемая при
лазерной локации Луны. Для лазерного дальномерного наблюде-
ния необходимо установить на спутнике и соответственно на
поверхности Луны специальные уголковые отражатели.
Из радиотехнических наблюдений наибольшее распростране-
ние получили доплеровские измерения. При таких измерениях
передатчик на спутнике испускает радиосигнал с постоянной
частотой, который принимается станцией с некоторым иска-
жением, называемым доплеровским смещением. Оно выявляется
сравнением с постоянной частотой генератора станции наблю-
Спутниковая геодезия: достижения и задачи
159
дения. В этом случае точность определения радиальной составля-
ющей скорости составляет ±0,1 м/с.
Какой же вклад внесли наблюдения искусственных спутников
Земли в развитие наук о Земле и каковы перспективы их дальней-
шего использования?
Геодезия — одна из самых древних наук на Земле, в ее задачи
входит определение геометрической формы Земли и изучение
структуры создаваемого ею гравитационного поля. И хотя эти
работы велись в течение многих веков, первые значительные в
научном смысле результаты были получены в XVIII в., когда уда-
лось довольно точно измерить сплюснутость Земли у полюсов,
которая получилась равной 1:293.
К 1957 г. (к моменту запуска первого советского спутника)
геодезисты уже пришли к твердому выводу, что геометрическая
форма Земли наиболее достоверно может быть представлена
трехосным эллипсоидом вращения с большой полуосью около
6378 км и сжатием 1:297. Однако параметры этого эллипсоида,
вычисленные геодезистами разных стран и континентов, различа-
лись между собой довольно значительно. Например, величина
большой полуоси Индийского эллипсоида отличалась от полуоси
эллипсоида Токийской системы на 121 м, а от полуоси Североаме-
риканского эллипсоида — на 70 м. Сжатие этих эллипсоидов тоже
определялось неуверенно. Причина таких больших с точки зрения
геодезии расхождений заключается прежде всего в самих мето-
дах, с помощью которых определялись размеры и форма земного
шара.
При проведении каких-либо измерений на земле геодезисты
имеют дело с топографической поверхностью, представляющей
совокупность всех точек, расположенных на поверхности Земли.
Именно эта поверхность изображается на географических картах.
Для определения взаимного расположения точек измеряются рас-
стояния между ними и направления (азимуты) линий, их соединя-
ющих. Таким образом, вся поверхность Земли покрывается геоде-
зической сетью, называемой триангуляцией, причем наибольшее
расстояние между соседними вершинами сети может быть не бо-
лее 30 км, так как при измерениях необходима прямая оптическая
видимость.
Океаны, моря, острова, труднодоступные горные районы
создают непреодолимые препятствия при построении наземных
геодезических сетей, и поэтому на территории каждого континента
или даже отдельной страны строится своя геодезическая сеть,
хорошо определяющая поверхность данного региона, но плохо
связанная с соседними сетями.
Искусственный спутник, обращающийся вокруг Земли в течение
длительного времени практически по одной и той же орбите, на
высотах от 500 до 5000 км оказался удобной мишенью для одно-
160	А. Г. Масевич, С. К. Татевян
временных наблюдений из пунктов земной поверхности, удален-
ных друг от друга на сотни и тысячи километров. Точное поло-
жение станций наблюдений определяется на основании своеоб-
разного пространственного варианта наземной триангуляции,
носящей название космической или спутниковой, когда одна из
вершин каждого решаемого треугольника лежит не на поверх-
ности Земли, а совпадает с положением спутника на орбите в
определенный момент времени.
Другим важным аспектом использования наблюдений спутни-
ков в геодезии является тот факт, что спутник удерживается на
орбите вокруг Земли силой гравитационного притяжения, т. е.
траектория его движения определяется гравитационным полем
Земли. Малейшие отклонения орбиты спутника от строгой матема-
тической модели свидетельствуют о не. авномерностях гравита-
ционного поля, которые могут быть измерены с помощью регуляр-
ных и продолжительных наблюдений спутников с наземных стан-
ций.
Использование фотографических, лазерных и доплеровских
наблюдений различных спутников дало возможность вплотную
подойти к задаче построения единой координатной системы для
Земли. Для того чтобы выполнить эти работы усилиями ученых, в
первую очередь геодезистов и астрономов, многих стран, создана
довольно плотная сеть станций, удаленных друг от друга на тысячи
километров, на которых систематически ведутся наблюдения спут-
ников по согласованным программам. Результаты наблюдений
оперативно передаются в координационные вычислительные цен-
тры, где подвергаются сложной математической обработке с испо-
льзованием самых современных ЭВМ. Специфика работ по косми-
ческой геодезии, требующая равномерного распределения наблю-
дательных станций по всему земному шару, дала толчок к актив-
ному международному сотрудничеству в этой области. Ведущие
координационные центры, такие, как Астрономический совет Ака-
демии наук СССР, Смитсоновская астрофизическая обсерватория
(САО) и Годдардовский центр космических полетов в США, КНЕС
(национальная организация по исследованию космического про-
странства) во Франции и некоторые другие, регулярно проводят
международные научные программы с участием большого количе-
ства станций, расположенных на всех континентах, включая
Антарктиду, на островах в океанах, среди горных массивов
Кордильер и в пустынных районах Африки.
Работы по спутниковой геодезии включены в программу много-
стороннего научно-технического сотрудничества социалисти-
ческих стран по исследованию космического пространства —
программу «Интеркосмос».
Первые определения размеров и формы Земли по спутниковым
данным были выполнены уже в 1958 г. Профессор И. Д. Жонго-
Спутниковая геодезия: достижения и задачи
161
лович (Институт теоретической астрономии АН СССР) по резуль-
татам наблюдений первых двух советских спутников вычислил
сжатие Земли и асимметрию Северного и Южного полушарий.
В том же году аналогичные работы были проведены в Чехосло-
вакии и Англии.
За последние 10 лет учеными ГДР, СССР, США, Франции было
построено несколько глобальных геодезических сетей на основе
данных, полученных в результате международных программ
наблюдений спутников. Для того чтобы выполнить такие вычисле-
ния, надо было провести сложную астрометрическую и математи-
ческую обработку нескольких сот тысяч наблюдений различных
спутников. Так, например, САО (США) в 1978 г. опубликовала
результаты вычисления ти из 114 станций, в число которых
входит ряд советских станций и станций социалистических стран.
Точность определения положений станций относительно друг
друга составляет 3—15 м. Построенные методами спутниковой
геодезии сети охватывают весь земной шар; с их помощью можно
с некоторым приближением представить форму и размеры Земли.
Сегодня мы уже точно знаем, что математическая поверхность,
описывающая Землю, значительно сложнее, чем трехосный
эллипсоид вращения. Сечение Земли в плоскости экватора не
является точным кругом, и разность длин взаимно-перпендикуляр-
ных диаметров составляет около 100 м. Кроме того, расстояние от
Северного полюса до плоскости экватора (по радиусу) на 30 м
короче, чем до Южного полюса. Таким образом, Земля некоторым
образом напоминает грушу. Неравномерное распределение масс
как внутри Земли, так и в верхних слоях земной коры приводит к
значительным флуктуациям в структуре ее гравитационного поля.
Если представить гравитационный потенциал Земли в виде
математического ряда из сферических функций, то приведенные
выше отклонения от правильной формы эллипсоида вращения
будут выражаться только первыми тремя гармоническими коэффи-
циентами этого ряда. А сейчас по наблюдениям спутников удалось
уже определить около 1000 гармонических коэффициентов, что
дает возможность представить фигуру Земли некоторой уровенной
поверхностью поля силы тяжести, близко совпадающей со сред-
ним уровнем океанов и сообщающихся с ним морей. Такая по-
верхность называется геоидом, она является основной отсчетной
поверхностью, относительно которой проводятся измерения
реальной физической поверхности Земли.
В последние годы было опубликовано несколько очень хороших
выводов моделей гравитационного поля Земли, полученных по
спутниковым данным. Из них наиболее полные — модели Годдар-
довского центра космических полетов, САО и КНЕС.
Построенные на основании этих моделей карты высот геоида
относительно общеземного эллипсоида показывают, что наиболее
162
А. Г. Масевич, С. К. Татевян
характерные особенности фигуры геоида одинаково выявляются
во всех моделях (с точностью до 3—5 м). Например, явные мини-
мумы находятся вблизи южной оконечности Индостанского полу-
острова ( — 105 м), вблизи Антарктиды ( — 61 м); максимумы рас-
полагаются вблизи Новой Гвинеи (4-77 м), в Северной Антланти-
ке ( + 66 м), в Южной Америке ( + 44 м). Однако в некоторых рай-
онах систематически наблюдаются отклонения в картах геоида,
соответствующих различным моделям. Наибольшие различия до
20 м наблюдаются в районе Соломоновых островов, около Бри-
танских островов в Северной Атлантике.
В 70-х годах стали быстро развиваться и совершенствоваться
новые методы наблюдений космических объектов. Особенно
значительный прогресс достигнут в области лазерной техники.
Сейчас в мире насчитывается более 30 лазерных установок,
которые ведут систематические измерения расстояний до искус-
ственных спутников и Луны. Первый международный эксперимент
по спутниковой геодезии с участием серии лазерных дальномер-
ных установок был проведен в 1971 г. Точность измерения рассто-
яний до спутников, удаленных от Земли на 1500—2000 км, тогда
составляла в среднем 3—5 м. Наблюдения проводились только
ночью, когда освещенный лучами заходящего солнца спутник
можно было видеть в телескоп-гид лазерной установки.
В 1978 г. в США и ФРГ на двух идентичных лазерных установках
удалось измерить расстояние до спутника «Лагеос», летающего на
высоте 5000 км, с ошибкой в 3—5 см. Созданный в Физическом
институте АН СССР им. П. Н. Лебедева лазер позволяет измерять
расстояние до Луны в единичных измерениях с точностью ±20 см.
Разрабатываются проекты передвижных лазерных установок
для наблюдений высоких спутников и Луны. Помещенная в спе-
циально оборудованном кузове грузового автомобиля такая уста-
новка может быть легко переведена из одного пункта в другой,
что особенно важно для геодинамических исследований, о кото-
рых будет рассказано ниже.
Современные высокоточные лазерные дальномеры отслежи-
вают спутник автоматически по программе, которая закладывается
в небольшой компьютер, являющийся составной частью установ-
ки. Это дает возможность вести наблюдения круглые сутки.
Проводятся экспериментальные исследования с помощью
радиоинтерферометрических методов* наблюдений спутников и
внегалактических объектов. Эти методы в принципе могут обес-
печить точность определения направления на космический объ-
ект около одной сотой или тысячной доли секунды при условии,
* Об этих методах см. статью В. С. Троицкого «Радиоинтерферометрия — бу-
дущее астрономии и геодезии» в десятом выпуске ежегодника «Будущее науки». —
РеО.
Спутниковая геодезия: достижения и задачи
163
что две радиоантенны разнесены на несколько тысяч километ-
ров. Для сравнения вспомним, что современные фотографичес-
кие методы дают ошибку не менее 1 ".
Значительно повысились возможности доплеровских методов
наблюдений спутников, позволившие создать постоянно действу-
ющие навигационные системы. Они обеспечивают автономное
определение положений наземных пунктов с точностью 3—10 м.
В 1974 г. на американской орбитальной станции «Скайлэб»
были впервые проведены непосредственные измерения высоты до
уровня моря с помощью установленного на борту радиовысотоме-
ра. Более точный радиоальтиметр, установленный на американ-
ском спутнике «Геос-3», позволяет измерять расстояние.спут-
ник—океан с ошибкой 1—3 м. Кстати, сравнение альтиметриче-
ских непосредственных измерений, выполненных этим спутником,
с профилями геоидов, полученных по моделям гравитационного
поля, подтверждает высокую надежность спутниковых методов
определения формы земного геоида. В перспективе предполага-
ется повысить точность альтиметров до 10 см.
Однако альтиметры дают возможность измерять высоты только
до поверхности морей и океанов. Для определения тонкоструктур-
ной поверхности геоида, соответствующей материкам, приходится
искать другие методы.
В последние годы в разных странах оживленно дискутируются
проекты, предусматривающие траекторные измерения между
двумя космическими объектами.
Эти проекты рассматриваются в двух вариантах. В первом ско-
рость спутника, обращающегося на низкой орбите (200—300 км),
измеряется относительно геостационарного спутника, который
располагается на расстоянии около 40 тыс. км от Земли. Период
обращения такого спутника практически совпадает с периодом
вращения Земли, и поэтому он как бы зависает над одной и той же
точкой земной поверхности.
Во втором варианте измеряется разность скоростей между
двумя идентичными спутниками, обращающимися по одной круго-
вой орбите на высоте 200—300 км над Землей. Разность радикаль-
ных скоростей спутников после учета соответствующих поправок
может быть использована для вычисления среднего гравитацион-
ного ускорения на отрезке орбиты между спутниками, являюще-
гося функцией гравитационных аномалий территории, над которой
проходит орбита.
В 1975 г. во время советско-американского эксперимента
«Союз—Аполлон» проводился технический тест этого метода: с
геостационарного спутника «А 73-6» осуществлялись доплеровские
измерения скорости корабля «Аполлон» после его отделения от
«Союза». Эксперимент подтвердил возможность реализации таких
измерений, однако из-за несоблюдения необходимых технических
164	А. Г. Масевич, С. К. Татевян
условий не были получены требуемые результаты. Если же удастся
осуществить такой эксперимент в оптимальных условиях, то
появится возможность определять высоты геоида в плохо изучен-
ных областях с точностью до 3 м и получить гравитационные
аномалии с точностью в 2—3 раза выше современного уровня.
Интересное решение этой проблемы предлагают польские спе-
циалисты. Их проект, известный под названием «Дидекс», выглядит
так: два небольших, совершенно одинаковых спутника на высоте
250—300 км отделяются от основного материнского корабля и
продолжают двигаться по почти круговой орбите на расстоянии
100—200 км друг от друга. С основного корабля измеряются ско-
рости обоих спутников с помощью двусторонней доплеровской
системы, обеспечивающей высокую точность измерения радиаль-
ной скорости — 0,05 мм/с. Продолжительность измерений
должна составлять несколько суток. Однако создать подобную
совокупность идеальных условий (ведь помимо всего прочего
спутники в течение довольно длительного времени должны дви-
гаться на одинаковом расстоянии друг от друга по одной орбите) на
практике чрезвычайно трудно. Приходится иметь дело с рядом воз-
мущений, таких, как воздействие на спутники атмосферного тормо-
жения; неравномерная концентрация электронов, искажающая
доплеровский эффект при измерениях; колебания основного кора-
бля относительно центра тяжести.
Реализация проекта «Дидекс» -—-задача очень сложная, но, учи-
тывая всевозрастающий уровень космической техники, можно
надеяться, что в ближайшие годы этот эксперимент будет осуще-
ствлен.
Аналогичную программу изучения детальной структуры геоида
предлагают ученые Франции и ФРГ. Их совместный проект «Сла-
лом» уже неоднократно обсуждался на международных научных
конференциях. Принципиальное отличие этого проекта от проекта
«Дидекс» состоит в том, что измерение скоростей и их изменений
будет осуществляться с помощью лазерного телескопа, установ-
ленного на основном корабле. Два малых спутника должны быть
оборудованы уголковыми отражателями, что позволит одновре-
менно вести наблюдения этих спутников и с наземных лазерных
установок. Предусматривается также, что в моменты освещения
малых спутников лазерным лучом, направленным с корабля, они
будут наблюдаться земными оптическими станциями с целью изме-
рения угловых координат этих спутников.
Весь этот измерительный комплекс должен обеспечить высо-
кую точность определения разности радиальных скоростей малых
спутников, необходимую для вычисления гравитационных анома-
лий на территории вдоль трассы спутников.
Быстрое совершенствование новых методов наблюдений при-
вело к бурному развитию научных исследований в области геоде-
Спутниковая геодезия: достижения и задачи
165
зии, связанных с изучением изменений положений пунктов земной
поверхности и элементов гравитационного поля во времени.
Появился новый раздел наук о Земле, называемый геодинамикой
и лежащий на стыке геодезии, астрономии, геофизики и океаноло-
гии. Содержание этой науки объединяет два круга задач, сформу-
лированных в 1958 г. известным советским геодезистом членом-
корреспондентом АН СССР М. С. Молоденским, а именно: изуче-
ние изменений поверхности Земли со временем и сил, вызываю-
щих эти изменения и влияющих на гравитационное поле Земли.
Геодинамические явления могут быть классифицированы как
глобальные, относящиеся ко всей планете в целом, и региональ-
ные. К глобальным явлениям относится движение полюсов
Земли, или, точнее, перемещение оси вращения в теле Земли,
вызываемое воздействием сил притяжения Луны и Солнца Аа эква-
ториальное вздутие Земли. Амплитуда этих перемещений может
достигать 18 м. Лучше всего изучены вариации с периодом 12 и 14
месяцев, но имеются также предположения о наличии изменений с
периодами от месяца до суток. Современные астрономические
методы позволяют определить положение полюсов с точностью
примерно 3 м на интервале в 5 сут.
Систематические доплеровские и лазерные наблюдения искус-
ственных спутников и Луны хотя бы с дециметровой точностью или
применение радиоинтерферометров с длинной базой позволят
выявлять движение полюсов с разрешением 30 см на интервалах
1—2 сут.
Еще с древних времен известно о неравномерности вращения
Земли. Вековое замедление скорости, равное, 2,37-10 8 в столе-
тие, было установлено путем астрономических наблюдений движе-
ния Луны и планет и на основании изучения древних сведений о
датах затмений. Обнаруженные в последние годы с помощью атом-
ных часов короткопериодические и нерегулярные изменения ско-
рости вращения пока еще не объяснены, и их происхождение
неясно.
Сейчас мировая научная общественность обсуждает вопрос об
организации постоянной службы для изучения вращения Земли с
помощью наблюдений космических объектов. Решающую роль в
этих работах играют опять-таки высокоточные лазерные наблюде-
ния спутников, летающих на высотах в несколько тысяч киломе-
тров, и радиоинтерферометрические наблюдения внегалактиче-
ских источников.
Изучение региональных геодинамических явлений имеет осо-
бое народнохозяйственное значение. К ним относится движение
крупных блоков земной коры, изменения уровня поверхностей
морей и океанов, образование разломов в земной коре и движение
материков. Установление характера и периодичности возникнове-
ния этих явлений очень важно для предсказания сейсмической
166
А. Г. Масевич, С. К. Татевян
активности, при поиске полезных ископаемых, при проектирова-
нии крупных строительных сооружений и т. п.
С помощью классических геодезических и гравиметрических
методов могут быть определены векторы горизонтальных скоро-
стей движения больших плит. Наибольшую скорость, например,
около 5 см в год имеет Тихоокеанская плита, а наименьшую —
Евроазиатская. Северная Америка отодвигается от Азии со ско-
ростью несколько сантиметров в год. В зоне разлома Сан-Андре-
ас в Калифорнии обнаружено взаимное скольжение Тихоокеан-
ской и Североамериканской плит со скоростью 3 см в год.
Однако приведенные величины, полученные из наземных геоде-
зических измерений на ограниченных территориях, могут быть
сильно искажены различными местными эффектами и не давать
правильной общей картины перемещений литосферных плит.
Организация в активных районах специальных опорных станций,
оборудованных лазерными дальномерами сантиметровой точнос-
ти для наблюдений Луны и высоких спутников со стационарны-
ми орбитами, даст возможность не только измерять скорости
взаимных перемещений в земной коре, но и позволит определить
абсолютные движения плит относительно фундаментальной
системы координат. Стоящие в этой области задачи требуют не
только значительного улучшения наземных средств наблюдения
спутников, но и постановки принципиально новых космических
экспериментов с использованием бортовых средств измерения
траектории спутников. Для организации регулярной службы сле-
жения за деформациями земной коры в особо сейсмических
районах учеными США было предложено использовать лазерные
приборы, помещенные на борту спутника.
Автоматическая лазерная дальномерная установка по команде
из координационного центра проводит измерение расстояний до
наземных отражателей, образующих на изучаемой территории
площадью до 106 кв. км густую сеть контрольных пунктов. Предпо-
лагаемая точность измерения расстояния от спутника до пункта —
около 1 см. На каждый сеанс таких измерений потребуется всего
несколько дней. Система очень экономична, поскольку, во-первых,
без дополнительных затрат позволяет проводить повторные изме-
рения и регистрировать перемещения наземных контрольных
точек во времени, а во-вторых, одновременно одним прибором
можно проводить контрольные измерения на нескольких террито-
риях, где установлены отражатели.
Для непосредственного измерения градиентов гравитационного
поля Земли в будущем предполагается использовать градйометры.
Эти приборы пока устанавливаются только на самолетах, но полу-
ченные экспериментальные данные указывают на возможность
проведения прямых измерений с борта спутника.
ВЛАДИМИР РЕМЕК (Remek)— космонавт-исследователь, летчик-космонавт ЧССР,
Герой ЧССР, Герой Советского Союза, участник первого космического полета меж-
дународного экипажа по программе «Интеркосмос». 2 марта 1978 г. стартовал на
космическом корабле «Союз-28» с командиром Героем Советского Союза А. А. Гу-
баревым и работал на станции «Салют-6».
КАРЕЛ РИХТЕР (Richter) — чехословацкий лингвист и историк, кандидат наук,
научный сотрудник Военно-исторического института в Праге.
РЕЧЕВЫЕ КОММУНИКАЦИИ
В КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТАХ
МЕЖДУНАРОДНЫХ ЭКИПАЖЕЙ
Работа экипажей космических кораблей и станций — особый
вид сложного труда человека. Она включает в себя выполнение
комплекса разнородных специфических операций, осуществление
которых находится в прямой зависимости от знаний космонавта,
его мастерства и опыта и проходит в таких крайне необычных усло-
виях, как невесомость, ограниченность пространства, сложное
психо-физиологическое состояние космонавтов. Сложность
этой работы усугубляется и тем, что экипаж взаимодействует с
многочисленными взаимосвязанными коллективами, которые
организационно объединены в синхронно функционирующее
целое. Общеизвестно значение коммуникаций, особенно рече-
вых, для жизни человека в обществе и их роль в организации лю-
бого труда, в том числе и на борту космических кораблей и стан-
ций.
168	в. Ремек, К. Рихтер
На современном этапе познания космоса ученые в качестве
актуальной проблемы выдвигают повышение эффективности
труда космонавтов. Очевидно, что, решая ее, нельзя обойтись без
изучения процесса речевой коммуникации и его усовершенствова-
ния. Правильность такого вывода подтверждают, например, иссле-
дования радиосвязи в авиатранспорте, которые проводятся в ряде
стран в целях обеспечения безопасности полетов. Нетрудно
понять, что пилот не в состоянии выполнить свои задачи должным
образом без взаимодействия с другими членами экипажа и назем-
ными центрами управления и ориентации, а также другими самоле-
тами. Коммуникация, главным «инструментом» которой является
устная речь, выступает посредником в этом взаимодействии и тем
самым становится абсолютно необходимой.
Уже сегодня в авиации решаются задачи технической оптимиза-
ции связи, исследуются физиологические и психологические спо-
собности субъектов осуществлять связь в обычных и экстремаль-
ных условиях, наконец, изучаются вопросы рациональной адапта-
ции и «автоматизации» языка в интересах оптимальной коммуника-
ционной деятельности. В настоящее время открывается возмож-
ность практического использования результатов исследований
психологическо-эмоционального состояния операторов во время
принятия решений в сложных ситуациях; подобные исследования
опираются на анализ звуковых записей радиокорреспонденций.
Значительные успехи достигнуты также в области оптимизации
диалога, связывающего членов экипажа и проходящего в условиях
дефицита времени или же интенсивного шума. Методику и резуль-
таты этих исследований можно использовать и для решения вопро-
сов совершенствования работы космических экипажей, поскольку
состояние космонавтов и летчиков в своей основе сходны. Тем не
менее специфические черты космического полета требуют осо-
бого подхода.
Вполне понятно, что система коммуникаций экипажа космиче-
ского корабля значительно сложнее. Она включает в себя ряд
коммуникационных подсистем, каждая из которых активизируется
по мере надобности.
Они отличаются друг от друга мотивами, целями и результатами
коммуникационной деятельности, а в соответствии с этим — своей
структурой, количеством участников, набором используемых язы-
ковых средств. У экипажа, состоящего из двух и более космонав-
тов, образуется внутренняя коммуникационная подсистема. В ней
осуществляются коммуникации, связанные с конкретным выпол-
нением полетных заданий (внутренние коммуникации управления и
взаимодействия), и разговорные коммуникации общения. Внеш-
ними коммуникационными подсистемами экипаж связан прежде
всего с наземным центром управления полетом, включая пункты
связи (внешняя подсистема управления), и с экипажами других
Речевые коммуникации в космических полетах международных экипажей 169
космических кораблей или станций (внешняя подсистема взаимо-
действия).
Кроме того, экипаж имеет возможность беседовать с члена-
ми своих семей и друзьями на Земле (внешняя разговорная под-
система общения), обмениваться специальной профессиональ-
ной информацией (внешняя профессионально-информационная
подсистема) и, наконец, активно, хотя и без обратной связи, вклю-
чаться в систему массовой коммуникации с помощью средств мас-
совой информации.
Речь как конкретное использование языка в коммуникации в
каждой коммуникационной подсистеме формируется характерным
отбором речевых средств и их использованием в соответствии с
целями сообщений. Здесь вырисовываются более или менее четко
такие коммуникационные стили речи: профессиональный, публи-
цистический и разговорный. Специфика космической коммуника-
ции — своеобразие профессионального стиля, директивного при
управлении и разговорного при профессионально-информацион-
ной коммуникации.
При директивном стиле языковые средства, как правило,
выполняют роль сигналов, поступающих от сотрудника центра
управления и имеющих цель вызвать определенный вид деятельно-
сти у управляемого или же получить информацию от него, напри-
мер, сообщение о приеме и расшифровке сигнала, о выполнении
какого-либо задания.
Директивный стиль речи космических экипажей, так называ-
емый космический язык, сформированный на основе русского
языка, отличается экономичностью выражений. В нем очень часто
используются так называемые акронимы (видоизмененные сокра-
щенные названия сложных технических систем или операций),
специальные космические термины, сокращения типа аббревиа-
тур, сокращенные слова и цифровые выражения. Тем самым
достигается и высокая степень стандартизации ответа.
Оптимизации коммуникационной деятельности в этой области
будут способствовать, во-первых, совершенствование профессио-
нальной терминологии, состоящее в однозначном определении
сути обозначаемых объектов, явлений, процессов и т. д. и ее выра-
жении в наиболее рациональной форме, в логической системати-
зации (классификации) терминов и определении степени их обяза-
тельности и, во-вторых, все большая стандартизация директивно-
информационного диалога. Хорошей базой для подобных работ
может стать предложенный в СССР проект деятельности космо-
навта, суть которого состоит в планомерном распределении
деятельности космонавта в характерной ситуации с учетом разли-
чий в затратах сил, разного психофизиологического состояния,
степени информационной неуверенности. Используя эту основу, в
свою очередь, можно сформулировать требования к форме рече-
170
В. Ремек, К. Рихтер
вого поведения космонавтов, организации подготовки экипажа,
автоматизации кода.
Определенной подготовки требуют коммуникации, связанные с
обменом научной информацией об экспериментах на борту орби-
тальной станции. Зачастую здесь мы попадаем в далекие от
проблем космонавтики и космической техники области человече-
ской деятельности. Одновременно с необходимыми знаниями кос-
монавты осваивают и соответствующую специальную терминоло-
гию. В этом случае эффективность внутренних и внешних коммуни-
каций зависит от соблюдения терминологических нормативов.
Участие в системе массовой коммуникации, где космонавт стал-
кивается с сообщениями публицистического и научно-популярного
характера, требует предварительной подготовки экипажа к высту-
плениям подобного рода, для которых необходимо использовать
речевые средства соответствующего стиля.
Без сомнения, процесс достижения взаимопонимания при про-
ведении пилотируемых космических полетов поддается научному
изучению. Он привлек внимание ученых, в первую очередь психо-
логов и физиологов, сразу же после первых пилотируемых косми-
ческих полетов. Исследования устной речи их участников идут в
двух направлениях. Во-первых, она несет информацию о психофи-
зическом состоянии космонавта, во-вторых, это уже упоминавша-
яся проблема повышения качества речевой коммуникации, непо-
средственно влияющей на конечную эффективность космического
полета. Обе линии научно обоснованы, они имеют определенные
общие моменты, дают возможность дополнительной проверки
качества и всесторонности подготовки космонавта, подсказывают
пути ее совершенствования.
Впервые вопрос о речевой коммуникации международных эки-
пажей возник еще в период подготовки совместного советско-аме-
риканского полета «Союз» — «Аполлон».
Тогда главным было решение проблемы коммуникации путем
создания билингвистического русско-английского космического
словаря, легко доступного для представителей обеих языковых
групп (коллективов) и одновременно обладающего необходимой
«помехоустойчивостью».
Подготовка к космическим полетам международных экипажей
по программе «Интеркосмос» вновь выдвинула на повестку дня
этот вопрос, правда, в новой постановке, обусловленной другой
организацией подготовки к полету и другой его схемой.
Как достигается взаимопонимание между космонавтами —
представителями разных стран, с разным восприятием совмест-
ного коммуникационного кода, в данном случае русского языка,
приспособленного к определенным специальным задачам связи?
Не претендуя на подробный анализ данной проблемы и обобщение
результатов всех международных полетов, осуществленных к
Речевые коммуникации в космических полетах международных экипажей 171
настоящему времени, обратимся к опыту нашего советско-чехо-
словацкого экипажа, который первым в программе «Интеркосмос»
получил возможность решать проблему преодоления языкового
барьера в космосе.
Следует подчеркнуть, что в нашем случае важнейшее условие
совместной деятельности интернационального экипажа — хоро-
шее знание русского языка. На русском языке появляются первич-
ные публикации о современных достижениях космонавтики. Весь
аппарат обеспечения говорит по-русски. Во время полетов между-
народных экипажей, использующих советскую технику, советскую
систему управления и обеспечения, нет необходимости иметь
параллельную двойную в языковом отношении космическую систе-
му, как это было во время эксперимента «Союз» — «Аполлон».
Однако это не означает, что здесь не возникают или не могут
возникнуть билингвистические проблемы, требующие своего
решения.
Необходимое условие хорошего знания русского языка не сни-
мает другой основной проблемы: неизбежно приходится учитывать
объективно существующее различное восприятие русского языка
представителями разных стран, зависящее от степени языковых
различий. Уже при выборе кандидатов в космонавты необходимо
определять их способность преодолеть языковой барьер и овла-
деть русским языком на нужном уровне, обеспечивающем предва-
рительное накопление необходимых знаний, умения и опыта, а во
время полета — надежную устную коммуникацию в непривычных
коммуникационных условиях. Это важный элемент подготовки
полета, от которого, в свою очередь, зависит ее срок и качество
взаимодействия во время полета.
В любом случае эпоха международных полетов ставит дополни-
тельные совершенно новые вопросы в области устной коммуника-
ции, которыми до сих пор космонавтика не занималась или по
крайней мере не должна была решать с такой срочностью и глуби-
ной. Для их решения необходимы координированные научные
исследования всех стран, представители которых участвуют в
международном изучении космоса.
Процесс мышления всегда идет на определенном языке. И хотя
мышление присуще каждому отдельному человеку, оно так же, как
и язык, имеет свойства общественного продукта. Нормальная лич-
ность может научиться говорить и писать благодаря наследствен-
ной структуре мозга и голосового аппарата и в результате обще-
ственного воспитания. Необходимое первичное условие индивиду-
ального мышления и устной коммуникации — освоение родного
языка. Только опираясь на него, человек осваивает другие есте-
ственные или искусственно созданные языки, переводя содержа-
ние понятий на родной язык или же с него. Этот процесс внутрен-
него перевода несколько замедляет коммуникацию и поэтому дол-
172
В. Ремек, К. Рихтер
жен быть максимально ускорен. Если бы иностранные космонавты
могли овладеть русским языком в такой степени, чтобы думать и
разговаривать на нем без посреднического участия родного языка,
то это было бы идеальным вариантом.
Однако международный характер полетов требует участия кос-
монавта, например, в массовой коммуникации своей страны, где
вновь необходимо использовать родной язык, быстро переключа-
ясь на него. Естественно, удовлетворить оба требования нелегко,
и наука будет искать методы достижения этого.
Ограничивающее влияние родного языка, несомненно, затраги-
вает не только содержание коммуникации: привычная артикуляция
может привести к искажению русских слов и выражений, что
затрудняет взаимопонимание. Эта трудность варьируется в зави-
симости от родного языка, что следует учитывать при подготовке
полета и при его осуществлении для каждого отдельного экипажа.
Преодоление этой трудности, возможно, потребует для некоторых
видов коммуникаций определенных изменений в языке и словаре
космонавтов.
Необходимо учитывать еще один фактор, могущий сыграть
известную роль, особенно в длительных полетах международных
экипажей. Наряду с родным языком каждому человеку свой-
ственны определенные национальные отличия в мыслительном
процессе, психологическом складе, которые объединяют его с дру-
гими членами того же языкового сообщества. Поведенческие раз-
личия членов экипажа из различных стран могут проявляться не
только в словесной коммуникации, но и в жестах или как-либо по-
другому. Этот фактор также следует принимать во внимание при
подготовке космонавтов.
Подготовке и работе советско-чехословацкого экипажа спо-
собствовали следующие обстоятельства:
1)	чешский и русский — славянские языки с многочисленными
аналогиями в грамматической и лексической системах;
2)	в Чехословакии относительно высокое общее знание рус-
ского языка, благодаря его изучению в школе и тесным контактам
с Советским Союзом;
3)	оба кандидата, один из авторов статьи, В. Ремек, и его дублер
О. Пельчак, прошли четырехлетнее обучение в Военно-воздушной
академии в СССР, что позволило им достаточно хорошо овладеть
русским языком.
В ходе подготовке В. Ремек усовершенствовал знание выраже-
ний и синтаксиса разговорного русского языка, освоил профес-
сиональный стиль, включая специальную космическую терминоло-
гию и терминологию тех отраслей науки, с которыми были связаны
проводившиеся в космосе эксперименты, директивный стиль. В
этот период В. Ремек и А. А. Губарев достигли такого взаимопо-
нимания, которое позволило им сократить даже выражения суще-
Речевые коммуникации в космических полетах международных экипажей 173
ствовавшего кода и заменить некоторые команды их аббревиату-
рами или жестами.
Определенные затруднения вызвала массовая коммуникация.
Звуковые записи устного выступления В. Ремека подверглись в
ЧССР психолингвистическому анализу.
Было обнаружено, что стиль его выступлений на родном языке,
т. е. на чешском, в телевизионных репортажах из космоса заметно
отличается от его же коммуникационного стиля перед полетом и от
стиля разговора на русском языке с коллегами в космическом
корабле и орбитальной станции, с персоналом центра управления.
Сравнение образцов с записями, сделанными перед полетом,
показало определенное повышение основного тона голоса. Фено-
мены колебаний заняли в анализируемых записях в целом 31 %
коммуникационной активности, причем сюда не включена потеря
времени, вызванная существенным снижением скорости речи.
Следовательно, речь шла о серьезных информационных помехах.
По нашему мнению, авторы анализа правильно объясняют их при-
чины:
1)	коммуникационные привычки предыдущей летной практики
(большинство военных и гражданских летчиков начинает каждое
донесение более или менее долгой гласной «э», с тем чтобы исклю-
чить искажение информации запоздалым нажатием кнопки);
2)	воздействие специфических факторов космического полета
на организм (репортаж передавался в то время, когда В. Ремек
еще не совсем приспособился к состоянию невесомости, которое,
как известно из советских исследований, нарушает тонкую коорди-
нацию органов речи; кроме того, он переживал состояние заметно
повышенной эмоциональности: радостное волнение от полета,
тревогу перед первым телевизионным выступлением, к которому
не чувствовал себя совсем готовым);
3)	билингвистический характер коммуникации во время косми-
ческого полета (в период подготовки В. Ремек использовал для
обучения и коммуникаций исключительно русский язык, здесь же
без соответствующей подготовки неожиданно пришлось расска-
зать о глубоко профессиональных вещах на родном языке, что, по
своей сути, означало перевод зафиксированных в памяти ответов
с русского языка на чешский).
Проявились и нарушения устной речи. Ухудшилась литератур-
ная форма сообщений из-за необходимости сосредоточивать вни-
мание на точном переводе содержания нестандартных русских
выражений на чешский язык, особенно таких, для которых В. Ре-
мек не мог вспомнить специальные чешские термины или не знал
их, появились многочисленные паузы или колебания в речи, кото-
рые спонтанно сопутствовали воспоминаниям и подбору выраже-
ний. Это обычные, описанные в литературе случаи помех у лиц,
владеющих двумя языками.
174
В. Ремек, К. Рихтер
Свою роль сыграл и тот факт, что насыщенность подготовки к
полету не позволила включить в программу тщательную отработку
выступлений такого рода, учитывающих индивидуальные способ-
ности.
Опыт показывает, что космонавт должен отрабатывать высту-
пления по телевидению и радио. Для этого ему необходимо освоить
адекватную терминологию на родном языке. Если же в нем косми-
ческая или связанная с космосом терминология не стандартизиро-
вана (пример такого языкд — чешский), то желательно включить
подобную стандартизацию в проблематику двустороннего или мно-
гостороннего сотрудничества по подготовке полетов международ-
ных экипажей.
На несовершенство выступления В. Ремека оказала влияние и
чисто техническая причина: отсутствие обратной связи при испо-
льзовании микрофона. То, что он почти не слышал своего голоса,
повышало его нервозность, воздействовало на мелодичность и
чистоту произношения.
Еще раз подчеркнем, что состоявшиеся полеты космических
кораблей с международными экипажами выдвинули некоторые
новые проблемы, связанные с достижением взаимопонимания
между космонавтами. Крайне актуальным представляются изуче-
ние с физиологической и психологической точки зрения их устных
выступлений, отражающих психофизиологическое состояние кос-
монавтов, разработка методов поиска и устранения причин ухуд-
шения качества их речи. Не менее важно использовать результаты
исследований других научных направлений для оптимизации ком-
муникационной деятельности международных экипажей. Это
задача не только космической физиологии, но и семиотики, лингви-
стики, психолингвистики, теории информации и т. д.
Сотрудничество социалистических стран по программе «Интер-
космос» позволяет создать базу для оптимального решения языко-
вых проблем в целях совершенствования устных коммуникаций.
Среди частных задач здесь можно назвать унификацию терминов,
научный отбор космонавтов с точки зрения языковых способно-
стей, изучение соотношения соответствующих языков и русского
языка для последующей разработки методов успешного овладения
коммуникационным кодом или его изменения, составление прогно-
зов и планов в области коммуникации, разработка мер, способ-
ствующих оптимальному общению экипажей с точки зрения языко-
вых различий, совершенствование коммуникационных заданий и
т. д.
АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ СИДОРЕНКО — геолог ши-
рокого профиля, академик, вице-президент АН СССР, ди-
ректор Института литологии АН СССР, лауреат Ленинской
премии.
Специалист в области комплексного использования мине-
рального сырья и его технико-экономической оценки. Осно-
вал новое научное направление — осадочную геологию до-
кембрия. Разрабатывает проблемы влияния деятельности
человека на земную кору.
НОВОЕ В УЧЕНИИ О БИОСФЕРЕ
На пороге XXI в. перед геологией стоят новые, очень сложные
задачи. При все более усложняющихся условиях поиска и разведки
месторождений полезных ископаемых нужно обеспечить быстро
растущие потребности во всех видах минерального сырья. На
Западе теперь говорят об исчерпаемости запасов, «сырьевом
голоде», необходимости установить пределы роста экономики,
снизить темпы добычи сырья и т. п. В этих условиях как никогда
нужны новые идеи, требуется осмыслить значение таких фунда-
ментальных исследований в геологии, как учение В. И. Вер-
надского о биосфере. Сегодня мы с удовлетворением можем ска-
зать: чем дальше развивается геологическая наука, тем виднее
практическая значимость фундаментальных идей Вернадского.
Прежде всего, как складывалось представление о биосфере у
В. И. Вернадского? Монография «Биосфера» вышла в свет в
1926 г. Однако идеи, оформившиеся в учении о биосфере, роди-
лись раньше, когда Вернадский начинал еще как минералог. Уже в
176
А. В. Сидоренко
своем обобщающем труде «Опыт описательной минералогии»,
опубликованном еще в 1908 г., он обратил внимание на роль живых
организмов в процессах образования минералов, одновременно
прослеживая судьбу минерала как продукта деятельности челове-
ка. В этой монографии можно встретить целые параграфы, где
указывается на органическую природу графита, шунгита в былых
осадочных толщах гнейсов и различных кристаллических сланцев.
Тем самым истоки геохимии, биогеохимии, учения о биосфере, а
затем и ноосфере лежат еще в минералогических работах Вернад-
ского. Поэтому мне особенно хотелось бы подчеркнуть роль и
значение минералогии в развитии геологического мышления.
Тем не менее еще и сегодня приходится с глубоким сожалением
говорить о недостаточной связи между минералогией и геохимией,
а также о том, что органическая минералогия, или минералогия
органогенных минералов, по существу, еще не получила развития.
Представляется крайне важным исправить эти два существенных
недостатка в общем потоке развития геологических наук.
Мне хотелось бы выделить еще одно направление в мышлении
В. И. Вернадского. Он всегда подчеркивал роль экзогенных про-
цессов в истории земной коры. Напомним, что тогда, по существу,
еще не было не только литологии, но даже петрографии осадочных
пород. В той же работе «Опыт описательной минералогии» он
указывал на роль осадочных процессов в далеком докембрии. В то
время еще не было данных об абсолютном возрасте Земли, о
многомиллиарднолетней древности земной коры. Тогда, в начале
столетия, большинство геологов исходили из гипотезы Канта —
Лапласа об огненно-жидком происхождении Земли и образовании
земной коры за счет постепенного остывания планеты. В практиче-
ской геологии эта идея полностью владела умами, и на ее основе
строился весь геологический поиск. К сожалению, и сейчас в той
или иной форме представления о генезисе рудных месторождений
часто основываются на этой предпосылке.
В начале 20-х годов В. И. Вернадский писал о значении про-
цессов осадконакопления уже на ранних этапах Земли: «Еще в
рамках исследований петрографии докембрийских пород, при раз-
работке учения о метаморфизме довольно долго накапливались
интересные, подчас разрозненные сведения о литологии древних
осадочно-метаморфических толщ, описывались реликты осадоч-
ных текстур и структур, сохранившиеся после метаморфизма,
были также попытки реставрации первичного осадочного облика
метаморфических пород. Все это оказалось той благодатной поч-
вой, на которой быстро выросло дерево новой науки — литологии
докембрия». Эту длинную цитату я привел для того, чтобы показать
глубокую убежденность В. И. Вернадского в широком развитии
осадочных процессов еще в докембрии. Без литологии докембрия,
без представления об экзогенных процессах в древнейших геоло-
Новое в учении о биосфере
177
гических эпохах не могла возникнуть геологическая основа для
учения о биосфере, как его понимал В. И. Вернадский.
Таким образом, минералогия и литология явились исходной
базой для рождения учения о биосфере. Только опираясь на
глубокое знание генезиса минералов, обобщенное в «Опыте опи-
сательной минералогии», только имея четкое представление о том,
что в истории земной коры, начиная с докембрия, шли осадочные
процессы, можно было в 1926 г. написать монографию «Био-
сфера». Понятие о биосфере В. И. Вернадский сформулировал как
«особую охваченную жизнью оболочку Земли»; он писал, что в
биосфере «мы не можем различать два типа вещества — косное
и живое», а должны рассматривать их как единое взаимосвязанное
целое. В. И. Вернадский показал огромную геологическую роль
живогр вещества: «...наземной поверхности нет химической силы,
более постоянно действующей, а потому и более могущественной
по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в
целом»; «...все бытие земной коры, по крайней мере 99% по весу ее
вещества, в своих существенных с геохимической точки зрения
чертах обусловлено жизнью». В этих цитатах выражено основное
представление о биосфере, как ее понимал В. И. Вернадский, и
они достаточно полно иллюстрируют прозорливые идеи ученого,
высказанные еще в первой четверти XX в.
Прошло более полустолетия со дня выхода в свет «Биосферы».
Жизнь показала не только справедливость гениальных обобщений
и предвидений В. И. Вернадского. Происходило их дальнейшее
бурное развитие.
Как же развивается учение о биосфере после В. И. Вернадско-
го?
Прежде всего получили подтверждение и развитие его идеи о
глубокой древности осадочных пород и «древо новой науки —
литология докембрия», как он писал в 20-х годах, выросло ныне в
самостоятельное и, как будет показано ниже, новое важное
научное направление — в осадочную (экзогенную) геологию
докембрия.
Литологическое изучение докембрийских геологических ком-
плексов, развернувшееся в последние 20 лет, показало, что про-
цессы осадконакопления (экзогенез) присущи не только фанеро-
зою или даже неогею. Эти процессы были также широко развиты
и во всем докембрии, включая ранние его этапы, архей. Речь
теперь идет не о разрозненных фрагментах осадочных реликтов
среди царства магматизма и ультраметаморфизма, как писал об
этом В. И. Вернадский, а о стройной системе знаний по литологии
докембрия.
Ныне былые осадочные породы бесспорно установлены, начи-
ная с 3,8 млрд, лет, а осадочные породы с возрастом в
3—3,5 млрд, лет стали обычным явлением. На всех щитах открыты
178
А. В. Сидоренко
и изучены осадочные породы, конечно, в той или иной мере мета-
морфизованные. Все больше накапливается фактов о следах
выветривания исходных пород, путях переноса и отложений про-
дуктов выветривания и накоплении практически всех известных
типов осадочных пород.
Уже достаточно убедительно показано, что экзогенез происхо-
дил на протяжении всей обозримой геологической истории Земли.
Мы открываем в докембрии те же типы осадочных пород, что и в
фанерозое. Пород, которые бы отвечали другим условиям осадко-
образования, другим типам атмосферы и гидросферы, мы пока не
знаем. Теперь бесспорно доказано, что основой докембрийских
щитов являются метаосадочные породы, а былую гранитную обо-
лочку Земли следует трактовать как древнейшую осадочно-мета-
морфическую оболочку континентальной земной коры, в которой
магматические породы чаще всего являются продуктом глубокого
ультраметаморфизма первичных осадков.
Все это дает нам возможность не просто говорить о литологии
докембрия, а ввести более широкое понятие осадочной (экзоген-
ной) геологии докембрия, науки, изучающей все формы проявле-
ния экзогенеза (выветривание, перенос, осадконакопление), про-
ходившего в дометаморфические периоды.
Почему мы говорим об осадочной экзогенной геологии именно
докембрия? Да потому, что осадочные процессы фанерозоя изуча-
ются многими геологическими науками и достаточно широко. Экзо-
генные же процессы в докембрии требуют своих исследований,
поскольку первичную природу осадочного материала нужно уста-
новить под метаморфическими преобразованиями и перевести
метаморфические породы в их осадочные эквиваленты, вскрыть
под метаморфизмом, подчас многократным, всю совокупность
экзогенных процессов: палеоклиматы и палеоландшафты докем-
брия, состав пород и концентрации и т. д.
У осадочной геологии и литологии докембрия свои методы
реставрации первичного состава иногда очень измененных оса-
дочных пород и формаций.
Экзогенная геология докембрия стала научной базой для иссле-
дования «былых биосфер», о которых с таким гениальным предви-
дением писал В. И. Вернадский. Подчеркнем еще раз: сегодня мы
уверенно можем говорить о том, что экзогенез проходил на всем
протяжении геологической истории Земли — от архея, протерозоя
до фанерозоя.
* 'г *
Когда-то В. И. Вернадский предсказывал: «граниты — это
былые биосферы», но это было только научным предвидением,
которое еще нужно было доказать.
Новое в учении о биосфере
179
Специально поставленные исследования распространения эле-
ментарного углерода, графита, графитоида, шунгитов и т. п. в пер-
вично-осадочных метаморфизованных породах показали прежде
всего биогенный характер углерода. Широкое распространение
биогенного углерода в докембрии зарегистрировано в породах
всех возрастов и всех щитов.
Геологические условия и формы залегания графита, графито-
ида, шунгитов ит. п., приуроченность их к тем же типам пород, что
и в фанерозое, а также специальные (битуминологические, изотоп-
ные, геохимические, биохимические) исследования бесспорно
свидетельствуют о биогенном генезисе элементарного углерода.
Установлено, что количество биогенного углерода в породах
докембрия аналогично фанерозойскому. Средние содержания эле-
ментарного углерода колеблются от0,1 до 5,7%. Много рассеянного
углерода, но встречаются горизонты с содержанием углерода до
20—30% и мощностью в десятки метров.
Таким образом, отталкиваясь от исследований элементарного
углерода в докембрийских осадочно-метаморфических толщах, мы
можем утверждать, что живое и органическое вещество существо-
вало по меньшей мере более 3,5 млрд, лет назад (серия Онвервахт
в системе Свазиленд, Южная Африка). Эта цифра вплотную при-
ближается к возрасту древнейших осадочных пород — метаквар-
цитов района Ишуа в Западной Гренландии, которым 3,8 млрд. лет.
Но не только на основании биогенного углерода можно гово-
рить о древности жизни, начиная с архея. Много и других доказа-
тельств.
Ранее считалось, что в древнем архее с его углекислой атмо-
сферой не может быть карбонатов. Теперь карбонаты для докем-
брия такие же обычные породы, как и для фанерозоя, а изучение
изотопного состава углерода карбонатов докембрия подтверждает
их биогенную природу. На всем протяжении геологического вре-
мени карбонаты докембрия содержат устойчивое количество угле-
рода как карбонатного, так и органического происхождения. Это
свидетельствует о том, что биологический цикл углерода устано-
вился уже с раннего докембрия, т. е. более 3,4 млрд, лет назад.
Устойчивое равновесие двух форм углерода земной коры могло
возникнуть при непосредственном участии живых организмов.
Таким образом, углерод земной коры многократно прошел биоло-
гический цикл; биогенное отложение карбонатов в докембрии
было столь же распространенным процессом, как и в фанерозое.
Анализ эволюции изотопного состава углерода карбонатов и
органического вещества в докембрии и фанерозое приводит нас к
весьма важному выводу о том, что стационарная величина, харак-
теризующая степень изотопного фракционирования между карбо-
натной и органической формами углерода земной коры, является
важной планетарной биогеохимической константой. Эта постоян-
180
А. В. Сидоренко
ная свидетельствует о существовании 3,5 млрд, лет назад взаимо-
действующей системы подвижных геосфер земной коры (атмосфе-
ры — гидросферы — стратисферы — биосферы); указывает на
достаточно близкое к современному стационарно равновесное в
изотопном, а следовательно, и геохимическом отношении состо-
яние этой системы; служит своеобразной мерой глобального дей-
ствия экзогенно-метаморфогенного механизма, обеспечивающего
устойчивость геохимического цикла углерода в земной коре, важ-
ным элементом которого является углеводородная и углекислая
дегазация осадочно-метаморфических толщ докембрия, проходя-
щая при метаморфизме.
Стационарное изотопное равновесие двух основных форм угле-
рода земной коры, установившееся по меньшей мере 3,5 млрд, лет
назад, вполне определенно указывает на то, что образование по-
движных оболочек Земли должно было произойти до раннего докем-
брия, т. е. до рубежа в 3,5 млрд, лет, так как только в этом случае
биосфера и осадочные процессы, благодаря которым установи-
лось указанное химическое и изотопное равновесие наружных
геосфер, могли получить необходимое время для своего развития.
Этот вывод хорошо согласуется с современными представлени-
ями планетной космологии и космохимии о конденсационно-хими-
ческой дифференциации вещества протопланетного облака
(А. П. Виноградов, Дж. Лаример, Е. Андерс, М. Бландер, Дж. Лэ-
вис, К. Турекьян, С. Кларк и др.), согласно которым первичные
гидросфера и атмосфера были сформированы в основном в
заключительную стадию аккреции Земли.
Еще одно доказательство существования в докембрии доста-
точно мощной биосферы дает геохимия изотопов серы. Изотопный
состав серы осадочных сульфатов раннедокембрийских образова-
ний Свазиленда и Ценгрской серии Алданского щита свидетель-
ствует о том, что устойчивая кислородная атмосфера существует
на Земле по крайней мере 4 млрд, лет (В. И. Виноградов, 1976).
Таким образом, время становления биосферы отодвигается в
глубь геологической истории, увеличиваясь по крайней мере в
6—7 раз, и совпадает с началом геоло/ических земных процессов,
соответствуя первому, самому древнему рубежу архея.
В последнее время моими коллегами выделены пять главней-
ших глобальных эпох накопления высокоуглеродистых формаций
докембрия: в архее —на рубеже 3,7—3,5 млрд, лет, между археем
и нижним протерозоем — 2,8—2,6 млрд, лет, нижним и средним
протерозоем — 2,1—1,7 млрд, лет, верхним протерозоем —
1 млрд. —900 млн. лет и, наконец, в предкембрийское время —
650—600 млн. лет. Эти эпохи соответствуют выделенным ранее
важнейшим эпохам эволюции живых систем (Б. С. Соколов). Пер-
вый, самый древний- рубеж архея соответствует возникновению
фотосинтезирующих механизмов прокариотических протобионтов,
Новое в учении о биосфере
181
затем происходит расцвет фотосинтезирующих организмов (вто-
рой рубеж), появление эукариот (третий рубеж), процессов митоза,
мейоза, организмов метафита, метазоа (четвертый рубеж) и уже на
границе докембрия и кембрия получают широкое развитие бескле-
точные и многоклеточные метазоа.
Что же происходит с осадочным веществом, живым веществом
и их производными?
Глобальные эпохи расцвета жизни увязываются с основными
эпохами регионального метаморфизма и тектоно-магматической
активизации. Связь этапов биологической эволюции живых
систем, глобальных эпох накопления в докембрии высокоуглеро-
дистых формаций и главнейших эпох регионального метамор-
физма и тектоно-магматической активизации не случайна.
Несколько сложнее связь этапов биологической эволюции, тек-
тоно-магматизма и формирования поверхностей выравнивания и
кор выветривания. Но здесь, вероятно, еще мало фактов.
Ранее нашим коллективом было показано, что при тектониче-
ской активизации осадочно-метаморфические толщи, содержащие
глинисто-карбонатные и углеродсодержащие породы, отдавали
значительное количество воды, углекислого газа, углеводородов и
мобилизуемых ими рудных элементов. Было сформулировано
представление о «газово-жидко-рудном флюиде», об углеводород-
ном и углекислом «дыхании» докембрия. Огромное количество
выбрасываемой в атмосферу углекислоты способствовало рас-
цвету жизни.
Итак, повторим еще раз: если стоять на почве бесспорно уста-
новленных фактов, полученных за последние два десятилетия, а не
руководствоваться только априорными гипотезами об исключи-
тельности докембрия, особенно архея, нужно будет признать, что
биологические процессы происходили, по меньшей мере начиная
с абсолютного возраста в 3,5 млрд, лет, что уже тогда существо-
вала взаимосвязанная система минерального вещества, живого
(органического) вещества, атмосферы и гидросферы.
По-новому нужно теперь смотреть и на региональный метамор-
физм, который неоднократно повторялся, создавая глобальные
циклы обмена и оборачиваемости воды, кислорода, углекислоты,
серы, азота и других соединений в наружных оболочках Земли.
В доступной нашему изучению осадочно-метаморфической
(сиалической) оболочке земной коры преобладают первично-оса-
дочные образования в виде слоистых осадочных и вулканогенно-
осадочных пород. Это главный продукт геологического процесса,
геологической стадии жизни Земли. Практически вся известная
нам история действия геологического процесса на дометаморфи-
182
А. В. Сидоренко
ческой, экзогенно-осадочной стадии протекала в условиях доста-
точно развитой жизни, в условиях интенсивного функционирова-
ния живых систем, а исключительные масштабы, глубина и дина-
мизм воздействия живого и органического вещества на минераль-
ную составляющую позволяют предположить «биогеологический
механизм» трансформации, переработки вещества наружной
части Земли.
Раскрытие взаимосвязи, взаимозависимости и взаимообуслов-
ленности развития косной и живой материи на Земле, связи биоло-
гической эволюции живых систем с геологическими (тектониче-
скими, палеогеографическими) условиями, в которых эта жизнь
реализовалась, представляется нам новым этапом в учении о био-
сфере. В свое время на основании только литологического изучения
докембрийских осадочно-метаморфических толщ и близости
состава осадочных пород фанерозоя с первично-осадочными
породами докембрия мы выдвинули принцип эволюционно услож-
няющегося единства процессов седиментации на всем протяжении
геологической истории Земли, как главную методологическую
основу исследования докембрия*. Ныне, опираясь на изучен-
ность ископаемых биосфер от докембрия до современной биосфе-
ры, мы можем говорить о том, что главным фактором эволюции
сиалической оболочки земной коры было живое вещество. Разви-
тие и эволюция биосфер — это развитие и эволюция земной коры.
Таким образом, учение о биосфере рождает новое научное направ-
ление в геологии — биогеологию.
Биогеология — это наука, изучающая роль живого и органиче-
ского вещества в формировании земной коры, место и масштабы
биогенного литогенеза в геологической истории Земли. Биогео-
логия — это не биогеохимия и не геохимия органического веще-
ства. Вероятно, что две последние науки, прочно завоевавшие свои
позиции, станут в дальнейшем составными частями биогеологии.
За 50 лет развития учения о биосфере, когда появились новые
знания по литологии и осадочной геологии докембрия, когда изме-
нились наши представления об абсолютной продолжительности
экзогенеза и осадконакопления и этапах развития жизни на пла-
нете, можно дать следующее определение биосферы.
Биосфера — это глобальное био геологическое явление, дей-
ствующее на всем протяжении геологической истории Земли как
многокомпонентная система минеральной, жидкой и газообразной
частей планеты, пронизанная живым веществом и продуктами его
жизнедеятельности, отмирания и преобразования, находящимися
во взаимосвязи и взаимообусловленности своего существования и
* О значении и методологии исследования докембрия см. статью автора «Оса-
дочная геология докембрия — ключ к познанию истории земной коры» в ежегодни-
ке «Наука и человечество. 1977». — Pet).
Новое в учении о биосфере
183
эволюционного развития. Современная биосфера — это заверша-
ющая часть эволюции былых биосфер.
* х- *
Посмотрим теперь, какое развитие в наши дни получила идея
В. И. Вернадского о газовом «дыхании» Земли. Учитывая широ-
кую распространенность в докембрии метаморфизованных угле-
родсодержащих пород, мы еще в 1970 г. показали, что, несмотря
на глубокую стадию метаморфизма и на весьма продолжительное
время, прошедшее с тех пор, в графитах, графитоидах, шунгитах и
других подобных образованиях содержится некоторое остаточное
количество метана, пропана, бутана, этилена, пропилена. При бла-
гоприятных геологических условиях (сейсмогеологическая активи-
зация) эти толщи могут отдавать поглощенные остаточные газы и
образовывать газовые эманации или даже газовые струи. Позже,
в 1973 г. мы писали, что «углеводородное дыхание Земли широко
распространено на щитах». Действительно, в последующем почти
на всех докембрийских выходах было найдены углеводородные
струи. Кольская сверхглубокая скважина на глубинах более 7 км,
как и многие другие скважины, бурившиеся на докембрий русской
платформы, также показали наличие газообразных углеводоро-
дов. Современная дегазация обнаженного докембрия — широко
развитое явление. На платформах, там, где докембрий пере-
крыт осадочным покровом, исследования также показывают со-
держание углеводородов как в виде струй, так и растворенных в
подземных водах.
Теперь мы имеем достаточно фактов, чтобы уверенно говорить
о глобальном углеводородном дыхании докембрийских углерод-
содержащих толщ. Нам этот вывод представляется имеющим
огромное, принципиальное научное и практическое значение для
дальнейшего развития нефтегазовой геологии. Углеводородное
дыхание вносит свою лепту в формирование нефтяных и газовых
скоплений в рыхлых чехлах континентов. Если на щитах углеводо-
роды уходили в атмосферу, то на платформах они могут накапли-
ваться. Теперь бесспорно, что углеводородная газовая составля-
ющая земной коры существовала столько же, сколько существует
живое вещество, осадочные породы и существовала былая био-
сфера. Эта углеводородная составляющая является той исходной
«материей», из которой за всю геологическую историю существо-
вания земной коры сформировались многие месторождения.
Заранее оговорюсь, что я не затрагиваю теории о главных
фазах нефтегазообразования, учение о нефтегазоносных бассей-
нах, нефтепроизводящих свитах и т. п. Это классика нефтяной
геологии, которая дала свои блестящие практические результаты.
Но никоим образом нельзя сбрасывать со счетов то огромное
184
А. В. Сидоренко
количество живого и органического вещества былых биосфер и то
выделение остаточных углеводородов, которое происходит из недр
щитов и платформ после их перекрытия осадочным чехлом. Пора
поставить широкий научный поиск, а за ним и опорное бурение там,
где могли создаваться благоприятные условия для возникновения
соответствующих ловушек глобального углеводородного дыхания.
Как пример укажем, что такими резервуарами могли бы быть пере-
крытые зоны выклинивания рыхлых пород на склонах сводовых
поднятий фундамента, дезинтегрированные коры выветривания
фундамента, неметаморфизованный рифей и венд и т. п. Таким
образом, масштабы для геологического поиска значительно рас-
ширяются.
Примеров месторождений нефти и газа, залегающих в благо-
приятных коллекторах непосредственно на докембрийском цоко-
ле, перекрытом хорошими газонефтенепроницаемыми покрышка-
ми, теперь уже предостаточно в Сибири, Прибалтике, Африке, Аме-
рике и др. Не случайно также все отчетливее устанавливается
связь газовых и нефтяных месторождений с крупными глубинными
разломами, дегазирующими докембрийские толщи.
Не так давно Президиум АН СССР рассмотрел и одобрил иссле-
дования, проведенные большой группой геологов, геофизиков и
геохимиков и посвященные роли углеводородного дыхания докем-
брия в формировании геофизических и геохимических полей в зем-
ной коре. Суть работы заключается в том, что максимумы и мини-
мумы дегазации углеводородов докембрия совпадают во времени
с максимумами и минимумами сейсмогеологической активности.
Образно говоря, встряхивается Земля и докембрий отдает свои
остаточные углеводороды. Если учесть, что этот процесс проходил
сотни миллионов лет, когда формировались соответствующие
покрышки, задерживающие дегазацию платформ, то грандиоз-
ность этого явления выявится со всей очевидностью.
Были проведены специальные экспериментальные и натурные
исследования физических полей, полей и ареалов концентрации
газов, микроэлементов и бактерий, аномальных по отношению к
фону температур над нефтяными и газовыми месторождениями
многих нефтегазовых районов СССР. В результате установлено
новое, неизвестное ранее явление связи углеводородного дыхания
с геофизическим и геохимическим аномальным (повышенным или
пониженным) полем осадочного чехла. Таким образом, в руки
геологов даются новые теоретические предпосылки поисков
нефти и газа.
Углеводородное дыхание является только частью общей
проблемы «газово-жидко-рудного флюида», выделяющегося при
метаморфизме первичных осадочно-биогенных толщ докембрия.
Эта специальная тема металлогении докембрия была нами доло-
жена на Международном симпозиуме для развивающихся стран
Новое в учении о биосфере
185
(Москва, 1979). Здесь я скажу только, что целая серия различных
рудных месторождений свинца, цинка, меди, золота, урана, а также
горизонтов, обогащенных секущими рудными телами, может быть
более логично объяснена с позиций первичного накопления руд-
ных элементов в углеродсодержащих и других осадочных толщах
и последующего их метаморфизма. Это поможет нам глубже
понять металлогению докембрия — носителя преобладающей
части минерального сырья.
В этой статье мы пытались показать огромное значение биоли-
тогенеза — «былых» биосфер докембрия для геологии в целом.
Хотелось бы подчеркнуть, что настала пора по-новому осмыслить
значение метаморфизма, его причины, особенно энергетическую
часть процесса, для всей геологической истории, для формирова-
ния литосферы, понимания процессов рудообразования и даже
эндогенного породообразования. В геологических науках исследо-
вания метаморфизма осадочного и биогенного вещества еще не
получили того значения, которое ему, по нашему мнению, принад-
лежит.
Заканчивая статью, хочу остановиться на геологической роли
человека, превращении биосферы в ноосферу.
Ноосфера — это сфера взаимодействия природы и общества, в
пределах которой разумная деятельность человека становится
главным, определяющим фактором развития. Термин «ноосфера»
не новый, вместо него употреблялись и другие названия —техно-
сфера, антропосфера, социосфера. В. И. Вернадский внес в это
понятие материалистическое содержание, показав, что ноосфе-
ра — новая высшая стадия биосферы, связанная с возникнове-
нием и развитием в ней человечества, которое, познавая законы
природы и совершенствуя технику, становится крупнейшей
силой, сопоставимой по масштабам с геологическими процессами.
Появилась новая преобразующая сила природы, выразившаяся в
возникновении новых форм обмена веществом и энергией между
обществом и природой.
Я не буду приводить многочисленные примеры огромной геоло-
гической роли человека в земной коре. Замечу только, что аллю-
виальные отложения Волги (длина 3690 км, площадь бассейна
1360 тыс. км2) и геологические преобразования литосферы на
трассе БАМ (длина 3,2 тыс. км) по своим масштабам будут скоро
сопоставимы. Площадь водохранилищ с их своеобразными осад-
ками, геологическими и инженерно-гидрогеологическими услови-
ями превышает площадь всех современных озерных отложений
страны.
Ныне преобразующее влияние человека на природу огромно.
186
А, В. Сидоренко
Дальнейшее развитие экономики будет лимитироваться не только
обеспеченностью ее нужными природными ресурсами, но и «емко-
стью» природной среды, способной принять на себя определенную
нагрузку, с тем чтобы современная биосфера смогла без ущерба
переработать продукты его хозяйственной деятельности.
Сейчас много говорят и пишут об окружающей среде. Но нужно
всегда четко представлять, что это такое. Часто понятие об окру-
жающей среде в основном сводят к атмосфере, водным бассей-
нам, почвам, животному и растительному миру. Ни в коей мере не
умаляя значение этих составных частей природы, я хотел бы обра-
тить внимание на литосферу — земную твердь, на которой разви-
вается животный и растительный мир, с которой неразрывно свя-
заны водный и воздушный бассейны, на которой трудится человек.
Земная кора — одна из важнейших сред обитания человека,
ведущая и определяющая составная часть биосферы, и она
должна изучаться и охраняться как окружающая среда.
Технический прогресс и усиление антропогенных воздействий
на окружающую среду выявили скудость наших знаний об основ-
ных свойствах привычной и, казалось бы, хорошо изученной при-
роды, о формах и уровнях ее организованности, о структурных
механизмах ее саморегуляции. Выявились и ограниченность зна-
ний о результатах воздействия на окружающую среду, отсутствие
методов их прогноза и достаточно полного учета социально-эконо-
мических противоречий в природопользовании. Вследствие этого
осуществление крупных народнохозяйственных проектов (в гидро-
техническом строительстве, мелиорации, химизации сельского
хозяйства), направленных на получение большого технико-эконо-
мического эффекта, часто вызывало непредвиденные неблагопри-
ятные последствия в природе, снижающие социальный и экономи-
ческий эффект и требующие новых капитальных вложений.
В социалистическом обществе «управление средой» стано-
вится реальностью. Вот почему нам так необходимы исследование
естественных закономерностей развития биосферы, анализ реак-
ций ее компонентов на чужеродные воздействия разного
масштаба и определение пределов обратимости изменений био-
сферы.
Следует подчеркнуть сложный, многосторонний и междисци-
плинарный характер этих фундаментальных исследований.
От разума общества, от всех нас зависит теперь, как нам хозяй-
ничать на Земле, чтобы полнее удовлетворять потребности обще-
ства в природных ресурсах, чтобы всемерно их восполнять и нано-
сить при этом минимальный ущерб природе —твердой оболочке,
гидросфере, атмосфере и всему многообразию живых существ.
Мы должны думать о том, как мы будем строить новую биосферу,
которую оставим после себя будущим поколениям.
ФУДЗИО ЭГАМИ (Egami) — японский биохимик, заслу-
женный профессор биохимии Университета Нагоя, директор
Института наук о жизни (Мицубиси-Касеи, Токио), прези-
дент Международного общества но изучению происхожде-
ния жизни. Основное направление исследований — пред-
биологическая и ранняя биологическая эволюция на Земле.
К ПОДЛИННОМУ СОЮЗУ
БИОЛОГИИ И ФИЗИКИ
Повсеместно признано, что квантовая механика осуществила
слияние физики и химии в единую физическую науку. Часто говорят
также, что молекулярная биология объединила физическую и био-
логическую науку или устранила грань между ними.
Но я полагаю, что это переоценка молекулярной биологии. Сна-
чала я хотел бы отметить существенные особенности, характерные
для живых систем.
Вероятно, самая характерная их особенность — генетический
код, по существу, единый для всех земных организмов. Мне
кажется, что возникновение генетического кода — событие, име-
ющее исторический характер. Оно должно было зависеть не
только от физико-химических свойств нуклеотидов и аминокислот,
но и от физико-химических условий первичного окружения, в кото-
ром проходило формирование генетического кода. Ученые, иссле-
довавшие происхождение генетического кода с точки зрения
физики, до сих пор принимали во внимание только физико-химиче-
ские свойства тех или иных веществ и не смогли достигнуть успеха
188
Ф. Эгами
в изучении эволюции кода. Я думаю, эта проблема будет решена
только с учетом и условий среды, заключенных в определенные
пространственные и временные границы.
Далее. Фундаментальной характеристикой живых систем явля-
ется сохранение индивидуумов и видов и так называемые телеоно-
мические приспособительные структуры и свойства, отвечающие
задачам этого сохранения. Такие структуры и свойства не обнару-
жены в неодушевленных системах.
И, наконец, еще одно. В физической науке не только основные
законы, но даже и отдельные факты могут считаться истинными
для любого места Вселенной: так, молекула воды всюду состоит из
двух атомов водорода и одного атома кислорода. В этом смысле
физическая наука универсальна. Напротив, в биологии даже
самые фундаментальные свойства, такие, как клеточное строение,
не могут рассматриваться, как непременно присущие живым орга-
низмам на других, допустим, планетах. Главные составляющие
живых организмов на Земле — белки и нуклеиновые кислоты.
Нельзя утверждать, что в других местах в организмах также можно
будет найти эти соединения.
Итак, традиционная биология — это наука, сфера действия
которой не простирается на всю Вселенную, а ограничена Зем-
лей, т. е. это земная биология.
Следовательно, чтобы по-настоящему объединить физическую
науку с биологической, необходимо на физической основе как-то
преодолеть три основных различия между этими науками, иными
словами — между живыми и неодушевленными системами.
В этой связи рассмотрим сначала эволюционное учение и пале-
онтологию (иначе говоря, истории живых систем) и молекулярную
биологию, разъясняющую жизненные явления с физической точки
зрения. Каковы плюсы и минусы этих дисциплин?
Эволюционное учение и палеонтология сосредоточиваются на
тех особенностях, которые приводят к дифференциации организ-
мов, живущих в различных условиях, заключенных в определенные
пространственные и временные границы, но оставляют в стороне
фундаментальные характеристики живого и свойства, общие для
всех живых организмов на Земле. Они, например, рисуют расцвет
и упадок гигантских ящеров и эволюцию тропических и альпийских
растений, но не объясняют происхождение и развитие клеточной
структуры, самого основного свойства всех живых организмов.
Тем не менее эти науки заслуживают высокой оценки,
поскольку подчеркивают исторический характер событий и их
связь с определенными пространственно-временными условиями
среды.
К подлинному союзу биологии и физики
189
Молекулярная биология, в противоположность им, считает, что
явления жизни должны быть объяснены прежде всего как молеку-
лярные взаимодействия. Символ молекулярной биологии —теория
двойной спирали Уотсона и Крика. Действительно, она успешно
объяснила на основе молекулярных взаимодействий такое важное
свойство, как наследственность, самое фундаментальное биологи-
ческое явление.
Было показано, как известно, что важнейшим веществом гена
является ДНК, что ДНК имеет структуру двойной спирали, что гене-
тическая информация записана в ДНК в виде последовательных
четырех нуклеотидов и что основу наследственности и самовос-
произведения составляет взаимодействие молекул в ходе репли-
кации (повторения) ДНК. Это и в самом деле замечательное от-
крытие, и все же я нахожу в нем характерные черты ограниченно-
сти классической молекулярной биологии, занятой анализом мо-
лекулярных механизмов структуры и функции только ныне суще-
ствующих организмов. Исходный пункт — ДНК, такая, какой ее
находят в современных организмах. Молекулярная биология не
показывает ни тот исторический процесс, в ходе которого приро-
да использовала ДНК как вещество наследственности и записала
в ней наследственную информацию, ни того, каким образом при-
рода выбрала четыре нуклеотида для этой записи.
То же самое справедливо и для белков. Молекулярная биология
разъяснила взаимосвязь между аминокислотной последователь-
ностью, трехмерной структурой и каталитической активностью
ферментов. Но исторические процессы, приведшие к использова-
нию белков как биокатализаторов, неизвестны. Мы даже не знаем,
как природа выбрала те двадцать аминокислот, которые входят в
состав белков. Именно в этом слабая сторона классической моле-
кулярной биологии: она идет от пренебрежения историческими
процессами или условиями, заключенными в определенные про-
странственно-временные границы для живых организмов.
Третий пример— то, что мы знаем об АТФ. Известно, что
АТФ— самый важный резервуар энергии у всех живых организ-
мов. Мы знаем также молекулярный механизм освобождения энер-
гии путем расщепления фосфатной части АТФ. Однако ни биохи-
мия, ни молекулярная биология не проливают свет на исторический
процесс внедрения АТФ в биосферу.
Фундаментальными особенностями живых систем, как уже
говорилось, являются их телеономическая структура и способ-
ность к сохранению индивидуумов и видов. В связи с этим — еще
простой пример. Хорошо известно, что зависимость степени насы-
щения гемоглобина кислородом от давления кислорода выража-
ется сигмоидной кривой. Такой характер кривой целесообразно
приспособлен (телеономичен) для переноса кислорода. Молеку-
лярные биологи объясняют механизм сигмоидной кривой как след-
190
Ф. Эгами
ствие так называемого аллостерического эффекта. Но им без-
различно, какой исторический процесс привел к установлению
подобного телеономического свойства. Здесь мы опять видим
ограниченность той молекулярной биологии, которую я называю
классической.
Где же выход к более полному уяснению жизни и ее эволюции?
Не там ли, где произойдет истинное объединение физических и
биологических наук? Без этого, очевидно, не обойтись. А един-
ственный путь объединения — это познание с физической точки
зрения истории развития общих черт и телеономического харак-
тера организмов.
Как это можно осуществить?
Одним из путей, ведущих к такой цели, может стать изучение
химической эволюции, возникновения жизни и биологической
эволюции на основе молекулярных взаимодействий, что нераз-
рывно связано с астрофизикой и геофизикой, познающими общую
историю Вселенной. Тут граница между физической и биологи-
ческой наукой исчезнет.
Возникновение и развитие Вселенной, возникновение и разви-
тие Земли во Вселенной, возникновение и развитие жизни на
Земле — вот общий ход истории, приведший к ныне живущим орга-
низмам. Здесь для нас особенное значение имеет последний этап
истории, а именно— предшествовавшая возникновению жизни
химическая эволюция, возникновение жизни и последующее био-
логическое развитие. И основные черты, и телеономические свой-
ства ныне живущих организмов должны были возникнуть и укре-
питься в ходе общей эволюции на Земле. Как и когда это произо-
шло?
Становление некоторых основных черт, таких, как азотистые
основания, белковые аминокислоты и генетический код, должно
было произойти в ранний период развития, поскольку они практи-
чески едины для всех земных организмов. Затем последовало ста-
новление также единой для всех организмов клеточной структуры.
Позже возникли телеономические свойства, сохраняющие целост-
ность более высокоразвитых организмов, и, наконец, разум.
Какие физические механизмы обеспечили становление всех
этих черт? Если молекулярная биология захочет ответить на этот
вопрос, она должна будет принять во внимание физические факто-
ры, заключенные в определенные пространственно-временные
границы. Чем сложнее биологическое явление, тем в большей сте-
пени мы должны учитывать условия его становления.
Я уже отметил, что, даже рассматривая возникновение генети-
ческого кода, необходимо принимать во внимание конкретные
физико-химические факторы первичной окружающей среды. Тем
более нельзя обойтись без этого при изучении физических основ
разума, поскольку разум является вершиной накопления
К подлинному союзу биологии и физики
191
конкретных пространственно-временных условий. Исключать все
эти условия довольно бессмысленно и невозможно.
Итак, я предлагаю, начиная с изучения химической эволюции,
двигаться к ранней и последующей биологической эволюции, учи-
тывая физические условия окружающей среды. Таким путем
можно будет объединить биологические и физические науки. Или,
другими словами, биологическая наука станет «физической»
наукой для живых систем, приняв во внимание конкретные про-
странственно-временные условия.
❖ * #
Можно, однако, опросить: будет ли биология всегда земной
наукой и никогда — наукой в масштабе Вселенной? Возникнет ли
когда-нибудь единая биология?
Эволюционное учение, или дарвинизм, мы склонны рассматри-
вать как единственную универсальную концепцию в биологии,
поскольку ее можно кратко выразить следующим образом: жизнь
развивается в соответствии с внешними условиями. Организмы на
Земле развиваются в соответствии с земными условиями. Орга-
низмы на других планетах, если они там есть, должны развиваться
в соответствии с существующими там физическими условиями.
Значит, и там мы не откажемся от эволюционного учения в общей
его форме. Что-то (хотя далеко не все) окажется верным и в других
разделах биологии.
Становление единой биологии Вселенной сделает возможным
предсказание природы организмов на различных планетах на
основе информации о физических условиях на этих космических
телах в прошлом и в настоящем. Здесь возможны два подхода.
Первый заключается в поиске организмов на других планетах и в
изучении взаимосвязи между природой тех организмов и соответ-
ствующими физическими условиями. Это уже проводится для Мар-
са. В нашей галактике за пределами Солнечной системы найдется
немало планет, сходных по физическим условиям с Землей. Веро-
ятно, на некоторых из них также могут быть живые организмы. Но
в ближайшие годы у нас не будет возможности их изучать. Другой
путь — подробно исследуя (в качестве примера) химическую и био-
логическую эволюцию в физических условиях Земли, на основании
полученных данных постулировать общую гипотезу о взаимосвязи
между природой организмов и физическими условиями на той или
иной планете. Эксперименты «Викинга» до сих пор не смогли обна-
ружить на Марсе живые организмы, но это не значит, что их там нет
совсем. Физические условия Марса все более уточняются. На
основе этих физических данных можно судить о природе вероят-
ных марсианских организмов и предлагать новые методы их обна-
ружения.
192
Ф. Эгами
Как бы то ни было, поднять биологию на уровень единой науки
Вселенной — универсальной биологии — очень трудная задача.
Решить ее поможет объединение биологических и физических
наук, молекулярной биологии и биофизики, а также исследование
конкретных пространственно-временных условий развития. Эво-
люционное учение должно быть продолжено на периоды химиче-
ской эволюции и начала возникновения жизни. Это поможет
познать возникновение и развитие общих черт и целостных
свойств всех живых организмов.
РЭМ ВИКТОРОВИЧ ПЕТРОВ — иммунолог и иммуногенетик, доктор медицин-
ских наук, академик АМН СССР, заведующий отделом Института биофизики Мини-
стерства здравоохранения СССР, руководитель большой школы советских иммуно-
логов. Научные исследования посвящает задачам неинфекционной иммунологии и
иммуногенетики. Автор 7 научных монографий, а также научно-популярных книг
«Сфинксы XX века» и «Беседы о новой иммунологии».
РАХИМ МУСАЕВИЧ ХАИТОВ — иммунолог и иммуногенетик, доктор медицин-
ских наук, профессор, заведующий лабораторией иммуногенетики Института биофи-
зики Министерства здравоохранения СССР, автор 3 научных монографий. Основ-
ное направление исследований — создание искусственных антигенов и регулято-
ров иммуногенеза.
ВАКЦИНЫ БУДУЩЕГО
«Вакцины будущего» — так назвал свой доклад известный
иммунолог, ныне президент Международного общества иммуноло-
гов Майкл Села (М. Sela) на Парижской конференции, посвященной
150-летию со дня рождения великого Пастера.
Ровно век назад, в 1881 г., Пастер обосновал главный принцип
создания вакцин — предохранительных прививок, обеспечива-
ющих невосприимчивость к возбудителям заразных болезней.
Принцип состоит в том, что человеку или животному вводятся осла-
бленные или убитые микробы. Организм легко справляется с их
воздействием: в крови появляются иммунные белки — антитела,
способные разрушать не только ослабленные, но и полноценные
возбудители, нейтрализовать их яды. Все вещества микробной
клетки, включая и ядовитые, против которых вырабатываются
антитела, получили название антигенов.
194
Р. В. Негров, Р. М. Хаитов
С тех пор в иммунологии так и ведется: чтобы создать невоспри-
имчивость, необходимо выделить из микроба наиболее ответствен-
ные антигены и ими иммунизировать, то есть ввести их в организм.
Наилучшей вакциной был бы препарат, состоящий из смеси самых
ответственных микробных антигенов. Но выделенные из микроба и
очищенные антигены во многих случаях почему-то «не работают»
с той силой, как живые ослабленные микробы. Мало этого. Против
некоторых инфекций не удается получить вакцины и из живых
ослабленных микробов.
Иммунная система человека как бы не умеет создавать устой-
чивость против ряда антигенов и микроорганизмов. До сих пор нет
хороших факцин против гриппа, дизентерии, малярии, венери-
ческих болезней (гонорея, сифилис) и т. д. Отдаленной мечтой
представляется вакцина против рака.
Нужны новые подходы. Нужны новые принципы. Наука всегда
ищет все более эффективные и перспективные пути.
Но есть ли сегодня какие-либо перспективы создания вакцин
нового типа?
Принципы создания искусственных вакцин
Над проблемой создания новых эффективных вакцин в насто-
ящее время активно работают большие научные коллективы.
Мы расскажем о двух направлениях исследований, в которых
развиваются оригинальные, в корне отличающиеся от традицион-
ных, подходы к проблеме получения вакцин принципиально нового
типа.
Одно из этих направлений разрабатывается под руководством
М. Села и заключается в искусственном синтезе полиаминоки-
слотных структур, моделирующих природныех антигены. Об этих
интересных исследованиях мы потом скажем подробнее.
Другое направление исследований развивается по пути созда-
ния в полном смысле слова искусственных антигенов, не имеющих
аналогов в природе.
Принцип создания таких антигенов разработан в нашем отде-
ле и заключается в конструировании комплексных «неприродных»
макромолекул (на основе полностью искусственных синтетиче-
ских полимеров, обеспечивающих развитие мощной иммунной
реакции на прикрепленные к ним антигены).
Иначе говоря, суть задачи, которую мы ставим перед собой,
заключается в создании искусственных вакцин, которые должны
состоять не только из ответственных антигенов или из фрагментов.
Мактомолекулы искусственных вакцин должны содержать однов-
ременно и такую структуру, которая обеспечила бы мощную про-
дукцию антител к разнообразным антигенам, независимо от их при-
Вакцины будущего
195
роды и, следует специально подчеркнуть, от генетических особен-
ностей иммунизируемого организма.
Дело в том, что в образовании антител активное участие прини-
мает генотип, то есть наследственная структура каждого данного
организма. Один и тот же организм может быть «сильным» (высо-
кореагирующим) по отношению к одному антигену и «слабым» по
отношению к другому. Способность отвечать сильно или слабо на
данный антиген не приобретается в процессе жизни, а передается
по наследству в соответствии с законами Менделя. Образование
антител (иммуногенез) контролируется специальными генами. Они
получили название генов иммунного ответа (lr-гены). И если ген,
обеспечивающий способность к иммунному ответу на данный анти-
ген, у индивидуума отсутствует, то сколько ни вакцинируй такого
человека, антигены вырабатываться не будут.
Итак, еще одна сложнейшая задача: искусственные вакцины
должны обладать свойством стимулировать образование антител к
разным антигенам в любом организме, даже в генетически слабо
реагирующем или не реагирующем вовсе.
Сформулированный нами принцип создания искусственных
вакцин предполагает получение комплексных макромолекул, со-
стоящих из необходимой антигенной детерминанты (наиболее от-
ветственного антигена) и заданной искусственной части, обеспе-
чивающей независимость всей макромолекулы от силы или сла-
бости генетического контроля иммуногенеза и других иммунобио-
логических особенностей организма (о них см. ниже).
Этот принцип вырос и сформулировался из следующих исследо-
ваний. Вот уже несколько лет ведется поиск и изучение веществ,
стимулирующих иммунитет. Раньше иммунологи оценивали
эффект стимуляторов иммунитета только по количеству вырабаты-
ваемых антител, то есть по самому конечному этапу иммуногенеза.
Сейчас исследования проходят на качественно новой ступени. Мы
ищем стимулирующие иммунитет вещества, исследуя механизм их
действия на уровне отдельных клеточных событий, отдельных эта-
пов иммуногенеза, из которых складывается в целом иммунная
реакция.
Машина иммунитета
Главными действующими фигурами иммунной системы явля-
ются два типа лимфоцитов — Т- и В-клетки*. Антитела — продук-
* См. книги Р. В. Петрова «Беседы о новой иммунологии». М., «Молодая гвар-
дия», 1976; «Иммунология и иммуногенетика». М., «Медицина», 1976, а также его
статью «Взаимодействие клеток иммунной системы нашего организма» в ежегодни-
ке «Наука и человечество. 1981». — Ред.
196
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
ция В-лимфоцитов. Однако В-лимфоциты не могут вырабатывать
антитела в одиночку, без помощи Т-лимфоцитов. Они должны дей-
ствовать совместно, или, как говорят иммунологи, кооперативно.
Т- и В-лимфоциты образуются из так называемых стволовых
клеток — родоначальниц всех остальных клеток крови (эритроци-
тов, гранулоцитов, моноцитов, тромбоцитов, лимфоцитов). Стволо-
вые клетки, размножающиеся в костном мозге, выходят в кровь и,
циркулируя через различные лимфоидные органы, становятся лим-
фоцитами разных типов. Так, поступая в центральный орган иммун-
ной системы — тимус, стволовые клетки превращаются в лимфо-
циты тимусного происхождения (Т-клетки). Попадая в другой цен-
тральный орган иммунитета •— сумку Фабрициуса у птиц или ее
аналог у млекопитающих, — они превращаются в предшествен-
ники антителообразующих клеток (В-клетки). Новообразовавши-
еся Т- и В-лимфоциты расселяются в периферических лимфоидных
тканях (селезенке, лимфатических узлах) и мигрируют почти по
всем тканям, органам и жидкостям организма. Способность к
миграции является важнейшим атрибутом лимфоцитов в осуще-
ствлении функции иммунологического надзора, так как именно
подвижные клетки имеют возможность к контакту с носителями
антигенной чужеродности, в том числе с опухолевыми клетками,
почти в любых участках организма. При помощи рецепторов, рас-
положенных на поверхностной мембране лимфоцитов, они бук-
вально «прощупывают» все ткани в организме, распознавая свое
и чужое.
Без такой миграционной способности клеток иммунной си-
стемы были бы невозможны процессы дифференцировки и вза-
имодействия лимфоцитов, в конечном итоге определяющих разви-
тие иммунного ответа.
Надо сказать, что, помимо Т-клеток — помощников, включаю-
щих процесс синтеза антител в В-клетках, есть Т-клетки-супрес-
соры. Т-супрессоры обладают поразительным свойством — спо-
собностью угнетать синтез антител по механизму обратной связи.
Именно благодаря деятельности Т-супрессоров иммунный ответ
не повышается и не длится бесконечно. Однако у особей с гене-
тически детерминированной слабостью иммунного ответа наряду
с дефектом функции Т-помощников наблюдается усиление актив-
ности Т-супрессоров. Ясно, что Т-клетки играют регулирующую
роль в иммунной системе, включая В-клетки в антителогенез или
подавляя их работу.
Т- и В-лимфоциты живут в органах иммунной системы по
разным «адресам». Однако это не препятствует их кооперации, так
как Т- и В-клетки (еще раз подчеркнем) постоянно мигрируют,
задерживаясь в участках скопления антигена. Здесь они коопери-
руются друг с другом для синтеза антител. Таким образом, без
клеточной миграции и кооперации выработка антител невозможна.
Вакцины будущего
197
Именно эти данные и послужили отправным моментом для постро-
ения рабочей гипотезы о том, что вещества, стимулирующие
миграцию и кооперацию Т- и В-лимфоцитов, должны стимулиро-
вать и иммунитет.
Для проверки этой гипотезы в многочисленных опытах на спе-
циально разработанных модельных системах были изучены разно-
образные вещества: нуклеиновые кислоты, гормоны, экстракты
некоторых растений, вещества, влияющие на свертываемость кро-
ви, синтетические полимеры. Исследования показали реальность и
перспективность принципа. Был отобран и изучен целый ряд
веществ, влияющих на те или иные конкретные этапы развития
иммунной реакции. Внимание привлекли синтетические полимер-
ные соединения, обладающие удивительными свойствами. В
исследованиях, проведенных сотрудниками нашего отдела
совместно с группой химиков (В. П. Евдаков, М. И. Мустафаев,
А. Н. Гвоздецкий и И. Н. Савинова), возглавляемой членом-кор-
респондентом АН СССР В. А. Кабановым, было обнаружено: мощ-
ными стимуляторами миграции стволовых клеток, из которых
вырабатываются Т- и В-лимфоциты, а также миграции самих Т- и
В-лимфоцитов и их кооперации являются синтетические полиэле-
ктролиты поливинилпиридины (поликатионы) и полиакриловая
кислота (полианион). Достаточно сказать, что введение в систему
кооперирующихся Т- и В-лимфоцитов поли-4-винилпиридина при-
водит к 5-кратному увеличению числа антителообразующих клеток,
а полиакриловой кислоты — в 10—15 раз. В норме из костного
мозга мыши в сутки мигрирует около 2% стволовых клеток.
Инъекция поликатиона или полианиона увеличивает эту цифру в
3—6 раз.
Примечательно, что полиэлектролиты снижают активность
Т-супрессоров, блокирующих иммунный ответ.
Как и ожидалось, введение этих полимеров мышам, крысам,
кроликам и собакам резко повышает иммунный ответ к различным
антигенам, в том числе выделенным из ряда микробов.
Синтетические полиэлектролиты
замещают функции Т-помощников
Один из самых интригующих фактов был получен в эксперимен-
тах на так называемых Т-дефицитных мышах. Этих мышей получа-
ют, удаляя у них тимус — орган, где образуются Т-лимфоциты.
Такие животные служат моделями встречающегося у человека
недоразвития или полного отсутствия тимуса. Дети, родившиеся
без тимуса, быстро погибают от инфекций и опухолей, так как у них
отсутствуют Т-клетки, и иммунитет (даже при иммунизации силь-
ными вакцинами) не возникает. Оказалось, что синтетические
198
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
полиэлектролиты, введенные Т-дефицитным животным, повышают
у них способность к выработке антител в 20—50 раз. Иначе
говоря, полиэлектролиты могут замещать функцию Т-лимфоцитов-
помощников!
Весьма значительный Т-дефицит развивается при старении, что
связано с возрастной атрофией тимуса. Именно нехваткой Т-лим-
фоцитов объясняются многие болезни пожилого возраста.
Поскольку полиэлектролиты замещают Т-лимфоциты, было бы
логично попытаться корректировать с их помощью и возрастной
иммунитет.
Оказалось, что одна-единственная инъекция поли-4-винил-
пиридина старым животным, у которых способность к выработке
антител снижена в десятки раз, полностью восстанавливает у них
иммунный ответ. Происходит как бы омоложение старой иммун-
ной системы.
Пока это эксперименты, но они обещают дать ценные резуль-
таты для клинической иммунологии.
Полученные факты имеют большой биологический смысл.
Выше уже говорилось о генетическом контроле иммунного ответа.
Установлено, что действие генов иммунного ответа проявляется
главным образом на Т-лимфоцитах. Другими словами, продукты lr-
генов «выражены» на Т-клетках в значительно большей степени,
чем на других клетках, принимающих участие в иммуногенезе. Это
было показано в опытах следующего рода. Особи, неспособные к
иммунному ответу, например на антиген А, по генетическим причи-
нам, после трансплантации им Т-клеток (от реагирующей на анти-
ген А особи) становятся способными отвечать на данный антиген.
Иначе говоря, неотвечающая особь как бы превращается в отвеча-
ющую, т. е. наблюдается явление, называемое фенотипической
коррекцией.
Таким образом, для достижения иммунизирующего эффекта у
низкореагирующих на данный антиген организмов (для превраще-
ния малоантигенных субстанций в сильные антигены) необходим
поиск способов фенотипической коррекции, т. е. способов «обхо-
да» генетического контроля. Гены иммунного ответа — lr-гены
реализуют свое действие через систему Т-лимфоцитов, включа-
ющих В-лимфоциты или тормозящих их включение в антителоге-
нез.
Следовательно, одним из путей «обхода» является обеспече-
ние Т-независимости иммунного ответа на интересующий антиген.
Помимо обусловленной lr-генами иммунологической «неотвеча-
емости», в настоящее время известен целый ряд врожденных и
приобретенных в течение жизни иммунодефицитных состояний,
при которых пороки развития лимфоидной системы локализуются
на уровне Т-клеток. Следовательно, использование поликатионов
и полианионов в качестве воздействия, обеспечивающего тимус-
Вакцины будущего
199
независимость иммунного ответа, открывает перспективы как в
плане стимуляции Т-дефицитного иммунного ответа при иммуно-
дефицитных заболеваниях, так и для коррекции, искусственного
исправления генетической неспособности к образованию антител
(фенотипическая коррекция).
Экспериментальной моделью врожденного Т-дефицита служат
мыши, называемые Nude (голые), которые рождаются без тимуса.
У них гены, контролирующие формирование и развитие тимуса,
сцеплены с генами, обеспечивающими рост шерсти. Поэтому
отсутствие шерсти является маркером (показателем) врожденного
недоразвития или полного отсутствия тимуса. «Лечение» голых
мышей полиэлектролитами в значительной степени восстанавли-
вает у них способность к иммунному реагированию.
Для фенотипической коррекции иммунного ответа использо-
вали мышей разных генетически чистых (инбредных) линий. Все
мыши какой-либо одной линии являются полными генетическими
копиями друг друга. В 17-й хромосоме у мышей в определенном
участке локализована генетическая система, в которой распреде-
лены и гены иммунного ответа. Так как генетическая карта этого
участка хромосомы хорошо изучена, можно подобрать линии
мышей таким образом, что, например, все особи одной линии будут
успешно реагировать на антиген А (высокая реагируемость), но не
будут развивать иммунный ответ на антиген Б (низкая реагиру-
емость), и наоборот.
Оказалось, что введение мышам низкореагирующих линий
поли-4-винилпиридина превращает их в высокоотвечающих, т. е.
они приобретают способность фенотипически (внешне, без свя-
зи с генотипом) реагировать на иммунизацию с такой же интен-
сивностью, как особи высокореагирующих линий.
Уже говорилось, что обеспечение тимуснезависимости иммун-
ного ответа одновременно означает преодоление генетически обу-
словленной или приобретенной иммунологической «неотвечаемо-
сти», локализованной на уровне Т-клеток. То же самое можно
сказать и в отношении проблемы создания синтетических тимусне-
зависимых антигенов.
На основании описанных выше исследований и был сформули-
рован принцип создания иммунизирующих препаратов нового
типа — макромолекул, составленных из необходимой антигенной
детерминанты и искусственного полиэлектролита, обеспечива-
ющего стимуляцию иммуногенеза и тем самым Т- и lr-независи-
мость всей молекулы.
Искусственные полиэлектролиты
Что же это за вещества, поли-4-винилпиридин и полиакриловая
кислота? Приставка «поли» означает, что эти полимеры —хими-
200
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
ческие соединения с высокой молекулярной массой. Их молекулы
состоят из многократно (поли) повторяющихся одних и тех же груп-
пировок — мономерных звеньев. Молекулярная масса этих цепо-
чек может быть 10 000, 100 000, 1 000 000, то есть они в 10 тыс. —
1 млн. раз тяжелее атома водорода*. Напомним, что крупные
белки имеют молекулярную массу от 100 до 900 тыс. Гигантские
молекулы полимеров синтезируются последовательным присоеди-
нением молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к
активному центру на конце растущей цепи.
Полимеризация была открыта еще в середине прошлого века.
Тогда же были выделены первые полимеризующиеся мономеры
(стирол, акриловая кислота и др.). Поли-4-винилпиридин и полиа-
криловая кислота являются полиэлектролитами — полимерами,
способными приобретать в растворах множественные электриче-
ские заряды. При этом в одной макромолекуле возникает большое
число периодически повторяющихся зарядов — соответственно
звеньям, составляющим гигантскую молекулу. Заряды могут быть
анионами — отрицательно заряженными ионами, движущимися в
электрическом поле к положительному электроду — аноду, или
катионами — положительно заряженными ионами, движущимися
к катоду. По тому, какие именно заряды возникают на полимерной
цепи, все пол и электролиты делятся на полианионы, поликатионы и
полиамфолиты. Для последних характерно наличие и тех и других
групп.
Общая формула полиэлектролитов, влияющих на иммуногенез:
(-сн2-сн-)п
соон
Поли-4-винилпиридин
(полиоснование,
в водном растворе
становится
поликатионом)
Полиакриловая кислота
(поликислота, в
растворе—пол и ан ион)
* Точнее, У16атома кислорода, поскольку именно она принята за единицу атом-
ного веса.
Вакцины будущего
201
(„сн2-сн-)п -(-сн2-сн-)т
сн3
Сополимер 2-метил-5- винилпиридина
и акриловой кислоты (полиамфолит)
К полиэлектролитам относятся не только искусственно создан-
ные молекулы, но и важнейшие природные биополимеры — белки
и нуклеиновые кислоты. Анионами в растворах белков становятся
карбоксильные группировки ( —СООН), а катионами— амино-
группы ( —NH^. Некоторые аминокислоты относятся к катионам,
например лизин, а другие — к анионам (аспарагиновая и глутами-
новая кислоты). Белковые молекулы представляют собой поли-
амфолиты. Плазма крови — это сложный раствор электролитов,
широко распространенных в природе. Использованные в наших
исследованиях синтетические полиэлектролиты — полиакрило-
вая кислота и поли-4-винилпиридин — аналогов в природе, как уже
сказано, не имеют, то есть являются полностью искусственными.
Очень интересное и важное свойство синтетических неприрод-
ных полиэлектролитов — их способность к образованию комп-
лексов с белками и полисахаридами*. Но ведь именно белками
и полисахаридами представлены антигены возбудителей инфек-
ционных заболеваний. Антигены опухолей также белки. А что, ес-
ли получить искусственный комплекс полиэлектролит — белок?
Какие биологические свойства проявит такой комплекс, учитывая
мощное стимулирующее действие полиэлектролита на иммуни-
тет? Забегая вперед, скажем, что работа в этом направлении при-
вела к синтезу искусственных макромолекул с поразительными
качествами. Но об этом позже.
Трудность таких исследований заключалась в том, что комп-
лексы синтетических полиоснований и поликислот с белками,
возникающие в условиях опыта in vitro, оказываются крайне
неустойчивыми при физиологических значениях pH и ионной си-
* Подробно см. статьи В. Кабанова и соавт. в журналах «Молекулярная биоло-
гия», 1977, т. I I, с. 582 и «Доклады АН С ('( Р», 1978. т. 243, с. 1330.
202
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
лы и, естественно, разрушаются при введении в организм. Поэто-
му химики (В. А. Кабанов, М. И. Мустафаев) задались целью
синтезировать такие полимеры, которые формировали бы устой-
чивые комплексы с белками, не разрушающиеся в условиях
живого организма и одновременно обладали бы всеми иммуно-
стимулирующими свойствами описанных выше полиэлектроли-
тов. Задача была решена следующим путем. Цепочки поли-4-
винилпиридина нагрузили боковыми радикалами, которые обес-
печили возникновение прочных связей с белковыми макромоле-
кулами. Эти радикалы (R) представлены углеводородными груп-
пами:
(-ОН 2-СН-)п -(ОН 2 -СН-) m
где R: С 2 Н 5, или С 8 Н , или С10 Н 21 , или С16	33 и пр.
Выявилась интересная закономерность: если число атомов
углерода в этих радикалах ниже 10, то они образуют комплексы с
белком за счет электростатических связей. Эти связи слабые и
разрушаются в условиях организма. Достаточно прочные гидро-
фобные (водоотталкивающие) связи с глобулами белка обеспечи-
вают радикалы, в которых число атомов углерода равно или
больше 10. Комплексы белка с полиэлектролитами, несущими
гидрофобные радикалы, отличаются прочностью и не распадаются
при введении в организм. Следует отметить, что чем больше
атомов углерода в боковых радикалах, тем сильнее взаимодей-
ствие между полиэлектролитом и гидрофобными участками белко-
вых молекул.
Схема строения комплексов полиоснования (поликатиона) с
белком (альбумином сыворотки крови быка) показана на рис. 1.
Как видно, глобулы альбумина в каждой частице комплекса нахо-
дятся в контакте друг с другом, обвитые поликатионом-носителем.
Некоторые гидрофобные радикалы поликатиона связаны с гидро-
фобными участками белковых глобул, другие контактируют друг с
другом, стабилизируя структуру в целом. Фрагменты поликатиона.
Рис. 1. Схема строения искусственного антигена, состоящею из
частиц комплексов альбумина (овальные глобулы) с поликатионом
(длинная изогнутая нить), нагруженным боковыми углеродными
р ад и к ал а м и (з и гз аги)
не содержащие гидрофобных групп, частично находятся в виде
свободных петель, «растворенных» в воде, а частично образуют
солевые связи с отрицательно заряженными группами на поверх-
ности глобул белка.
Количество белковых глобул в комплексах можно регулировать
как путем изменения количества и качества углеводородных ради-
калов в пределах цепочки полимера, так и посредством удлинения
самой полимерной цепи.
Сборка антигенов на полиэлектролитах
Итак, «неприродные» полиэлектролиты активно влияют на
иммунитет. Введение животным чисто синтетических полианион-
ных или поликатионных соединений усиливает отдельные этапы
иммуногенеза. В конечном итоге эти соединения интенсифици-
руют иммунный ответ. Естественно, возникла мысль, о которой мы
уже говорили: если слабый антиген присоединить к макромоле-
куле полимера, стимулирующего выработку антител и обеспечива-
ющего тимуснезависимость, то такая «комбинированная» моле-
кула должна идеально сочетать в себе как антигенную специфич-
ность, так и стимулирующие свойства. Не путь ли это к проблеме
создания «суперантигенов»?
204
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
Была предпринята попытка создания такого искусственного
синтетического антигена на основе макромолекулы поли-4-винил-
пиридина:
В качестве антигенной детерминанты при этом было использо-
вано простое химическое соединение — тринитрофенильная груп-
пировка. Вещества типа тринитрофенила называются гаптенами.
Сами стимулировать иммунный ответ, т. е. выработку антител,
они не могут, пока не присоединятся к белку или другой природной
макромолекуле. Мы присоединили тринитрофенильную группи-
ровку к «неприродной» молекуле поли-4-винилпиридина. И полу-
чили антиген с поразительными свойствами! Легко удалось выра-
ботать антитела против гаптена, присоединенного к очень про-
стому полимерному соединению. Обычно антитела к гаптену на
природных носителях образуются при условии дополнительной
стимуляции организма специальными веществами (так называ-
емыми адъювантами). При иммунизации же гаптеном, введенным в
молекулу поли-4-винилпиридина, такая стимуляция не требуется.
И, наконец, выработка антител против синтезированного нами
антигена, как оказалось, не зависит от тимуса, в Т-клетках не
нуждается. Иммунизированные синтетическим антигеном Т-дефи-
цитные животные вырабатывают такое же количество антител или
даже больше, чем здоровые. При иммунизации тем же самым
гаптеном, введенным не в поли-4-винилпиридиновую молекулу, а в
молекулу белка, Т-дефицитные животные без дополнительной сти-
муляции их адъювантами антител не образуют.
В последующих работах в качестве модельного антигена ис-
пользовали белок, о котором уже упоминалось, — бычий сыво-
роточный альбумин (БСА). БСА — весьма слабый антиген, вызы-
вает иммунный ответ только после многократных иммунизаций
животных при условии дополнительной стимуляции адъювантами.
Ожидалось, что присоединение БСА к молекулам полиэлектроли-
Вакцины будущего
205
та обеспечит индукцию повышенного иммунного ответа к белко-
вой детерминанте этого искусственного антигена. Искусственные
антигены готовили в виде комплекса БСА с поликатионом, возни-
кавшего за счет слабых электростатических или более сильных
гидрофобных связей, либо в виде так называемого конъюгата, где
БСА ковалентно, наиболее сильно связан с поликатионом.
В качестве полимера-комплексообразователя был выбран
сополимер 4-винил-М-этилпиридин и 4-винил-М-цетилпиридиний
бромидов:
Этот выбор определялся тем, что представленный сополимер в
области нейтральных pH потенциально способен комплексировать
с БСА как путем образования электростатических солевых связей
за счет этильных (С5) радикалов, так и гидрофобных взаимодей-
ствий цетильных (С1еН33) радикалов с неполярными участками
белковых глобул. Поэтому в данном случае можно было ожидать
формирования особенно прочных комплексов белок —
полиэлектролит, не диссоциирующих при физиологических
значениях ионной силы. В частицах комплекса каждый поликатион
(длиной в 1000 звеньев) в водном растворе связывает две моле-
кулы белка.
Изучая синтез высокоиммуногенных антигенов путем соедине-
ния специфических детерминант со стимулирующими полиэле-
ктролитами-носителями, было также существенным оценить
эффективность использования здесь ковалентных химических
связей. Такая оценка важна как для теории антигенного действия,
так и с практической точки зрения в плане создания соединений
максимальной прочности. Наличие в макромолекулах сополимера
4-винилпиридина и 4-винил-М-цетилпиридиний бромида свободных
карбоксильных групп позволило осуществить их истинно химиче-
ское ковалентное связывание с аминогруппами молекулы БСА
через стадию активации карбодиимидом. Строение такого поли-
электролита-носителя можно представить формулой:
206
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
СН2СООН
Иммунизация животных полученными искусственными антиге-
нами вызывает иммунный ответ, величина которого в 50—100 раз
выше, чем при иммунизации чистым БСА. Чрезвычайно сильно
повышенную иммуногенную способность искусственного антиге-
на, полученного присоединением белковых макромолекул к поли-
электролиту, нельзя объяснить действием полимера как обычного
иммуностимулятора. Действительно, при раздельном введении
животным белка и полиэлектролита или введении неустойчивых
комплексов, разрушающихся в организме, тоже наблюдается уси-
ление иммунного ответа. Однако это усиление иммуногенеза
несоизмеримо по величине с иммунным ответом, возникающим
при иммунизации комплексом белок—полиэлектролит, где при-
соединение антигена осуществлено за счет гидрофобных или
ковалентных связей.
Таким образом, синтезированные комплексные макромолекулы
можно рассматривать как необычайно сильный искусственный
антиген — продукт сборки из белка и синтетического полиэлектро-
лита, каждый из которых в отдельности либо не иммуногенен
(поликатион), либо слабо иммуногенен (альбумин). Необходимое
условие реализации иммуностимулирующего действия полиэле-
ктролитов, соединенных с молекулой антигена, — достаточная
устойчивость этого комплексного соединения в условиях организ-
ма.
Есть серьезные основания полагать, что описанные принципы
можно будет распространить на антигены вирусов и микробов.
Петля на носителе
Весьма интересный и оригинальный подход к решению про-
блемы синтетических вакцин разрабатывает М. Села. Он предла-
гает, как говорилось выше, искусственно синтезировать уникаль-
ные молекулярные структуры из ответственных антигенов (ан-
Вакцины будущего
207
Рис. 2. Схема основной цепи одною hj яичных белков кур — лизоцима. Область
лизоцима, включающая пептидную «петлю», окружена пунктиром. Цифрами обозна-
чена последовательность аминокислотных остатков
тигенных детерминант), каждый из которых характерен для того
или иного возбудителя инфекционной болезни. Из нескольких
таких фрагментов, считает Села, можно будет сконструировать
макромолекулу. Такие макромолекулы явятся синтетическим ана-
логом поливалентной вакцины, иммунизирующей сразу против
нескольких болезней.
Реально ли это? Да. Но на сегодняшний день мыслимо лишь для
тех антигенов, иммунизирующая способность которых не умень-
208
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
Рис. 3. Схема синтезированной пептидной петли лизоцима (см. рис. 2), содержащей
аминокислотные остатки 64—82 (Cys — цистеин, Asn — аспарагин. Asp — аспара-
гиновая кислота, Ala — аланин и др.). Вверху — разомкнутая петля, внизу — зам-
кнутая но линии Cys—Cys. Этот фрагмент лизоцима вызывает образование антител
в организме
Вакцины будущего
209
шается при использовании убитых вакцин. Для остальных антиге-
нов вопрос остается открытым.
Особенность иммунной защиты такова: при вакцинации против
различных инфекционных возбудителей в организме появляются
антитела против специфических фрагментов антигена, размещен-
ных на поверхности возбудителя. Иначе говоря, организм выраба-
тывает антитела не против целого вируса или микроба, а против
конкретных уникальных молекулярных структур. Это было учтено.
Свои исследования Села начал с изящных молекулярно-
иммунологических экспериментов. Напомним, что в белке кури-
ного яйца содержится удобный для исследования антиген — лизо-
цим. Его первичная и пространственная структура хорошо изучена.
Села выделил фрагмент молекулы лизоцима, состоящий из остат-
ков 24 аминокислот, последовательно соединенных друг с дру-
гом, — так называемую «петлю» (рис. 2). Такая изолированная
петля, прикрепленная к синтетической макромолекуле-носителю и
введенная в организм, вызывает образование антител к лизоциму.
В качестве носителя были использованы искусственные аналоги
белковой молекулы — полиаланин и полилизин (естественные
белки представляют собой цепочки из разных аминокислот, а
полиаланин или полилизин — цепочка, все звенья которой одина-
ковы, составлены из одной аминокислоты аланина или соответ-
ственно лизина).
Дальше самое интересное. Поскольку аминокислотная после-
довательность петли была известна, синтезировали несколько ее
отдельных частей. Иммунизация этими отдельными синтетиче-
скими продуктами, прикрепленными к носителю, показала, какая
именно часть самая ответственная, какой фрагмент приводит к
образованию антител (рис. 3). Причем полученные таким спосо-
бом антитела ничем не отличались от вырабатываемых в ответ на
природный продукт.
Села наглядно доказал возможность использования синтезиро-
ванных аналогов природных антигенов для выработки антител,
которые способны реагировать с природными антигенами.
Ясно, что такие же результаты могут быть получены с разнооб-
разными белками, аминокислотная последовательность которых
известна. Успехи в этой области научных исследований будут зави-
сеть от прогресса в изучении первичной и третичной структуры
белковых оболочек различных вирусов и микробов. Первая
попытка получения синтетической вакцины против вируса увенча-
лась успехом. Синтезирован фрагмент белковой оболочки вируса
колифага MS-2, поражающего кишечную палочку. Эту синтезиро-
ванную искусственную детерминанту прикрепили к полиамимо-
кислотному носителю — полиаланину. Иммунизация кроликов по-
лученным антигеном в условиях дополнительной стимуляции
адъювантом вызывает образование антител с вируснейтрализую-
210
Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
Рис. 4. Модели природных и искусственна, •. полимеров. Вверху — фрагмент поли-
пептидной (белковой) цепи со свободными валентностями (они выглядят как розетки
электросети) для присоединения радикалов. К этим «розеткам» присоединяются
аминокислотные остатки, и молекула белка готова. Внизу — фрагмент искусствен-
ной поливиниловой цепи. К свободным «розеткам» могут присоединяться карбо-
ксильные группы (—СООН), и тогда образуется полиакриловая кислота, а может —
пиридин, и тогда получится поливинилпиридин. Цепи различаются между собой в
основном тем, что верхняя состоит из атомов углерода и азота (—С—С—N—), а
нижняя — только из атомов углерода (—С—С—С—). Свободные валентности в
первом случае замещены водородом и кислородом, а во втором — водородом.
щей активностью. Образовавшиеся антитела ничем не отличают-
ся от антител, вырабатываемых в ответ на вакцинацию вирусов.
Вакцины без балласта
Важное преимущество новых принципов создания вакцин
состоит в том, что получаемые продукты не будут содержать
балластные вещества, загрязняющие все без исключения нынеш-
ние вакцины. Действительно, убитые микробы (или выделенные из
них белки, полисахариды и прочие соединения) включают в себя
сотни антигенов. В современных вакцинах, как правило, не содер-
жится и одного процента ответственных антигенов. А это значит,
что иммунная система при вакцинации более чем на 99% «прокручи-
вается вхолостую», вырабатывая антитела против балластных
Вакцины будущего
211
антигенов. Именно эти ненужные антитела и обусловливают
осложнения (аллергии и т. д.) при вакцинации.
Другое преимущество — конструирование задуманных, кон-
кретно необходимых вакцинирующих молекул. Скажем, 5—10
определенных (детерминантных) характеристик различных болез-
ней прикрепляются на одну синтетическую макромолекулу и ис-
пользуются для иммунизации. Все эти детерминанты замещают
современные вакцины очень небольшим числом соответственно
сконструированных макромолекул. Таким образом, методами
молекулярной инженерии, по-видимому, могут быть построены
разнообразные варианты поливалентных синтетических вакцин.
Это «кажется сегодня сном», сказал Села. Сбудется ли он?
Надо сказать, что синтез отдельных молекулярных структур
ответственных антигенов и их сборка на одной макромолекуле —
еще не окончательное решение проблемы создания эффективных
вакцин. «Штампы» для создания синтетических вакцин Села пред-
лагает брать у природы. В докладе на III Международном кон-
грессе иммунологов в Сиднее в 1977 г. он говорил: «Мы должны
копировать природу не в целом, а частями». Копировать природ-
ные молекулярные структуры предполагается методами молеку-
лярной инженерии. Но неизвестно, будет ли успешным этот прин-
цип для изготовления синтетических вакцин против всех микробов
и вирусов. Если вспомнить, что выделенные из микроорганизмов
антигены (а Села предполагает создавать копии фрагментов
именно этих антигенов) не иммунизируют столь же эффективно,
как живые ослабленные микробы, то, очевидно, эта же закономер-
ность проявится и в вакцинах «искусственной сборки». Кроме того,
против многих инфекций не удается создать вакцины из живых
ослабленных микроорганизмов. Впереди, очевидно, переход от
модельных антигенов к реальным микробам...
Так были сделаны первые шаги на пути конструирования синте-
тических антигенов нового типа. Если антигены ряда инфекцион-
ных агентов, против которых иммунитет не развивается или прояв-
ляется слабо (или их отдельные детерминанты, присоединенные к
макромолекулам полиэлектролитов) будут вызывать эффективную
иммунную защиту, наш принцип создания вакцинирующих молекул
явится одним из подходов к решению проблемы создания самых
разнообразных синтетических вакцин будущего.
Использованные нами синтетические полиэлектролиты анало-
гов в природе не имеют (рис. 4). Они не являются искусственным
воспроизведением белковой молекулы или ее части и не укладыва-
ются в принцип «копирования природы». Сейчас трудно предска-
зать, какой принцип конструирования вакцин в будущем окажется
более эффективным— принцип «имитации природы» или поиск
«неприродных молекул» с закладываемыми в них искомыми каче-
ствами, — ясно одно, что такие принципы будут найдены. И тогда
212	Р. В. Петров, Р. М. Хаитов
действительно можно будет производить «сборку» антигенных
детерминант различных микробов и вирусов на одной полимерной
цепочке. Эта цепочка должна обеспечить развитие мощного
иммунного ответа на все использованные антигены. Раковые анти-
гены, как известно, настолько слабы, что не могут вызвать эффек-
тивную иммунную реакцию против опухоли. Не исключено, что
«комплектация» раковых антигенов молекулами стимулирующих
полимеров позволит разработать вакцину и против рака.
Области возможного применения синтетических вакцин бес-
предельны. Однако следует помнить, что все вышесказанное —
пока еще научный поиск, и исследования еще не вышли за рамки
эксперимента. Необходима дальнейшая серьезная работа, чтобы
сформулированные принципы создания синтетических антигенов и
вакцин стали реальностью.
ЖАН КЛОД САЛОМОН (Salomon) — французский иммуно-
патолог, профессор, руководитель работ в Национальном
научно-исследовательском центре в Вильжюифе, заведую-
щий лабораторией иммунопатологии Научно-исследователь-
ского института рака. Исследует естественный механизм
защиты организма против возникновения рака и экспери-
м с н т а л ь н у ю ан тиопух о левую те р а п и ю.
ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ
И ИХ ЛЕЧЕНИЕ
Рак — это заболевание всего организма, начинающееся мест-
но. В каком-то органе или в какой-то ткани клеточная популяция,
возникшая, по-видимому, из одной клетки, становится непохожей
на нормальные ткани. В таких случаях говорят, что клетки этой
популяции подверглись трансформации, и их называют опухолевы-
ми. Такие клетки располагаются менее упорядоченно, чем клетки
нормальной соседней ткани. Они проникают в здоровые ткани
инвазивным или метастатическим путем, т. е. внедряются в них или
переносятся с кровью и лимфой из первичного очага. В этом
случае их называют злокачественными. Эта склонность к распро-
странению— очень важная черта рака, отчего со временем он
становится заболеванием всего организма.
Как правило, диагностика рака основывается либо на непосред-
ственном клиническом или радиологическом обнаружении опухоли
или ее метастазов, либо на появлении местных симптомов в
результате сдавливания соседних органов, закупорки пищевари-
тельного канала или кровеносного сосуда. Для раннего обнаруже-
214
Ж. К. Саломон
ния опухоли пытаются судить о ее присутствии по некоторым
биологическим признакам, которые появляются еще тогда, когда
клеточная масса опухоли мала и не позволяет выявить ее клини-
чески или рентгенологически. Такие биологические признаки,
позволяющие идентифицировать опухоли, называются маркерами.
Ранняя диагностика рака, основанная на присутствии маркера,
является вторичной профилактикой, которая предупреждает не
возникновение заболевания, а его неблагоприятное течение. Бла-
годаря ранней диагностике этого местного, но имеющего тенден-
цию к распространению заболевания, лечение его может быть
местным. Но в большинстве случаев все же находят нужным соче-
тать местное лечение рака с общим.
Будущее профилактики
Профилактика рака в будущем представляется многообразной.
Она будет направлена, с одной стороны, на защиту населения от
канцерогенных агентов внешней среды (химических веществ,
ионизирующего излучения, вирусов), с другой стороны, на устране-
ние внутренних канцерогенных факторов, связанных с особенно-
стями питания и с нарушением физиологических механизмов,
чтобы не допустить злокачественную трансформацию и развитие
раковых клеточных популяций.
Наконец, возможно применение в профилактических целях
противоракового лечения, назначаемого сегодня только в случаях
развитых опухолей.
В настоящее время возлагаются большие надежды на система-
тическое исследование значительного числа химических веществ
с помощью бактериальных тестов. Эти тесты основаны на том
факте, что канцерогенные химические вещества являются мутаге-
нами, а наблюдение за мутациями проще и занимает меньше
времени, чем наблюдение за злокачественной трансформацией.
Между канцерогенной и мутагенной активностью нет постоянной
связи, но возможно допустить их частое совпадение*. С помо-
щью этих тестов будет совершаться первичный отбор выпуска-
емых химической индустрией веществ, которые следует подверг-
нуть более глубоким пробам на канцерогенность (в частности, с
помощью тестов на трансформацию в клеточных культурах и в
особенности с помощью тестов на лабораторных животных). Здесь
можно предвидеть значительные трудности в связи с тем, что о
большом числе мутагенов нельзя с полной уверенностью сказать,
канцерогенны они или нет.
* Подробнее об этом см.. Л. Томатис «Мутагенез и канцерогенез» в междуна-
родном ежегоднике «Наука и человечество. 1980». — Ped.
Злокачественные опухоли и их лечение
215
Для более длительных исследований на животных нужны значи-
тельные средства, так же как и для углубленного изучения
веществ, выпускаемых химической индустрией. Нет большой
надежды на то, что какая-либо страна одна смогла бы в полном
объеме справиться с такими исследованиями. В связи с этим было
бы правильно предусмотреть создание интернациональной сети
для профилактики и изучения новых продуктов химической инду-
стрии и уже выпускаемых веществ, не проверявшихся на канцеро-
генность. Сложность заключается в определении допустимого
уровня канцерогенности отдельных веществ и их сочетаний.
Разные виды лабораторных животных и человек обладают раз-
личной чувствительностью к известным канцерогенам. Это объяс-
няется их генетическими и энзиматическими особенностями, бла-
годаря которым в одних организмах происходит обезвреживание
вводимых веществ, в других — недостаточное обезвреживание
или, наоборот, их активация. Будущие успехи профилактики рака,
вызываемого химическими веществами, будут во многом зависеть
от методов контроля и еще больше — от тщательного исследова-
ния механизмов обмена.
Кроме веществ, производимых промышленностью, значитель-
ным источником опасности являются микотоксины (ядовитые
вещества, выделяемые грибками), из которых наиболее известны
афлатоксины. Точно установлена их роль в развитии рака печени
у лабораторных животных. Однако нельзя еще с полной уверен-
ностью говорить об их возможном влиянии на возникновение
низкодифференцированных гепатом, которые очень многочислен-
ны в Африке, в странах, где земляные орехи весьма часто бывают
поражены микроскопическим грибком Aspergillus flavus. Токсины,
продуцируемые другими паразитическими грибками, также яв-
ляются объектом исследования. Надо полагать, что в будущем чис-
ло выявленных микотоксинов будет возрастать, их роль как фак-
торов риска уточнится и начнется соответствующая профилакти-
ческая работа. Идеальным было бы полностью устранить мико-
токсины в ограниченной зоне, а затем сравнить частоту опухолей
в ней и в соседней зоне.
Растущее использование ионизирующих излучений для нужд
энергетики и интенсивное применение радиоизотопов способ-
ствуют увеличению онкологического риска. Необходимо отметить,
что сегодня этот риск оценить чрезвычайно трудно. Тем не менее,
так же как в случае с химическими канцерогенами, осторож-
ность и жесткая (по мере усовершенствования оценки риска) за-
щита от ионизирующего излучения будет способствовать борьбе
со злокачественными опухолями.
Три группы вирусов расцениваются сегодня как возможные
возбудители некоторых раковых заболеваний.
1.	Вирусы лейкемии, из которых лучше других идентифициру-
216
Ж. К. Саломон
ются вирус лейкемии быков, вирус лейкемии кошек и вирус
болезни Марека у кур.
2.	Вирус герпеса. Считается, что он играет определенную роль
в развитии рака шейки матки. Две разновидности этого вируса,
выделенные у обезьян, являются онкогенными и для некоторых
других видов животных.
3.	Вирус Эпштейна-Барра — повсеместно встречающийся
(особенно часто в Китае и на Дальнем Востоке) человеческий
герпетиформный вирус, частично ответственный за развитие
африканской лимфомы Беркитта и опухолей носоглотки. Этот
вирус причастен к возникновению такой доброкачественной
болезни, как инфекционный мононуклеоз.
Для каждой из этих групп остаются неясными механизмы пере-
дачи, иммунологический контроль за вирусным размножением,
путь трансформации и тип взаимоотношений опухоль — хозяин в
случае развитой опухоли. Ответы на эти вопросы будут найдены в
будущем, а сегодня мы не можем рассматривать профилактику как
метод, способный защитить от вирусной инфекции и тем более от
возникновений трансформированных вирусом клеточных популя-
ций.
Сегодня еще нет оснований говорить о возможности примене-
ния антираковой вакцины. Если опухоли, вызываемые вирусом,
продолжают расцениваться как прекрасные экспериментальные
модели, то их вирусное происхождение в силу названных причин,
видимо, не может еще явиться основой для разработки плодотвор-
ных профилактических мероприятий в недалеком будущем.
Эпидемиология рака— очень молодая наука. Она позволила
выделить группы людей, различающихся по частоте опухолей. Наи-
более показательна секта мормонов в США, которые не курят и не
пьют. Среди них ниже, чем у контрольных групп населения, не
только частота рака легкого и рака пищеварительных органов, но
и всех опухолей в целом.
Установление очагов определенных опухолей — это другое
недавнее достижение эпидемиологии.
Пример с деревней Караин в Турции, где причиной более поло-
вины смертей, зарегистрированных в 1970—1974 гг., были редко
встречающиеся в других местах опухоли (плевральная и перитоне-
альная мезотелиомы), поднимает много вопросов о причинных
факторах.
Как правило, трудно анализировать связь между определен-
ными характеристиками больших групп населения и возникнове-
нием опухолей. МЬжно сослаться на методологические трудности
при попытке найти доказательства связи между курением и раком
легкого. Был достигнут некоторый прогресс, когда статистические
методы стали более точными. Сейчас от эпидемиологов уже требу-
ется уяснение многофакторных связей, заключающих в себе как
Злокачественные опухоли и их лечение
217
генетические данные, так и факторы риска, вызванные условиями
жизни.
Расширение эпидемиологических работ о причинных связях
поможет ранней диагностике, которую мы называем, как уже
говорилось, вторичной профилактикой; для проведения ее необ-
ходимо выделить группы повышенного риска (на основании гене-
тических, географических и других критериев).
Вторичная профилактика (напомним: если первичная профи-
лактика предупреждает возникновение заболевания, то вторич-
ная — его неблагоприятное течение) включает определение групп
с высоким риском, затем выявление в них людей с подозрением на
злокачественную опухоль и, наконец, терапевтическое вмешатель-
ство с профилактической целью.
Выявление групп высокого риска основывается на результатах
эпидемиологического исследования. Становится все более оче-
видным, что систематическое выявление рака может быть осуще-
ствлено только в ограниченных группах. При несоблюдении этого
принципа происходит распыление средств, и большие затраты
дают ничтожный эффект. Выбор же групп с высоким риском в
общей популяции зависит от особенностей организации санитар-
ной службы, различной в разных странах и регионах.
Группа с высоким риском определяется для данного типа опухо-
ли — указываются клинические, биологические и прочие призна-
ки опухоли; используются уже испытанные методы исследования.
Имеют значение клинические и биологические признаки, харак-
терные для доклинической стадии опухоли или для предраковых
изменений: например, незначительные следы крови в кале при
раке толстой кишки или аномальные клетки в вагинальных мазках
при раке шейки матки. Мы делаем особый акцент на систематиче-
ском исследовании того, что называется химическими и иммуноло-
гическими маркерами рака.
Некоторые думают, что, если опухоль диагностирована в ранней
стадии, то 90% рака может быть излечено (вместо 35%, имеющих
место в настоящее время). Это слишком оптимистический взгляд.
Три года назад всего два маркера считались заслуживающими вни-
мания. Альфа-фетапротеин — маркер рака печени и карциноэм-
бриональный антиген — маркер рака толстой кишки.
В течение последних лет проводились поиски аномальных энзи-
мов, гормонов и нуклеозидов, вырабатываемых опухолевыми клет-
ками, а также исследования антигенов, присутствующих на поверх-
ности опухолевых клеток, и антител против этих антигенов. В США
ведутся исследования кислой фосфатазы -— фермента, уровень
которого в крови мужчин, больных раком предстательной железы,
повышается. Делаются попытки обнаружить в моче продукты рас-
пада меланина при меланомах с целью выявления небольших
метастазов этой опухоли, не обнаруживаемых другими методами.
218
Ж. К. Саломон
В настоящее время этот метод дает менее 20% ложноотрицатель-
ных результатов. Следует упомянуть и о таком «кандидате» в
маркеры, как гликопротеин при раке молочной или поджелудочной
железы. Доказано, что специфичность всех указанных маркеров
не абсолютна, однако это не должно стать препятствием к разра-
ботке методов их обнаружения, когда надо выявить людей в
группах риска с высоким шансом заболеть раком.
Популяцию с высоким риском можно подразделить на три кате-
гории: «отрицательные» субъекты, которых следует подвергать
периодическому обследованию; «положительные» субъекты, у
которых опухоль не выявлена, несмотря на усиленное наблюде-
ние; «положительные» субъекты, у которых выявлены небольшая
опухоль или предраковые изменения. В отношении этих больных
должен быть решен вопрос о характере терапии. Что касается,
например, шейки матки в случае рака нулевой стадии или рака in
situ («на месте»), т. е. еще не прорастающего в соседние ткани и не
метастазирующего, то здесь о характере терапевтического вмеша-
тельства не всегда высказываются единодушно. Равным образом
еще нет единого мнения, что следует делать при семейном поли-
позе или различных аденоматозах толстой кишки. Нет доказа-
тельств, что хирургическое вмешательство— единственный и
достаточный метод лечения.
Столь же проблематична тактика в отношении больных, у кото-
рых опухоль не найдена, но есть подозрения, что она существует.
Должны ли они находиться под строгим наблюдением, подвер-
гаться хирургическому вмешательству или общему профилактиче-
скому противоопухолевому лечению?
Представление о профилактическом противоопухолевом лече-
нии не является общепринятым. Речь в данном случае может идти
об усилении механизмов гомеостаза (постоянства внутренней сре-
ды), «надзирающих» за развитием потенциальных опухолей,
например, использовании неспецифических стимуляторов типа
БЦЖ или Corynebacterium parvum, в отношении которых доказано
экспериментально, что они могут обладать защитным действием,
снижая частоту возникновения индуцированных опухолей. Но
неизвестно, обладают ли они лечебным действием. Во всяком слу-
чае создается впечатление, что вакцинация при помощи БЦЖ дает
некоторый защитный эффект при острых лейкозах у детей, хотя
результаты эти противоречивы и должны быть проверены.
В случае гормонозависимых опухолей (рак молочной или пред-
стательной железы) следует думать о гормональных влияниях на
гомеостаз. Незнание механизмов злокачественного перерождения
доброкачественных образований не дает возможности помешать
этому перерождению, кроме как методом радикальной хирургии.
Представление о стадийности развития рака находит все больше
сторонников и является предметом интенсивного эксперименталь-
Злокачественные опухоли и их лечение
219
ного изучения. Происходит накопление фактов, и вряд ли можно
думать, что в ближайшее время будет найден способ, предотвра-
щающий злокачественную трансформацию предраковых измене-
ний или возвращающий все к норме.
Теоретически можно представить себе меры борьбы против
рака с помощью иммунологических маркеров. Их можно использо-
вать для продукции антител, способных, вероятно, разрушать
маленькие опухоли, или можно присоединять к противоопухоле-
вым средствам, обеспечивая тем самым высокую концентрацию
последних в опухолевой ткани. Другой способ применения таких
антител — соединение их с радиоактивным изотопом, который бла-
годаря антителам может сконцентрироваться в опухоли и разру-
шить ее.
Мы хотели бы сформулировать мысль, которая сегодня может
встретить оправданную критику. Речь идет о систематической про-
филактической химиотерапии людей с высоким риском заболеть
раком. Предложение это основывается на двух уже оправдавших
себя методах: профилактической противомалярийной терапии и
дополнительной послеоперационной терапии опухолей молочной
железы.
Многие терапевты считают, что клинически выявленный рак —
это общая болезнь (эта мысль уже была высказана в начале
статьи), и что даже при изолированном раке молочной железы
имеются рассеянные микрометастазы. То же самое можно ска-
зать о предклинических стадиях. Если опухоль достигла размера
нескольких миллиметров, раковые клетки уже, возможно,
способны к распространению, что и оправдывает общее лечение.
Нужно, конечно, чтобы преимущество профилактической химиоте-
рапии перевешивало ее отрицательные стороны: токсичность про-
тивоопухолевых средств все еще значительно выше, чем, допу-
стим, у противомалярийных профилактических препаратов. Значи-
тельно менее известно возможное канцерогенное действие самих
противоопухолевых средств. Например, у больных лимфогрануле-
матозом наблюдается учащение других опухолей. Это может быть
результатом химиотерапии или лучевого лечения. Не исключено,
что излеченная опухоль сама по себе повышает вероятность раз-
вития других опухолей. Мы не настаиваем на этом методе профи-
лактики, развитие которого будет зависеть от снижения токсично-
сти существующих медикаментов в результате лучшего их испо-
льзования, комбинации с защитными веществами или от разра-
ботки новых препаратов.
Лечение злокачественных опухолей
Прогресс лечения рака и лейкемии в значительной мере сво-
дится к изысканию синтетических химических веществ или
220
Ж. К. Саломон
экстракции их из растений, микроорганизмов и все более рацио-
нальному использованию этих лекарств в отдельности, а чаще в
сочетании. Это направление опирается на одновременное приме-
нение двух методов: испытания на моделях опухолей животных и
сравнительные исследования на группах отобранных больных.
Теоретически рассчитывают биологическую активность ка-
ждого из лекарств: денатурирующее действие его на клеточную
ДНК, блокировку им транскрипции генетической информации, кон-
куренцию за пуриновые или пиримидиновые основания и т. д. На
практике составляется «коктейль» из препаратов, чтобы увидеть,
являются ли в действительности наблюдаемые эффекты антагони-
стическими, аддитивными (получаемыми путем сложения) или
синергическими (усиленного действия).
Этот систематический и терпеливый поиск, —скорее эмпириче-
ский, чем рациональный, —- осуществляемый на трансплантиро-
ванных опухолях мышей и крыс, выявил несколько полезных ком-
бинаций препаратов. Затем эти комбинации использовались в
лечении раковых больных, сначала лишь в случаях, когда хирургия
и радиотерапия сделали все возможное и не добились результатов.
Подбор доз, улучшение курса лечения вели к стабилизации или
даже полному излечению, о чем вчера еще и не мечтали.
Чтобы убедиться в реальности благоприятного эффекта, была
применена методика сравнительных клинических испытаний. Она
предполагает обследование группы больных одного типа (имеется
в виду одинаковая локализация и стадия развития опухоли). Для
подбора таких групп химиотерапевты, нередко работающие в раз-
личных, удаленных друг от друга больницах и в разных странах,
разрабатывают с максимальной тщательностью протоколы испы-
таний и проводят сравнения полученных данных. Эта трудоемкая
работа находится еще в начальной стадии. Широкая сеть сотрудни-
чающих лабораторий, применение статистического анализа —
новые черты современной медицины; они получат свое развитие в
будущем.
Опыт последних лет выявляет проблемы, на которые следует
обратить больше внимания:
—	подбор группы больных с редкими опухолями, возможный
лишь при условии сотрудничества врачей из многих стран;
—	исследование терапевтического действия новых противо-
опухолевых препаратов, выдвигающее такие же требования;
—	- достаточно быстрое распространение успешного опыта
оттуда, где он получен, туда, где им могут воспользоваться.
На этом последнем мы сознательно задержим наше внимание.
Совершенно очевидно, что шансы на улучшение или излечение от
рака далеко не везде в мире одинаковы. В промышленно развитых
странах имеется больше возможностей по сравнению с отсталыми
или развивающимися странами. Но даже в развитых странах рас-
Злокачественные опухоли и их лечение
221
пространение новейших достижений все еще не удовлетворитель-
но.
Рак — это болезнь, вызывающая у многих скептицизм и непра-
вильное отношение не только со стороны больных, их окружения,
широкой публики, но и со стороны медицинского персонала. При-
чину подобного положения вещей следует подвергнуть социологи-
ческому и психологическому анализу. Врачи больниц маленьких
городов или городских и сельских поликлиник не приобщены к
сравнительным исследованиям. Они их не знают, самоустраняются
или устранены от них.
Иммунотерапевтическое лечение рака более молодое, чем
химиотерапия. Оно еще не утвердило себя, здесь больше надежд,
чем конкретных результатов. Это объясняет и размеры затрат на
исследования в этой области. Прогресс в физиологии иммунной
системы позволяет предвидеть возможность медикаментозного
влияния на защитную реакцию организма в ходе профилактики и
особенно в ходе самого лечения.
Вероятность исключительно иммунологического лечения рака
на сегодняшний день невелика и предполагает скорее сочетание
этого метода с другими как дополнительного к местному лечению
(хирургия, радиотерапия и общая химиотерапия). Основные усилия
в области иммунотерапии сосредоточены на создании иммуности-
мулирующих веществ и на анализе действия этих веществ. Боль-
шинство веществ, которые существуют в настоящее время, проду-
цируются микроорганизмами. Наряду с противоопухолевым дей-
ствием, они вызывают ряд вредных последствий. При помощи
очистки, анализа и синтеза активных веществ специалисты стре-
мятся отобрать лучшие, увеличив противоопухолевое действие и
ограничив токсическое.
Это целая область фармакологии, находящаяся в стадии разви-
тия. И здесь сравнительный клинический опыт на больших группах
должен применяться, конечно, в сочетании с опытами, проводи-
мыми на животных.
Со временем становится все более ясным, что различия между
опухолями животных и человека создают серьезные трудности.
Опухоли крыс или мышей имеют преимущество стабильности и
воспроизводимости, но здесь часты случаи, когда болезнь локали-
зована, тогда как у людей опухоль, начинающаяся в каком-либо
органе, становится генерализованной к моменту постановки диаг-
ноза. Вот почему многие ученые пересматривают эту проблему, и,
видимо, в будущем будет использован набор экспериментальных
опухолей с различными характеристиками. Это приведет к более
углубленному изучению скрытых механизмов резистентности (со-
противляемости, невосприимчивости) к предлагаемым методам
лечения. Любой механизм резистентности может открыть путь к
соответствующему специфическому лечению.
222
Ж. К. Саломон
Сегодня в случае рака, не поддающегося лечению, врачи дей-
ствуют наощупь, используя другие препараты и их сочетание.
В будущем же, конечно, появится возможность предвидеть воз-
никновение резистентности определенного типа или, может быть,
возможность ее предупреждать соответствующим подбором
средств лечения, даже до того, как будет обнаружено увеличение
опухоли. Уже проводятся, но еще не дали убедительных результа-
тов исследования по изменению чувствительности опухолей в кле-
точной культуре или же на мышах, лишенных тимуса («голые
мыши»), которым можно привить многие человеческие опухоли.
Мы не будем распространяться о прогрессе классических ме-
тодов местного лечения рака (хирургии и облучения). Совершенно
очевидно, что любое достижение хирургии может быть использо-
вано в хирургии опухолей. Применение облучения аппаратами
высоких энергий явилось большим шагом вперед, особенно учиты-
вая тот факт, что совместное применение источников излучения и
счетных машин позволило упорядочить параметры облучения.
Дозиметрические данные, подсчитанные машиной, позволяют
локализовать облучение опухолевой ткани и уменьшить до мини-
мума облучение здоровых тканей. К сожалению, все эти физиче-
ские и вычислительные аппараты отличаются высокой сложно-
стью и нуждаются в очень опытных специалистах, что заставляет
размещать их лишь в специализированных центрах. Пока еще не
предвидится создание более легкой и менее дорогой, но такой же
эффективной аппаратуры. В будущем, возможно, будет целесооб-
разно уменьшить долю радиотерапии в лечении больных, живущих
далеко от раковых центров и найти для них более доступные тера-
певтические решения.
Хирургия и лучевая терапия занимают и еще долго будут зани-
мать первое место в лечении рака. Но эти методы лишь локальны,
и поэтому существует мнение, что они явно недостаточны,
поскольку, повторяем, рак— болезнь всего организма. Кроме
того, необходимо уменьшить их отрицательные последствия (на-
пример, удаление части здорового органа), более широко исполь-
зуя методы, вызывающие меньшие разрушения в организме, и об-
щее лечение для дополнения хирургии и облучения, которые
должны быть скорее ограничивающими, чем радикальными.
Прежде чем закончить главу, посвященную лечению рака, хоте-
лось бы сказать несколько слов о предполагаемом прогрессе в
борьбе с одним из главных его симптомов— болью. Не все
раковые заболевания болезненны, но многие из них на определен-
ных стадиях причиняют боль, иногда невыносимую, вызывающую
бессонницу, нервозность и депрессию. Хроническая боль тяжело
поражает психику человека. Приглушение боли с помощью посто-
янно возрастающих доз мощных аналгетиков снижает ясность
сознания больных и все больше удаляет их от окружающего мира.
Злокачественные опухоли и их лечение
223
Поэтому задача состоит в том, чтобы не успокаивать боль, а преду-
преждать ее появление. Для этого следует использовать все
существующие аналгетические препараты, а для сохранения
самостоятельности больного и его меньшей зависимости от меди-
цинского персонала — чаще прибегать к активным смесям, прини-
маемым внутрь. Много надежд связано с открытием энкефалинов,
с возможностью использования в будущем физиологических анал-
гетиков или близких по механизмам действия к естественным спо-
собам смягчения боли. Это должно позволить на первом этапе
предотвратить развитие привыкаемости и зависимости, которые
появляются после определенного периода применения наиболее
известных опиумных аналгетиков — морфия и его производных.
Контроль за болью у раковых больных до сих пор занимал
незначительное место в науке, но в последнее время ему уделяют
все больше внимания. Как и все остальные симптомы болезни,
боль является объективным фактором, который может быть изу-
чен, и, очевидно, будущее преодоление боли явится частью пред-
стоящих исследований проблемы рака.
Исследование механизмов канцерогенеза:
современное состояние и перспективы
Теперь мы хотели бы остановиться на биологическом исследо-
вании механизмов канцерогенеза, клеточной трансформации, раз-
вития и метастазирования опухоли. Предпочтение программ, име-
ющих хотя бы какую-нибудь связь с клиникой, с одной стороны, и
мнение о том, что прогресс в области биологических исследований
сам по себе принесет практическую пользу— с другой, являются
предметом бесконечных дискуссий. Нам представляется ненуж-
ным и опасным противопоставление этих точек зрения, которые на
самом деле дополняют друг друга. Наиболее существенны здесь
два положения:
1. Планирование средств ни в коем случае не должно превра-
щаться в планирование идей, произвольно тормозящее развитие
одних и стимулирующее другие, так как известно, что классифика-
ция идей затрудняет определение их действительной ценности.
2. Исследуя рак, ученые не должны игнорировать тот факт, что
он является заболеванием человека, которое нельзя свести к лабо-
раторным моделям и физико-химическим реакциям.
Логично предположить, что технический прогресс, породивший
революцию в биологии, должен был бы вызвать революцию и в
медицине. Мы ограничимся лишь перечнем некоторых многообе-
щающих отраслей клеточной или молекулярной биологии и физио-
логии рака. Злокачественное перерождение — это явление, изуче-
ние которого значительно продвинулось вперед благодаря откры-
224
Ж. К. Саломон
тию канцерогенных вирусов; они позволяют получить это переро-
ждение in vitro в клеточных системах (в пробирке), что намного
проще, чем создание опухоли in vivo (в организме). Большие
успехи достигнуты в исследовании молекулярной структуры самых
мелких онкогенных вирусов и их многочисленных мутантов.
Частично известен способ интеграции генома этих вирусов с кле-
точным геномом. Это наиболее простая система трансформации in
vitro клеток животных.
Трансформация клеток млекопитающих с помощью химических
препаратов — более трудная область. Проводимые в этой области
исследования должны вскрыть механизмы трансформации, сте-
пень ее общности с вирусной трансформацией. Связь трансформа-
ции с мутацией и анализ возможных этапов перерождения (может
быть, путем последовательных мутаций) представляет собой
очень актуальную проблему. Но сохраняется определенная неяс-
ность: если биологические критерии выявленных мутаций, как
правило, поддаются описанию, то тщательное описание экспери-
ментальной трансформации in vitro ни разу не было достигнуто.
В этих случаях ссылаются обычно на сочетание некоторых при-
знаков, одним из которых является опухолевый рост у мышей, ли-
шенных иммунной защиты.
С момента открытия эмбриональных опухолей у мышей (злока-
чественная тератома) возможность наблюдения в устойчивой
среде некоторых этапов клеточной дифференциации способство-
вала накоплению большого экспериментального материала. Важ-
ные методические успехи были достигнуты в области клеточной
дифференцировки, когда люди научились либо соединять генети-
чески различные яйцеклетки мышей и следить за развитием
эмбрионов, введенных в матку самки, либо соединять клетки
животных одного и того же вида или различных видов. Эта
последняя методика, когда одна из двух используемых клеток —
опухолевая, приводит к появлению гибридной клетки, способной
размножаться безгранично. Тщательный выбор неопухолевой
клетки позволяет получить гибриды, имеющие такие характери-
стики воспроизводства, которые открывают путь к обильному
источнику химически чистых антител или к одной из составных
частей клеточной мембраны, или же к любому другому продукту,
возникающему у животных из немногочисленных, дифференци-
рованных клеток.
Таким образом, на сегодняшний день предполагается получе-
ние путем селекции биологического вещества, до сих пор выделя-
емого фракционированием в очень небольшом количестве.
Эффективность этого метода возросла в результате создания
аппаратов клеточного отбора, способных посредством флюорес-
ценции выделять из гетерогенной популяции группу клеток, распо-
знаваемых автоматически.
Злокачественные опухоли и их лечение
225
Интерферон — вещество, продуцируемое клетками, которые
заражены вирусом или стимулированы лимфоцитами, — известен
уже многие годы. Он вызывал надежды как антивирусный препа-
рат. Одним из его основных терапевтических эффектов является
весьма многообещающее действие на некоторые опухоли. Произ-
водство человеческого интерферона в больших количествах пред-
ставляет проблему, решение которой, по-видимому, осуществится
в ближайшем будущем.
Клетки животных и человека окружены клеточной мембраной,
которая играет очень сложную роль в жизни и делении клетки. Это
не только, как думали ранее, область проникновения питатель-
ных веществ или выделения продуктов метаболизма, но также
область обмена многочисленной информацией.
Информационный обмен производится с соседними клетками,
находящимися рядом постоянно или временно. Клетки, вступа-
ющие в контакт посредством своих мембран, могут узнавать друг
друга и в зависимости от получаемой информации вызывать кон-
тактную ингибицию или разрушение, если только одна из клеток
способна стимулировать деление второй клетки или ее диф-
ференциацию, т. е. изменения ее конфигурации или функций.
Межклеточный обмен информацией имеет физико-химическую
природу. Этот вид обмена известен уже много лет. Он связывает
нервные клетки между собой и с мышечными клетками. Таким
способом совершается обмен информацией в иммунологической
системе; так же на клеточную мембрану действуют и гормоны.
Клетки, чувствительные к определенному гормону, имеют специ-
фические рецепторы на своей мембране, что отличает их от клеток,
не чувствительных к нему. Некоторые раковые клетки имеют
подобные рецепторы на своей поверхности. Молекулярно-химиче-
ская природа этих рецепторов только начинает изучаться. Парал-
лельный анализ клеточных мембран как в нормальных, так и в
раковых клетках— важное направление исследований для пони-
мания некоторых этапов трансформации и ознакомления с рядом
характерных особенностей злокачественных клеток. Так же
обстоит дело с образованием метастазов. Для возникновения
метастаза необходимо отделение одной или нескольких клеток от
первичной опухоли, их миграция по лимфатическим или кровенос-
ным путям, нахождение места для колонизации и их имплантация
там. Этот процесс зависит от конфигурации и пластичности клеточ-
ных мембран.
Опухолевые клетки размножаются, живут и умирают по-разно-
му, е зависимости от того, из каких клеток они возникли. Изучение
гибели опухолевых клеток у животного очень актуально. Они не
стареют так, как нормальные клетки. По-видимому, между нор-
мальными и раковыми клетками существует различие, не уловлен-
ное исследователями, но идентифицируемое определенными кате-
226
Ж. К. Саломон
гориями лимфоцитов. Эти лимфоциты, возможно, играющие охран-
ную роль в организме, открыты сравнительно недавно, и практиче-
ски совершенно не известны ни способ их взаимодействия с рако-
выми клетками, ни механизмы разрушения последних. Не ясно,
действуют ли лимфоциты при любых раковых заболеваниях или
только в определенных случаях, но известно, что они не разрушают
нормальные клетки молодых тканей. Здесь еще многое предстоит
выяснить.
Можно еще продолжить перечень нерешенных проблем, кото-
рые надо исследовать биологам для углубления знаний о раке и
расширения влияния на него. Но мы ограничимся сказанным, отме-
тив лишь несколько путей дальнейшего развития исследований, не
претендуя на то, что они являются единственно важными.
Нам хотелось бы остановиться на ряде тенденций, которые
должны определять будущее и улучшить условие борьбы против
рака. Речь идет в основном об обеспечении обмена знаниями и
применении их на практике. Мы упомянули об успехах, которых
достигла биология за последние 20 лет. Параллельно и независи-
мо от нее очень больших успехов добилась онкология, но в огром-
ном большинстве случаев между ними нет достаточной связи.
Подготовка биологов и подготовка врачей далеко не одинакова,
их образ мыслей и действий различен. Один из наиболее реаль-
ных способов обеспечения связи — вовлечение некоторых уче-
ных-биологов в исследования, отправной точкой которых будет
медицинская практика. Так же необходимо шире использовать
современные достижения биологии в решении проблем, с кото-
рыми врачи сталкиваются в клинике.
Второй способ передачи опыта связан с проблемами организа-
ции и с социальными отношениями. Речь идет о передаче
новейших практических знаний, экспериментальных или клиниче-
ских, из научных центров на периферию, независимо от того, идет
ли речь о периферии в рамках промышленно развитой страны, или
о передаче из развитых стран в развивающиеся. Это вопрос
профилактической и лечебной эффективности. Доверить медицин-
ский прогресс лишь головным центрам — значит приговорить себя
к неудаче. Оставить вне клинического эксперимента врачей, заня-
тых в больницах маленьких городов, городских и сельских поли-
клиниках— значит ограничить распространение новых полезных
знаний. А вообразить, что можно в экономически развитых стра-
нах, не заботясь о передаче опыта в другие страны, самосто-
ятельно разработать терапевтические методы, годные на все слу-
чаи жизни, было бы ошибкой, так как стоимость лечения, увы, до
сих пор остается фактором, недостаточно принимаемым во внима-
ние.
Понятно и бесспорно утверждение о том, что здоровье людей не
имеет цены. Тем не менее экономические соображения ограничи-
Злокачественные опухоли и их лечение
227
вают применение новых методов лечения для наибольшего чис-
ла больных *
Третий способ передачи опыта, который в будущем займет
огромное место, —это широкий переход к первичным и вторичным
профилактическим мероприятиям. Наконец, совершенно очевид-
но, что любой прогресс в области рака может быть ускорен при
многоотраслевом подходе к проблеме, позволяющем осуществить
быстрый и интенсивный обмен знаниями между различными отрас-
лями науки.
Не менее важной целью онкологических исследований, бес-
спорно, является снижение стоимости терапии и профилактиче-
ских мероприятий (в основном— вторичной профилактики).
Совершенно ясно, что все эти намерения станут реальностью
только при значительных изменениях в сознании людей. Сегодня
рак и все, что связано с ним, вызывает не всегда обоснованный
страх. При этом многие больные обращаются за медицинской
помощью слишком поздно. Между тем выявление и лечение ранних
форм рака, а тем более предопухолевых заболеваний в большин-
стве случаев намного эффективнее.
Таким образом, речь идет о заболевании, прогноз которого
существенно изменился за последние 20—25 лет. Этот факт недо-
статочно широко известен. Да и врачи очень часто преуменьшают
современные терапевтические возможности в случаях, с которы-
ми они встречаются. Часто и больные или их окружающие не име-
ют желания или достаточного знания реального положения ве-
щей, чтобы настаивать и добиваться эффективного лечения, на
которое они могут рассчитывать. Таким образом, видно, что буду-
щий прогресс в области онкологии основывается на организован-
ных усилиях по передаче информации и знаний, распространении
этих знаний, на интенсификации биологических и клинических
исследований.
* В Советском Союзе, где медицинское обслуживание бесплатное, такой проб-
лемы нет. У нас не может быть и речи о том, что высокая стоимость лечения пре-
пятствует его широкому применению. — Ред.

АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ АГЕЕНКО — вирусолог, имму-
нолог и онколог, доктор медицинских наук, профессор,
руководитель лаборатории вирусологии Московского науч-
но-исследовательского онкологического института имени
П. А. Герцена.
Основные его исследования посвящены механизмам пре-
вращения нормальной клетки в опухолевую под действием
онкогенного вируса, а также изучению при этом иммуноло-
гических реакций организма. Им впервые обоснована ве-
роятность вирусной природы сарком человека.
ВИРУСНЫЕ ОНКОГЕНЫ:
ПУТИ РАСШИФРОВКИ
Биологический механизм превращения нормальной клетки в
раковую пока неясен. Известно лишь, что опухоль возникает
вследствие утраты нормальной клеткой контроля над своим
ростом. Опухолевое превращение идет с нарушением таких фунда-
ментальных биологических процессов, лежащих в основе самой
жизни, как рост, специализация клеток (дифференциация) и
наследственность в клеточных популяциях. Раскрытие причины
рака в большой мере связано с разгадкой происхождения жизни на
Земле и представляет собой сложнейшую биологическую пробле-
му.
Злокачественные опухоли, как известно, способны поражать
все живое — млекопитающих, птиц, рыб, рептилий и даже предста-
вителей растительного мира. Особенность раковой болезни — ее
многоликость. Это целая совокупность болезней с присущими
Вирусные онкогены: пути расшифровки
229
каждой из них отличительными признаками и свойствами. Одни
только люди подвержены более чем 250 типам новообразований,
которые могут угрожать каждому органу и ткани — мышцам,
костям, нервам, крови, лимфе, мозгу, сердцу.
Начинается процесс с того, что какая-нибудь вполне нормаль-
ная клетка тела претерпевает некие изменения и безудержно
множится, иногда меняя при этом форму и размеры, функцию и
структуру. Превращение нормальных клеток в опухолевые (транс-
формация) сопровождается их «бессмертием»: в отличие от нор-
мальных, которые могут прожить в среднем в течение 50 делений,
раковые клетки обретают способность размножаться бесконечно:
И еще одна характерная черта раковой клетки: она постоянно
прогрессирует по пути «злокачественности», т. е. приобретает с
каждым удвоением все более выраженные агрессивные свойства.
Потомки таких клеток активно прорастают в окружающие ткани и
органы, распространяются по организму и образуют очаги роста в
других органах и тканях — метастазируют.
Однако раковые клетки не только приобретают новые, но и
утрачивают некоторые обычные свойства, присущие нормальным
клеткам. Они, например, не формируют специфические тканевые
структуры и могут не производить специфические вещества,
характерные для нормальных клеток. Например, нормальные
клетки поджелудочной железы, выделяющие панкреатический сок,
при раковом перерождении теряют эту способность.
Самая перспективная из нынешних теорий возникновения
рака — вирусогенетическая, сформулированная советским уче-
ным академиком Л. А. Зильбером (1958), называет причиной опу-
холевого перерождения клетки онкогенные вирусы (онковирусы).
Действительно, сегодня ни у кого из онкологов нет сомнений, что
многие опухоли, встречающиеся у животных, включая и обе-
зьян,— вирусной природы. По меньшей мере более 150 новооб-
разований, в том числе и некоторые опухоли человека, вызыва-
ются разными опухолеродными вирусами.
Естественно, в настоящее время многих интересует, выделен ли
вирус рака человека и на каком уровне находятся исследования
по расшифровке молекулярно-биологических механизмов превра-
щения нормальной клетки в опухолевую под действием онковиру-
са. Ответы на эти вопросы сейчас особенно сложны, поскольку в
настоящее время происходит стремительный пересмотр некото-
рых догм молекулярной биологии и переосмысливание наших
представлений о природе рака.
Гипотеза, претендующая на общую теорию онкогенеза, должна
прежде всего объяснить, за счет чего злокачественно трансфор-
мированная клетка приобретает особые биологические свойства,
а затем указать на молекулярные изменения в ее макромолекулах,
которые приводят к этим свойствам.
230
А. И.Агеенко
Еще в 1935 г. у Л. А. Зильбера возникла мысль, что возбуди-
тель рака размножается внутри клеточного ядра. Такая близость
возбудителя к генному аппарату клетки, думал Зильбер, дает воз-
можность предположить и вероятность наследственных измене-
ний, связанных с его размножением. К началу шестидесятых годов
он сформулировал вирусо-генетическую гипотезу превращения
нормальной клетки в опухолевую. Согласно этой гипотезе при
раковых болезнях генетическая информация вируса включается
(интегрируется) в генетический аппарат клетки — становится
частью ее наследственного аппарата. Такая интеграция двух гено-
мов (генных наборов) приводит к стойким наследственным измене-
ниям клетки.
Все в теории получалось ясно. Сразу появились ее сторонники
не только среди советских ученых, но и зарубежных. Американ-
ские ученые X. Рубин, Р. Дюльбекко, М. Вогт применили матема-
тический подход к изучению опухолевой трансформации под дей-
ствием разных опухолеродных вирусов в культуре клеток (в про-
бирках). Открылась странная вещь. Было показано, что, например,
вирусы полиомы мышей и ОВ40 обезьян после трансформации
клетки в опухолевую куда-то исчезали. Забравшись в чужую клет-
ку, они «раздевались» (освобождались от своих белковых оболо-
чек) и как бы растворялись в ней. Только что были и вдруг вообще
пропали! Не определялись ни инфекционные вирусные частицы, ни
свойственные вирусам этого типа двойные спирали ДНК, ни белки
их оболочек (капсидов).
Потребовалось разработать новые точные методы, чтобы как-
то обнаружить пропажу. Продуктами деятельности онковирусов
оказались вирусспецифические рибонуклеиновые кислоты (РНК),
на которых синтезировались вирусспецифические белки. Эти
белки локализовались в ядре, в цитоплазме и на поверхности
клетки.
Вместе с тем поиск самого онковируса продолжался, и в
результате был найден новый метод для прямого обнаружения в
клетке его наследственного аппарата. Этот метод основывался на
слиянии трансформированной и нормальной клеток под действием
на них, например, убитого парагриппозного вируса. Вначале между
клетками, обработанными этим вирусом, образуются цитоплазма-
тические мостики, которые постепенно расширяются до тех пор,
пока клетки полностью не сливаются. Слияние может происходить
между одинаковыми и разными клетками одного вида и различных
видов и даже классов животных. Причем такие гибридные клетки
могут содержать два и больше ядер. В них онковирусы проходили
весь цикл своего размножения и формировали полные, инфек-
ционные вирусные частицы.
Итак, метод слияния дал возможность обнаружить генетиче-
скую информацию полного вируса, трансформирующего клетку в
Вирусные онкогены — пути расшифровки
231
опухолевую. Но не был еще решен вопрос, где же обосновываются
«бродячие» вирусные гены. Тогда прибегли к приему молекулярной
гибридизации нуклеиновых кислот. Суть его сводится к тому, что
родственные нуклеиновые кислоты образуют гибриды, а чужерод-
ные их не образуют. Чтобы определить степень родства, доста-
точно одну кислоту (или ее фрагмент) пометить радиоактивным
веществом, а затем рассчитать, допустим, степень ее гибридиза-
ции с ДНК вируса.
Так были обнаружены в клетках, трансформированных виру-
сами полиомы и ОВ40, вирусные геномы и их вирусспецифические
РНК, которые содержали генетическую информацию для синтеза
вирусспецифических белков. Оказалось, что вирусные двойные
спирали ДНК встраивались в комплементарные* участки .клеточ-
ных ДНК, прочно с ними связывались, тем самым локализуясь
только в ядерных,-хромосомных ДНК трансформированных клеток.
В ДНК нормальных клеток они не определялись. Этими работами
американские ученые Дюльбекко (1966), Уэстфал (1966), Фуджи-
нага и Грин (1966, 1967) блестяще подтвердили все положения
вирусогенетической теории рака, сформулированной Л. А. Зиль-
бером. Но, к сожалению, все первые экспериментальные доказа-
тельства правильности этой теории касались самой немногочи-
сленной группы онкогенных ДНК-содержащих вирусов— группы
полиомавирусов, которые в естественных условиях развития опу-
холей у животных не вызывают.
Ахиллесовой пятой при этом оставались РНК-содержащие
вирусы (ретровирусы), составляющие основную массу семейства
опухолевых вирусов. Эта группа вирусов прежде всего важна тем,
что именно ее представители инициируют опухоли у животных в
естественных условиях. Невозможно было представить себе объ-
единение (интеграцию) ДНК клетки не с ДНК, а с РНК вируса в
единую молекулу, а затем кооперативное функционирование их
генов. А это лишало вирусогенетическую теорию рака универ-
сальности, делало ее узкоограниченной, применительной только к
ДНК-содержащим онкогенным вирусам.
В то время считалось, что в живой клетке информация о наслед-
ственности всегда передается в одном направлении — от двойной
спирали молекулы ДНК к ее копии («рабочему чертежу»), а имен-
но — к одинарно закрученной молекуле мРНК, названной инфор-
мационной (или матричной) РНК, управляющей синтезом белков.
Основной путь передачи генетической информации согласно «цен-
* Комплемен тар н ость (дополнительность) — термин молекулярной
биологии, означающий, что в цепочках нуклеиновых кислот отдельные участки опре-
деленным образом соответствуют друг другу по составу нуклеотидов, например, про-
тив А (адениловый нуклеотид) всегда стоит Т (тимидиловый), против Ц (цитидило-
вый) — Г (гуаниновый) и т. п.
232
А. И. Агеенко
тральной догме» молекулярной биологии выглядел так:
ДНК-^ PH К-> белок.
В 1964 г. молодой американский исследователь из Висконсин-
ского университета Г. Темин высказал предположение, что РНК-
содержащие вирусы тоже могут вызывать опухоли, вырабатывая
свою собственную ДНК, как только они проникают в клетку. Эта
ДНК— копия РНК-вирусов встраивается в ДНК клетки хозяина и
начинает «отдавать приказы» о превращении клетки в опухолевую
и о производстве последующего поколения опухолеродных виру-
сов.
Однако «теминизм», как окрестили новую концепцию, был
встречен скептически и не нашел большой поддержки у ученых,
поскольку требовал экспериментального обоснования принци-
пиально нового пути передачи информации с РНК на ДНК. Темин не
сдавался: он сумел открыть существование «обратного» направле-
ния в синтезе белка. Это открытие позволило приподнять завесу
над еще одной тайной превращения здоровой клетки в раковую,
еще на один шаг продвинуло человечество на пути к разгадке этого
механизма. Темину (совместно с С. Мизутани) удалось доказать,
что вирусы сарком птиц, содержащие в своем составе РНК, имеют
особый фермент, получивший название обратной транскриптазы,
или ревертазы (отсюда название этой группы вирусов — ретрови-
русы), с помощью которого происходит «обратный» синтез:
РНК—>ДНК-*-РНК-*белок. Иначе говоря, «центральную догму»
теперь можно было дополнить: ДНК-*РНК-»белок. Коллега Темина
и Мизутани Д. Балтимор из Кэмбриджа одновременно с ними
опубликовал в 1971 г. аналогичные данные.
Главный вывод этих работ: РНК вирусов, вызывающих злокаче-
ственные новообразования у птиц и животных, может «собирать»
свою собственную ДНК, которую назвали ДНК-провирусом. Оказа-
лось, что наличие провируса свойственно только ретровирусам,
поскольку, как выяснилось, для их размножения необходима эта
промежуточная форма ДНК.
Вскоре проверочные опыты, проведенные главой Института
раковых исследований при Колумбийском университете С. Шпи-
гельманом — одним из наиболее известных экспериментаторов в
области молекулярной биологии, подтвердили их данные. Шп^-
гельман решил, что если вирусная РНК выполняет функцию
матрицы (служит «шаблоном» для ДНК), то она должна обладать
способностью соединяться с первичным продуктом реакции —
однонитчатой ДНК и образовывать с ней гибридную двойную спи-
раль, прежде чем будет синтезирована вторая нить ДНК, компле-
ментарная первой. Действительно, после прокручивания в центри-
фуге, поскольку плотность РНК отличается от плотности ДНК, спи-
рали постепенно разделились. В пробирке ясно обозначились два
слоя. К радости ученого, он обнаружил и третий слой, что доказы-
Вирусные онкогены: пути расшифровки
233
вало наличие вещества промежуточной плотности, а именно гиб-
ридных молекул: РНК — ДНК.
Впоследствии умение создавать свою ДНК через реакцию «на-
оборот» было обнаружено у всех известных РНК-содержащих он-
когенных вирусов. Темин оказался прав. Ученые в настоящее вре-
мя пытаются прерывать вирусиндуцированные синтезы в клетке,
не затрагивая нормальные внутриклеточные процессы. Уже уда-
лось найти антибиотик, подавляющий работу обратной транскрип-
тазы. Возможно, в будущем таким способом может быть приоста-
новлено превращение нормальной клетки в опухолевую.
Дальнейшее развитие вирусогенетическая теория рака полу-
чила в трудах американских исследователей Хюбнера и Тодаро
(1969, 1971, 1972), которые еще до открытия обратной транскрип-
тазы у вирусных частиц ретровирусов (далее мы вирусные частицы
будем называть вирионами) сформулировали гипотезу, оказавшу-
юся весьма своевременной и созвучной расцвету молекулярной
биологии. Согласно этой гипотезе все клетки, в том числе и поло-
вые, у птиц и млекопитающих изначально содержат геном вирусов
(вироген), который передается генетически от родителей потом-
ству. Предполагают, что вирусные гены попали в клетку извне в
результате инфекции, происшедшей более 10—30 млн. лет назад.
После этого они эволюционировали вместе с клетками. Такие
вирусы, названные эндогенными, представляют собой, следова-
тельно, не что иное, как обычные структурные гены, которые в той
или иной степени постоянно функционируют (экспрессируются).
Второе важное положение, которое выдвигали авторы, заключа-
лось в том, что в составе вирогена каждой нормальной клетки
находятся ген или гены, ответственные за опухолевое превраще-
ние клеток (онкогены). Таким образом, согласно их мнению, любой
опухолевый процесс, чем бы он ни был вызван (ДНК-содержащими
вирусами, химическими или физическими канцерогенами), сво-
дится к активации онкогена в составе вирогена.
Забегая несколько вперед, следует сказать, что многие положе-
ния гипотезы Хюбнера и Тодаро уже доказаны. В геноме нормаль-
ных клеток птиц и млекопитающих (грызуны, кошки, низшие прима-
ты) действительно имеется геном эндогенного вируса, который
интегрирован с клеточным геномом. В настоящее время предпри-
нимаются попытки определить место его интеграции. Показано,
что вироген передается с половыми клетками по наследству как
ген или группа генов, и в клетках выявлена система контроля функ-
ционирования (экспрессии) и репрессии (блокировка работы)
генов вирогена. Вироген может быть активирован полностью или
частично (в последнем случае полный вирус не образуется). Обна-
ружены некоторые факторы активации вирогена, а именно: с помо-
щью различных химических веществ, гормонов и облучения иссле-
дователи активизировали заложенную в нормальную клетку вирус-
234
А. И. Агеенко
ную информацию, и клетка стала производить эндогенные вирусы.
Однако не подтвердилось предположение Хюбнера и Тодаро о
постоянном присутствии онкогена в составе эндогенного вируса.
Оказалось, что выделенные из нормальных клеток животных «вну-
тренние» вирусы отличаются от обычных онкогенных РНК-содер-
жащих вирусов слабо выраженными онкогенными свойствами или
вообще лишены их. Вместе с тем эндогенные вирусы гораздо чаще
обнаруживаются у тех животных, которые особенно подвержены
заболеванию лейкозами и саркомами.
В таком случае возникает вопрос: не может ли рак переда-
ваться по наследству с помощью «бродячих» онкогенов опухоле-
родных вирусов? Отрицать такую возможность сегодня с прежней
категоричностью уже нельзя. Однако чтобы запустить ракооб-
разующий механизм, необходимо, по-видимому, наличие ряда
внешних факторов — химических канцерогенов, радиоактивных
излучений и др. Возрастные изменения, нерациональное питание,
вообще все то, что нарушает нормальную работу клетки, тоже
может подтолкнуть начало болезни. Видимо, параллельно текут два
процесса: с годами снижается сопротивляемость организма и,
кроме того, под влиянием неблагоприятных внешних факторов
подавляется защитный иммунологический механизм.
Приходится также с сожалением признать, что человеческий
организм не располагает средствами надежной обороны от отхо-
дов современной техники — смолы, сажи, выхлопных газов авто-
мобилей. Заболеваемость злокачественными опухолями становит-
ся своего рода показателем загрязненности окружающей среды.
Итак, после теоретической разработки и прямого эксперимен-
тального доказательства включения ДНК- и РНК-содержащих опу-
холеродных вирусов в геном опухолевой клетки проблема вирус-
ного канцерогенеза практически свеларь к нахождению онкогенов
в структуре онковирусов. Само же понятие онкогена с этого
времени было положено в основу современного представления о
механизме действия опухолеродных вирусов.
Важно отметить, что интеграция вируса с ДНК клетки сама по
себе не обязательно вызывает патологический процесс, в том
числе и опухолевую трансформацию. Примеры, подтверждающие
это положение, широко известны среди различных ДНК-содержа-
щих опухолеродных вирусов, а у эндогенных вирусов это является
просто закономерностью.
Интеграционный принцип взаимодействия вирусного генома с
генетическим аппаратом клетки, по-видимому, имеет общебиоло-
гические значение. Вероятно, такое взаимодействие— один из
факторов эволюции, обеспечивающий обмен генетической инфор-
мацией в биосфере как внутри видов, так и между особями, принад-
лежащими к разным таксономическим (классификационным) груп-
пам среди высших и низших организмов.
Вирусные онкогены: пути расшифровки
235
Установлено, что интеграция имеет место не только при переро-
ждении клеток, но и в случае продуктивной инфекции ДНК-содер-
жащими опухолеродными вирусами (когда воспроизводится новое
вирусное потомство) и, вероятно, очень характерна для них, а в
случае ретровирусов является одним из этапов их вегетативного
репродуктивного цикла.
Механизм физической интеграции вирусной и клеточной ДНК в
настоящее время практически не исследован. Особенно не изу-
чены промежуточные этапы этого процесса. До сих пор централь-
ное место в этой проблеме принадлежит вопросу о специфичности
мест интеграции в клеточной ДНК. Значительный интерес в пер-
спективе будут представлять исследования структурной организа-
ции вирусных ДНК-копий и их синтеза в трансформированных
клетках. Принципиально важны и такие вопросы: существует ли в
вирусной ДНК специфический участок (или точка) для прикрепле-
ния к клеточной ДНК, необходимы ли вирусу для интеграции какие-
либо специфические функции и, наконец, какие клеточные фер-
ментные системы участвуют в этом процессе. Понятно, что ответы
на эти вопросы вплотную приблизят нас к расшифровке механизма
вирусного онкогенеза.
Ученые, работающие над этой проблемой, предполагают, что
процесс интеграции может носить специфический и неспецифиче-
ский характер, причем, вероятно, как в первом случае, так и во
втором клеточные ферменты (полимеразы, нуклеазы, лигазы и
т. д.) участвуют в фиксации вирусного генома. Однако если весь
процесс интеграции осуществляется только клеточными фермент-
ными системами, то, по-видимому, несмотря на его эффектив-
ность, точки разрывов вирусной ДНК могут быть в разных участках,
в том числе и в области онкогенов опухолеродных вирусов. Кроме
того, присоединение вирогенов может происходить к различным
областям клеточной ДНК. В этих случаях, вероятно, трансформа-
ции, как правило, не происходит, и она носит случайный характер,
то есть осуществляется только при условии интеграции неповре-
жденного онкогена с такой областью клеточного генома, где про-
исходит его постоянное функционирование. Специфический про-
цесс, очевидно, напротив, закономерно приводит к опухолевой
трансформации и обусловливается, по-видимому, как вирусными,
так и клеточными ферментными системами. В этом процессе обя-
зательно участвует продукт онкогена вирусов. Разрыв и фиксация
вирусного генома происходят в этом случае так, что онкоген не
повреждается и в дальнейшем может функционировать вместе с
клеточными генами.
Вместе с тем следует отметить, что в настоящее время накопи-
лось достаточно экспериментальных фактов, свидетельству-
ющих о том, что вирусная ДНК воспринимается клеточными защит-
ными механизмами как нормальная составная часть генетического
236
А. И. Агеенко
аппарата клетки, и производимые ею продукты — вирусспецифи-
ческие белки — не повреждают жизнеспособность трансформиро-
ванной клетки.
По мнению большинства современных исследователей, включе-
ние вирусом своей информации (а именно —онкогенов в генетиче-
скую структуру клетки) и есть, как мы уже говорили, прелюдия к
раку. Смесь в одной клетке нормальной и раковой информации
подобна бомбе, причем взрыватель может «сработать» в любое
время.
Раковая информация, повторяем, искажает происходящие в
клетках биологические процессы и «отдает приказы» о производ-
стве раковых клеток. Согласно этим приказам, как сейчас пока-
зано зарубежными и советскими учеными, в частности в нашей
лаборатории вирусологии Московского научно-исследовательско-
го онкологического института имени П. А. Герцена (МНИОИ),
такие пораженные клетки начинают быстрее синтезировать свою
клеточную ДНК и быстрее множиться. Соединение генетического
материала вируса и клетки приводит к изменению наследственной
программы: начинают синтезироваться белки, не свойственные
нормальной клетке и даже чужеродные для организма, что в неко-
торых случаях сопровождается утратой такими клетками способ-
ности регулировать свой рост, иначе говоря, создаются условия для
неконтролируемого клеточного размножения. Но это еще не озна-
чает, что они обязательно начнут безудержно размножаться,
образуя опухоль.
Решающее значение тут имеют защитные силы организма, их
способность блокировать развитие опухоли. Правда, это подчас
бывает трудно сделать, поскольку все канцерогены, как правило,
сильные иммунодепрессанты. И что самое поразительное: онко-
генные вирусы, как было установлено совсем недавно, тоже мо-
гут подавлять иммунные реакции организма. Вызванная вирусом
иммунодепрессия ограничивает адекватный иммунологический
ответ на появляющиеся опухолевые клетки.
Если онкогенный вирус сам не в состоянии «снять» в должной
мере иммунный ответ, ему в этом могут помочь различные канце-
рогены, другие вирусы, физиологический процесс старения или
же, наконец, нарушение обмена веществ.
Иногда защитная реакция может быть ослаблена в силу гормо-
нальной или генетической предрасположенности. Недавно в лабо-
ратории вирусологии МНИОИ была выявлена определенная зави-
симость между генотипом животного и его чувствительностью (или
устойчивостью) к онкогенному и иммунодепрессивному действию
опухолеродного вируса. Иными словами, было показано, что опу-
холи возникают только у животных, генетически восприимчивых к
вирусу.
Следовательно, нельзя исключить, что предпосылки для разви-
Вирусные онкогены: пути расшифровки
237
тия рака возникают довольно часто. Однако организм каждый раз
подавляет их. Все это длится до тех пор, пока однажды не
произойдет «осечка» в защитной реакции.
Итак, интеграция — центральное событие и обязательное ус-
ловие опухолевой трансформации, однако не ее прямая причина,
поскольку она необходима только для включения и передачи ви-
русных онкогенов последующим популяциям клеток.
Что же на сегодняшний день мы знаем об этих раковых генах?
Наиболее исследованы в этом аспекте мелкие ДНК-содержа-
щие вирусы группы полиомавирусов, которые теперь стали клас-
сическими моделями вирусного канцерогенеза. К настоящему
времени благодаря исключительному прогрессу молекулярно-био-
логических исследований составлены полные генетические карты
этих вирусов. Геном их, как было установлено, имеет всего три
гена — один ранний и два поздних (В. Редди и др., США, 1978). Ген
А (ранний) является онкогеном, кодирует неструктурные (не входя-
щие в состав вирионов), ранние белки, т. е. синтезирующиеся до
начала репликации (удвоения) вирусной ДНК. Ген ВС кодирует син-
тез главного структурного белка оболочки вириона UP1, и, нако-
нец, ген D содержит информацию для синтеза структурных белков
UP2 и UP3, нормальное состояние которых, по-видимому, необхо-
димо для «раздевания» вирусной ДНК и синтеза ее копий.
Полиомавирусы высокоонкогенны в лабораторных условиях,
они легко преодолевают тканевые и видовые барьеры — тран-
сформируют разные ткани и обладают способностью вызывать
опухоли у разных видов животных. Вирус полиомы вызывает,
например, 23 типа различных опухолей у 7 видов животных, а
ОВ40 — у 3 видов. В культурах тканей эти вирусы злокачественно
трансформируют клетки различных видов животных, а также и
человека, но в некоторых культурах они вызывают только продук-
тивную инфекцию (воспроизводство вирусного потомства). Причем
крайне важно следующее: если происходит опухолевое переро-
ждение клеток, проявляются только онкогены вируса. В случае же
продуктивной инфекции экспрессируются (функционируют) те
гены вируса, которые участвуют в создании нового вирусного
поколения.
Интеграция полиомавирусов при опухолевой трансформации
происходит таким образом, что онкоген (ген А) не повреждается.
Участок прикрепления вирусного генома определен на генетиче-
ской карте вируса.
Показано, что пусковым механизмом опухолевого превраще-
ния является особый белок — продукт онкогена опухолеродного
вируса. Что он представляет собой и каковы его биологические
функции? Ответ на этот вопрос очень важен, поскольку он
поможет ученым наметить новый путь для предупреждения и лече-
ния рака.
238
А. И. Агеенко
Специально проведенные исследования позволили выявить
продукт гена А полиомавирусов. Им оказался белок, названный
Т-антигеном. В последующем выяснилось, что имеются две фор-
мы Г-антигены: большой (Г-Д) с молекулярной массой 75 000 —
94 000 и малый (t-A) с молекулярной массой 15 000—20 000 (Гриф-
фин с соавт., США, 1978; Смите с соавт., США, 1978). При этом был
обнаружен любопытный факт: формирование матричных РНК
(мРНК), кодирующих синтез этих белков, производился путем
«сшивания» мРНК, списанных с разных участков гена А. «Бес-
смысленные» участки, не несущие генетической информации
(названные интронами от латинского слова «интра» — «внутри»)
при сшивании выбрасывались.
Аналогичный процесс обнаружен в клетках млекопитающих.
Это открытие известный английский ученый Ф. Крик назвал
«мини-революцией» в молекулярной генетике. Дело в том, что
полученная новая информация о строении и функционировании
генов высших организмов, очевидно, не только изменит наши
представления о синтезе белка, но, по-видимому, разрушит и вто-
рую «центральную догму» молекулярной биологии, которая гласит:
«один ген — один белок». Оказалось, что гены птиц и млекопита-
ющих содержат в себе целые участки «бессмысленной» ДНК, сле-
довательно, имеют мозаичную структуру. Вначале с гена делается
промежуточная копия генетической информации, а затем спе-
циальные ферменты вырезают из этой копии «бессмысленные»
куски, после чего сшивают остальное в одно целое. Это целое
поступает на рибосомы — клеточные «фабрики» белкового син-
теза,— где и принимает участие в синтезе. Поскольку при
сшивании могут возникать различные варианты (а это означает в
дальнейшем варианты белка), то, по-видимому, надо сказать:
«один ген — несколько белков». Правда, пока со всей категорич-
ностью утверждать это преждевременно. В настоящее время
интенсивно исследуются интроны на различных системах, в част-
ности, изучается принципиальный вопрос: как монтирующие фер-
менты различают участки генов, несущие информацию и интроны?
Эти исследования важны не только для расшифровки механизмов
онкогенеза, но и для практики генной инженерии.
Установлено, что большой Т-антиген выполняет две основные
функции вирусного генома: осуществляет интеграцию вирусного и
клеточного геномов и активирует синтез ДНК как вируса, так и
клетки. Малый же f-антиген, как показано, по-видимому, действует
только на уровне клеточных мембран (оболочек), обеспечивая
выживаемость трансформированных клеток.
Этот белок действует на участок начала удвоения — репликатор
вирусной ДНК, который, как предполагается, по структуре или бли-
зок, или идентичен репликатору клеточной ДНК. Поэтому Т-антиген
может активировать удвоение и клеточной, и вирусной ДНК одно-
Вирусные онкогены: пути расшифровки
239
временно, т. е., по-видимому, Т-антиген является универсальным
инициатором синтеза как вирусной, так и клеточной ДНК. Функция
белка-инициатора согласно одной из существующих моделей реп-
ликации ДНК заключается в первичном специфическом связыва-
нии клеточных белков — специальных ферментов — с точкой на-
чала репликации ДНК. Затем, функционируя в определенной пос-
ледовательности, клеточные ферменты (РНК-полимераза и др.)
осуществляют репликацию ДНК.
Предполагается, что полная трансформация клеток наступает в
том случае, когда вирусный геном интегрируется в такие участки
клеточного генома, которые активно «вырабатывают» Т-антиген
перед синтезом клеточной ДНК.
Следующую группу тоже ДНК-содержащих опухол^родных
вирусов составляют аденовирусы, которые размножаются в ядрах
клеток, величина их приблизительно равна 60—85 нм (полиома-
вирусов — 43—55). Опухолеродная способность вирусов этой
группы проявляется только при введении их непривычным для них
животным. Например, аденовирусы человека в условиях опыта
вызывают широкий спектр опухолей у хомяков, мышей, крыс и
других грызунов, а также легко трансформируют культуры раз-
личных видов клеток.
В последние годы достигнуты поразительные успехи в картиро-
вании генома аденовирусов. В частности, определена локализа-
ция аденовирусного онкогена. Находится он в левом конце моле-
кулы ДНК и составляет у разных типов аденовирусов от 4 до 7,3%
вирусного генома. Молекулярная масса онкогена 0,75— 1Х106
дальтон, т. е. в десятки раз меньше массы аденовируса
(20—30 ХЮ6). Так, установлено, что в клетках, трансформирован-
ных аденовирусами человека определенных типов, всегда присут-
ствует только левый конец вирусного генома и выявляются белки
(типа Т-антигенов полиомавирусов), кодируемые, по-видимому,
онкогеном. Предполагают, что в этой области вирусного генома
синтезируется один вид мРНК, осуществляющий синтез этих бел-
ков, которые, аналогично ранним белкам полимавирусов, ответ-
ственны за опухолевую трансформацию. В настоящее время при-
рода белков аденовирусов и механизм их действия практически
неизвестны, и эти вопросы нуждаются в дальнейшем тщательном
изучении.
Геном РНК-содержащих онковирусов (их, как мы уже говорили,
называют ретровирусами) состоит из двух идентичных субъединиц
однонитевой РНК, соединенных водородными связями в концевых
участках молекул. Молекулярная масса каждой субъединицы, в
которой содержится вся генетическая информация ретровируса,
варьирует (от вируса к вирусу) в пределах 2,5 хюе — 5 X1Q6 даль-
тон. Сами ретровирусы, в зависимости от локализации и структу-
ры вирионов, подразделяются на четыре основные группы. В одну
240
А. И. Агеенко
из них, притом обширную (более 100 разновидностей), входят виру-
сы, вызывающие в естественных условиях саркомы, лейкозы,
эпителиальные опухоли (раки) птиц, саркомы и лейкозы мышей,
крыс, хомяков, морских свинок и обезьян. Ретровирусы этого типа
обладают исключительной способностью быстро, иногда в тече-
ние суток, трансформировать культуры разных клеток, легко пре-
одолевая тканевые барьеры, поражая самые разнообразные ви-
ды. Таков, например, вирус Рауса, поражающий рептилий, птиц,
млекопитающих.
Конечно, быстрота трансформации у этого типа вирусов как-то
связана с их геномом, но как? Пока сказать трудно. Известно, что
здесь геном составляют четыре гена. Выяснены некоторые функ-
ции не только каждого гена в отдельности, но и групповые. Так,
например, установлено, что трех генов (обозначаемых символами
gag, pol и env) достаточно для воспроизведения вирусного потом-
ства. А ген sarc вместе с так называемой общей областью генома
определяет способность вируса к опухолевому перерождению кле-
ток.
Особенно обращает на себя внимание продукт геназагс —белок
с молекулярной массой 6 х 104 дальтон, обладающий ферментатив-
ной— протёинкиназной— активностью. В нормальных клетках
его в 40—50 раз меньше, чем в перерожденных. Дальнейшие
исследования покажут, не в этом ли секрет высокой активности
ретровирусов определенного типа.
Некоторые данные заставляют также думать о связи тех или
иных видов опухолей с определенным геном. Известно, например,
что у вирусов лейкозов в отличие от вирусов сарком отсутствует
ген sarc. Предполагают, далее, что в механизме действия вирусов
лейкозов проявляет себя гипотетический ген leuc, представля-
ющий собой, вероятно, модифицированный ген env. Интересные
особенности обнаружены и у гена дад. В случаях, когда интегра-
ция полного вирусного генома с геномом клетки не ведет к ее тран-
сформации, а вызывает воспроизводство вирусных частиц, кото-
рое контролирует этот ген, он приобретает в дальнейшем опреде-
ленное значение уже и для онтогенеза. Дело в том, что вновь
образующиеся вирйоны могут включать в свой геном ген sarc, а тот,
попадая в другие клетки, способен вызывать их перерождение.
Весь этот аспект работ является наиболее трудоемким и слож-
ным, но результаты могут быть очень значительными и порой
неожиданными. Перед нами обширнейшее поле для исследова-
ний.
Итак, на сегодняшний день основным достижением и главным
успехом вирусогенетической теории рака следует считать то прин-
ципиально новое, что эта теория дала и дает для понимания и
разработки не только сущности злокачественного роста, но и дру-
гих центральных проблем общей биологии, в частности, проблемы
Вирусные онкогены — пути расшифровки
241
эндогенных вирусов и связанных с ними узловых вопросов гене-
тики клеточного развития.
Сейчас, вероятно, исследователи уже в состоянии выявить зве-
но, где можно ослабить действие агентов, тормозящих размноже-
ние нормальных клеток, что даст несомненный практический
выход. Наиболее перспективный подход для решения столь карди-
нального вопроса современной онковирусологии — это, по-види-
мому, тщательный анализ экспрессии гена sarc. Особо следует под-
черкнуть, что дальнейшая идентификация онкогенных продуктов,
исследование механизмов возникновения онкогенов, анализ их
функционирования и действия являются на ближайшие годы глав-
ными проблемами онкогенеза. Здесь перспективен поиск таких
экспериментальных систем, в которых, во-первых, будет осуще-
ствляться дифференцированная экспрессия лишь тех вирусных
функций, которые обусловливают трансформацию, а во-вторых,
будут отсутствовать последовательности эндогенных вирусов,
идентичные экзогенному ретровирусу. Хороший пример подобных
систем —уже имеющийся широкий набор линий клеток млекопита-
ющих, трансформированных вирусами сарком птиц. Весьма веро-
ятно, что аналогичные системы широко распространены в есте-
ственных условиях не только у различных видов животных, но и у
человека. Относительная же редкость их обнаружения скорее
всего объясняется значительными трудностями определения,
идентификации продуктов отдельных вирусных генов.
Разработанные экспериментальные методы помогают более
углубленному исследованию онкогенеза у людей. Первые шаги в
исследовании злокачественных новообразований человека с
использованием современных возможностей позволили выявить в
клетках сарком, лейкозов и рака молочной железы основные ком-
поненты ретровирусов: высокомолекулярную РНК иревертазу, а в
некоторых случаях и вирионы.
Таким образом, полученные факты сразу же указали, с одной
стороны, на весьма вероятную вирусную природу сарком, лейко-
зов, лимфом и злокачественных опухолей молочных желез у чело-
века, а с другой — на общие закономерности и механизмы онкоге-
неза определенных типов опухолей всех млекопитающих.
Из ДНК-содержащих опухолеродных вирусов вирус Эпштей-
на—Барра (ВЭБ), принадлежащий к вирусам группы герпеса, яв-
ляется наболее вероятным возбудителем лимфомы Беркитта и
карциномы носоглотки. Однако, несмотря на то что многочислен-
ные исследования свидетельствуют о стабильной связи ВЭБ с эти-
ми заболеваниями, однозначно решить вопрос об его участии в
индукции злокачественных новообразований пока не представля-
ется возможным. Вместе с тем роль ВЭБ как этиологического
фактора, вызывающего доброкачественное лимфопролифератив-
ное заболевание — инфекционный мононуклеоз, можно считать
242
А. И. Агеенко
в настоящее время доказанной. А вот при злокачественных лим-
фопролиферативных заболеваниях (хронический лимфолейкоз,
саркоидоз, иные лимфомы) ДНК ВЭБ с помощью современных ме-
тодов в клетках обнаружить не удалось.
Недавно была выделена еще одна новая группа опухолерод-
ных ДНК-содержащих вирусов — паповавирусов человека, по
свойствам идентичных полиомавирусам животных. Все они полу-
чены из двух основных источников: мозга больных прогресси-
рующей многоочаговой лейкоэнцефалопатией (ПМЛ) и мочи лю-
дей с почечным трансплантатом.
Паповавирусы человека широко распространены у людей всех
исследованных континентов (Европа, Северная Африка, Северная
Америка и т. д.). Нейтрализующие антитела к некоторым их штам-
мам обнаруживаются примерно у 8% здоровых людей. У больных с
трансплантатами почек иногда определяются антитела к Т-анти-
гену вируса ВК. Известно, что интенсивная иммунодепрессивная
терапия, например при аллотрансплантатах почек, обычно сопро-
вождается резким увеличением числа лимфом и ретикулоклеточ-
ных сарком (в 35 и 350 раз соответственно). Число опухолей кожи
и губы возрастает в 4 раза, сарком мягких тканей и гепатобилли-
арных карцином — в 21/2 раза. Характерно, что именно у таких
больных удавалось с постоянством изолировать паповавирусы,
этиологическая роль которых в генезе лимфом и ретикулоклеточ-
ных сарком весьма вероятна. Правдоподобность этого положения
приобретает еще большую достоверность, если вспомнить, что
вирус ОВ40 может вызывать у хомяков лимфомы, лейкозы и
остеосаркомы. Уместно также напомнить, что паповавирусы чело-
века были изолированы из клеток ретикулосаркомы мозга и мочи
больных с синдромом Вискотта—Олдрича, для которого характер-
ны резкое подавление гуморального и клеточного иммунитета и
высокий процент опухолей ретикулоэндотелиальной системы
(Такемото, Япония, 1976). Нельзя исключить также участие папова-
вирусов в возникновении и других новообразований у человека,
в частности меланом, в клетках метастазов которых обнаружен
Т-антиген ОВ40 и вирус ОВ40. Кроме того, клетки некоторых
опухолей человека в отличие от нормальных клеток содержат
полный или неполный геном паповавирусов человека, в частности
вируса ВК (Фиори с соавт., США, 1976).
Наконец, в настоящее время широко обсуждается вопрос о
возможной связи между вирусами простого герпеса 1-го и 2-го
типа (ВПГ1 и ВПГ2) и злокачественными опухолями человека*.
В первую очередь это относится к ВПГ2, который согласно наблю-
дениям некоторых авторов тесно ассоциирован с раком шейки
* Об этом см., например, в статье Д. Блашковича «Где скрывается «дремлющий»
вирус герпеса?» в ежегоднике «Наука и человечество 1977». — Ред.
Вирусные онкогены — пути расшифровки
243
матки. Наблюдения эти прежде всего базируются на серологиче-
ских данных о значительно более частом появлении и высоком
титре антител против ВПГ2 у женщин с раком шейки матки по срав-
нению со здоровыми. Вместе с тем подтвердить наличие тесной
связи генома ВПГ2 или его фрагментов с хромосомной ДНК клеток
рака шейки матки человека пока не удалось. В пользу онкогенной
способности ВПГ1 и ВПГ2 свидетельствует, правда, их трансфор-
мирующее действие в отношении клеток хомячка. Вопрос же о
трансформирующем действии этих вирусов на клетки человека до
сих пор остается открытым, так что описанные выше факты не
исключают, но и не подтверждают полностью их прямое участие в
опухолевых процессах у людей.
В заключение следует отметить, что, по-видимому, практиче-
ское приложение вирусогенетической теории рака в клинике в пол-
ном объеме будет реализовано только тогда, когда будут выделены
и идентифицированы опухолеродные вирусы человека. Если бы
была получена сыворотка против компонентов такого вируса, это
позволило бы проверять всех подозреваемых в возникновении у
них опухолевых клеток, определять наличие у них онкогенного
вируса, контролировать эффективность лечения и, наконец, веро-
ятно, проводить иммунотерапию и иммунопрофилактику.
Научный поиск продолжается.

ИСААК ДАВЫДОВИЧ ШАПИРО — энтомолог, доктор биологических наук, про-
фессор, председатель комиссии ВАСХНИЛ по иммунитету, основатель отдела им-
мунологии и экологической физиологии насекомых Всесоюзного научно-исследова-
тельского института защиты растений (ВИЗР). Главное направление исследова-
ний — иммунитет растений к вредителям й экология насекомых.
НИНА АЛЕКСАНДРОВНА ВИЛКОВА — физиолог насекомых, кандидат биологи-
ческих наук, заведующая отделом иммунологии и экологической физиологии насе-
комых ВИЗР. Занимается экологической физиологией и проблемами иммунитета
растений к вредителям.
САМОЗАЩИТА РАСТЕНИЙ ОТ ВРЕДИТЕЛЕЙ.
НОВАЯ ГЛАВА ИММУНОЛОГИИ
Известно, что дикие сородичи культурных растений очень слабо
повреждаются вредителями. Это объясняется специфическими
анатомо-морфологическими особенностями, высоким уровнем со-
держания физиологически активных веществ и другими свойства-
ми, обеспечивающими им самозащиту от многих экстремальных
условий и неблагоприятных факторов.
Селекция обогатила культурные растения высоким содержа-
нием веществ основного обмена в легко усвояемой форме и
снизила содержание важных для самозащиты веществ вторичного
обмена (ухудшающих вкусовые и пищевые достоинства культуры),
а также изменила многие анатомо-морфологические свойства,
затруднявшие технологию выращивания растений.
В итоге культурные виды стали резко отличаться от своих диких
сородичей не только пищевой ценностью, но и резко ослаблен-
Самозащита растений от вредителей
245
ними иммунными барьерами. Человеку пришлось принять на себя
заботу о защите растений, в частности от вредных организмов.
Особенно быстро такая защита начала развиваться в последней
четверти прошлого столетия, когда сельское хозяйство перешло к
товарному производству.
Середина нашего века характеризуется резким усилением
использования в борьбе с вредителями химических средств, пре-
жде всего — синтетических инсектицидов. Простота применения,
высокая эффективность этих препаратов, а также быстрое их дей-
ствие привели к тому, что использование инсектицидов в 50—60-е
гг. стало преобладать среди мероприятий по защите растений.
Всем казалось, что теперь будут решены основные проблемы
борьбы с вредителями.
Однако совершенствование сельскохозяйственного производ-
ства и быстрые темпы научно-технического прогресса 70-х годов
усилили глубину и масштабы воздействия человека на биосферу,
особенно на экологические системы сельскохозяйственных уго-
дий — агробиоценозы, которые все больше теряют способность к
саморегуляции. Кроме того, крупномасштабное и недостаточно
продуманное использование инсектицидов широкого спектра дей-
ствия вело, как оказалось, к уничтожению наряду с вредными насе-
комыми полезных организмов, а также загрязнению окружающей
среды. Поэтому возникла необходимость перейти к новой страте-
гии, призванной не только эффективно снизить потери урожая от
вредителей, но и защитить биосферу от загрязнения, а также
сохранить на полях энтомофагов (насекомоядные виды).
Анализ истории становления и развития защиты растений
позволил нам еще в 60-х годах сделать вывод, что новая стратегия
должна базироваться на широком использовании устойчивых
сортов. Настало время вернуть культурным растениям утраченную
в прошлом способность к самозащите, не ухудшая, конечно, их
положительных, хозяйственно-ценных качеств.
Отечественный и мировой опыт показывает, что эта задача,
несмотря на ее сложность, вполне реальна. Более того, создание
устойчивых к вредителям сортов весьма экономично. Устойчивые
сорта, сдерживая размножение вредителей и ухудшая их физиоло-
гическое состояние, не нуждаются в массированной химической
защите, что обеспечивает на посевах хорошие условия для жизне-
деятельности энтомофагов. На базе широкого использования
устойчивых сортов мы можем перейти в обозримом будущем к
высшей форме защиты растений — управлению агробиоценозами.
Это позволит максимально снизить потери урожая от вредителей и
разрешит возникшие противоречия между защитой растений и
охраной биосферы.
Таковы причины усиливающегося в последнее время внимания
к проблемам иммунитета растений.
246
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
Иммунитет растений к вредителям
В понятие иммунитета растений к насекомым входит обширный
круг явлений, отражающих многогранные, эволюционно сложив-
шиеся взаимосвязи их с фитофагами (растительноядными видами).
Длительная сопряженная эволюция покрытосемянных растений и
их потребителей — насекомых сопровождалась существенными
преобразованиями этих двух групп организмов, затронувшими
самые различные уровни их организации. Одновременно совер-
шенствовались и их иммунные системы. Иммунной защите расте-
ний принадлежит важная роль в приспособительной изменчивости
фитофагов и в современных биогеоценозах и в агробиоценозах.
Учение об иммунитете растений к вредным насекомым — это
молодое развивающееся направление общей иммунологии. В на-
стоящее время старое понимание иммунитета как «полной сво-
боды или освобождения» от патогенов или продуктов их жизнеде-
ятельности значительно расширилось. Современная иммунология
представляет обширную биологическую дисциплину, качественно
отличную от классического учения об иммунитете. Величайший
смысл иммунитета заключен в той роли, которую он играет в
процессах, направленных на поддержание структурной и функцио-
нальной целостности и постоянства внутренней среды любого
организма.
Стало очевидным, что феномен иммунитета означает ту или
иную степень резистентности организма к вредным воздействиям,
которая может варьировать от полной невосприимчивости до чрез-
вычайно слабой устойчивости. Защитные функции связаны с
характером реактивности организма, функциональным состо-
янием его физиологических систем, иммунологической настроен-
ностью, восрастными особенностями, этиологическими факторами
и другими обстоятельствами. Иммунологическая индивидуаль-
ностью, возрастными особенностями, этиологическими факторами
никла на довольно поздних этапах эволюции.
Все выявленные у растений в настоящее время иммунные меха-
низмы правомочно объединить в общую «защитно-восстанови-
тельную систему», обеспечивающую определенную степень гоме-
остаза (постоянства внутренней среды) от неблагоприятных воз-
действий окружающих факторов. Нам представляется, что разви-
тие иммунитета (иммуногенез), его напряжение в те или иные
промежутки времени зависит, с одной стороны, от морфогенетиче-
ского состояния растений и повреждаемых тканей, а с другой — от
специфики повреждающего агента в конкретных условиях окружа-
ющей среды. В упомянутой системе каждая группа факторов зани-
мает определенное, свойственное ей пространственно-временное
положение. Потому любой отдельно взятый (из общей защитно-
восстановительной системы) элемент будет носить лишь подчи-
Самозащита растений от вредителей
247
ненное значение, не давая достаточно объективной характери-
стики иммунологического состояния организма.
Приходится констатировать, что до сих пор отсутствует единая,
отвечающая современному уровню знаний теория, обобщающая
все известные феномены устойчивости растений к вредителям.
Большой вклад в изучение иммунитета растений к вредителям
внесло предшествующее поколение советских ученых — Н. И. Ва-
вилов, Н. Н. Троицкий, В. Н. Щеголев, П. Г. Чесноков и др. Их идеи,
высказанные во второй четверти нашего столетия, были развиты
Р. Пайнтером (США) и другими зарубежными авторами.
Первая классификация барьерных свойств растений была дана
Н. И. Вавиловым в работе «Проблемы иммунитета культурных рас-
тений». Разнообразие защитных барьеров связано в тем, что имму-
нологическая защита организмов осуществляется на трех уровнях:
на организменном, тканевом и молекулярно-генетическом. Меха-
низмы защиты в целостном организме взаимосвязаны и состав-
ляют несколько линий обороны от внедрения повреждающего
агента.
За последнее время в связи с развитием знаний по биоценоло-
гии, этологии (поведению) насекомых, физиологии и биохимии рас-
тений и насекомых эти представления существенно расширились
и в значительной степени трансформировались.
Изучение пищевой специализации насекомых-фитофагов, ха-
рактера их связи с кормовыми (для них) растениями, а также
эволюции взаимодействия системы «насекомое-фитофаг— кор-
мовое растение» помогло нам сформулировать ряд новых пред-
ставлений об иммунитете растений к вредителям. Эти представле-
ния, основываясь на энергетической, вещественной и информа-
ционной сущности связей насекомых-фитофагов с кормовыми
растениями, позволяют ближе подойти к пониманию как извест-
ных, так и ранее неизвестных механизмов иммунитета растений с
самых различных позиций-— эволюционных, экологических,
физиолого-биохимических и молекулярно-генетических (И. Д. Ша-
пиро, Н. А. Вилкова, 1969). Здесь мы попробуем показать перспек-
тивность таких исследований.
Биологическая система
«фитофаг — растение»
Мы исходили из того, что проблемы иммунитета растений к
вредителям в значительной мере являются эколого-биоценотиче-
скими. В их основе лежат, в первую очередь, трофические отноше-
ния хозяина и паразита. Биологическая система «фитофаг — рас-
тение» относится к весьма сложным открытым системам, взаимо-
действие в которой складывается по принципу прямых и обратных
248
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
связей. Эта система претерпела длительную эволюцию, которая
обеспечила ее обоим компонентам возможность сосуществова-
ния. У растений под воздействием фитофагов сформировались
черты, обеспечивающие им защиту от фитофагов и других неблаго-
приятных условий. Эволюция же фитофагов была направлена на
формирование способности преодолевать иммунные барьеры рас-
тений.
Важнейшей специфической особенностью зеленых растений,
отличающей их от всех других форм живых существ, как известно,
является их способность использовать энергию света, преобразо-
вывать ее в химическую энергию и синтезировать различные орга-
нические вещества. Зеленые растения создают базу, необходимую
для существования всех других форм живых организмов, населя-
ющих Землю. Именно поэтому зеленым растениям принадлежит
особая роль в превращении энергии в экологических цепях пита-
ния.
Другая важная особенность растений — их способность к дли-
тельному росту и возобновлению осевых и репродуктивных орга-
нов.
Изменения внутренней среды носят циклический характер:
как в течение суток, так и в онтогенезе (индивидуальном развитии)
растений происходит периодическая смена ростовых и органооб-
разовательных процессов. Ускорение темпов роста у покрытосе-
мянных растений связывают с увеличением и усложнением белко-
вой молекулы. Следствие существенных преобразований белка
покрытосемянных — синтез побочных продуктов жизнедеятельно-
сти растений: эфирных масел, органических кислот, фенолов, фла-
воноидов, алкалоидов, глюкозидов и т. д., имеющих огромное зна-
чение в качестве элементов иммунной системы. В процессе мета-
болизма растений происходит, кроме того, образование биологи-
чески активных веществ, которым принадлежит роль регуляторов
различных функций организма (гормоны, ингибиторы роста и
фитохромы).
Растениям свойственно также формирование весьма различ-
ных специфических выделений, играющих защитную роль от
неблагоприятных воздействий среды, а также покровных тканей,
соплодий, листьев, укрывающих точки роста, семена и целые
соцветия.
Особенности и темпы дифференциации различных тканей рас-
тений, включение в их состав механических элементов, формиро-
вание и разрастание склеренхимных (обеспечивающих механиче-
скую прочность) тканей также имеют существенное значение в
системе охраны целостности растений.
Общими для растений реакциями на те или иные внешние
факторы являются изменения всего хода жизненных процессов,
таких, как задержка или убыстрение роста, ускорение или замед-
Самозащита растений от вредителей
249
ление синтеза определенных веществ и т. д., что связано с
действием регуляторов — гормонов, ферментов, витаминов.
На уровне тканей система надежности растения реализуется
путем рекапитуляции, когда взамен клеток, утративших способ-
ность к той или иной активности, пробуждаются клетки особых
субпопуляций, сохранившихся либо в виде центров покоя, либо
рассеянных по тканям. Верхушечная меристема (ростовая ткань),
представляющая собой доминирующий формообразовательный
центр, обладает высокой устойчивостью к воздействиям внешней
среды. Неоднородность клеток меристемы также служит обеспече-
нию надежности.
А на уровне организма надежность осуществляется благодаря
разного типа регенерациям, активности специальных тканей,
почек и т. д.
Таким образом, иммунитет растений к вредителям обеспечива-
ется общей защитно-восстановительной системой растений, в
которой основная роль отводится так называемому конституцио-
нальному иммунитету*.
Растениям противостоят насекомые, которые среди беспозво-
ночных животных достигли высочайшего уровня развития, в пер-
вую очередь благодаря совершенству своих сенсорных и локомо-
торных систем. Это обеспечило насекомым процветание, завоева-
ние одного из ведущих мест в круговороте веществ в биосфере и
в экологических цепях питания.
Хорошо развитые ноги и крылья в сочетании с высокочувстви-
тельной сенсорной системой позволяют насекомым-фитофагам
активно выбирать интересующие их растения для питания и
откладки яиц. Существенно, что многим видам насекомых свой-
ствен автономный (свободный) от растений образ жизни. Они
легко переселяются с одного растения на другое и только на
отдельных этапах своего развития вступают с растениями в тесный
контакт. Относительно малые размеры насекомых, их высокая
реагентность на условия среды и связанная с этим напряженная
работа их физиологических систем, высокая плодовитость и
хорошо выраженные инстинкты «заботы о потомстве» требуют от
них чрезвычайно высоких энергетических затрат. Поэтому насеко-
мые вообще и фитофаги в частности весьма требовательны к
поступлению энергетических ресурсов с пищей.
Это положение, имеющее общебиологическое значение, важ-
ное при рассмотрении иммунитета растений, было обосновано
нами экспериментально в 60—70-х годах. Одно из общих доказа-
* Конституциональный иммунитет — неспецифический иммунитет, присущий
организму вне зависимости от вредителя. Индуцированный иммунитет — ответная
реакция растения на повреждение, вызванное вредителем. Адаптационный — при-
способительный (форма индуцированного).
250
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
тельств повышенной потребности насекомых в энергетических
веществах — результаты сравнительных исследований активно-
сти основных групп гидролитических ферментов пищеваритель-
ного тракта насекомых-фитофагов. Эти исследования, выполнен-
ные нами на многих видах, показали особую ферментативную
активность карбогидраз. Установленные также соотношения
активностей основных групп гидролаз в кишечниках насекомых
хорошо соответствовали уровню потребностей особей в веще-
ствах основного обмена — углеводах, жирах и белках.
Сопряженная эволюция фитофагов с кормовыми растениями,
по нашим представлениям, привела к перестройке органов чувств,
системы пищеварения, выделения, накопления резервов, а также
конечностей, крыльев, формы и окраски тела и т. д. Пищевая
специализация прйдала соответствующую направленность мета-
болизму фитофагов разных видов и тем самым сыграла решающую
роль в морфогенезе многих других органов и систем, в том числе
и непосредственно не связанных с поиском, приемом и переработ-
кой пищи.
Необходимо подчеркнуть особую роль иммунной защиты расте-
ний в эволюции фитофагов. Эта система, по нашему мнению,
послужила мощным барьером ограничения «аппетита» потребите-
лей. Приспособительная эволюция фитофагов была подчинена
особенностям морфоанатомической конституции, характеру и тем-
пам формирования и дифференциации различных органов и тка-
ней растений в ойтогенезе, особенностям синтеза, транспорта и
резервирования растениями веществ основного и вторичного
обмена. То есть адаптация фитофагов была направлена на морфо-
физиологические приспособления к постоянной смене пластиче-
ских и энергетических ресурсов пищи.
Фитофагам все время приходилось и приходится преодолевать
барьеры иммунной системы растений —тканевой барьер (эпидер-
ма, пробка, склеренхима, древесина), осмотический, ростовой
(большая скорость роста и дифференцировка органов и тканей),
метаболический —• наличие токсических соединений. Это и при-
вело насекомых к использованию лишь определенных органов и
тканей растений, находящихся на тех или иных этапах формирова-
ния.
Типы связей
в системе «фитофаг — растение»
Правильному определению типов связей в системе «фитофаг —
кормовое растение» мы придаем решающее значение для оценки
их роли в эволюции иммунитета растений.
Вслед за М. М. Кашмиловым, автором монографии «Биотине-
Самозащита растений от вредителей
251
Рис. I. Сравнительная перевариваемость (атакуемость) крахмала различных видов и
сортов растений амилазами вредной черепашки. Цифры I—7 — различные сорта
ячменя.
252
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
Рис. 2. Мозаика эндо-
сперма зерновки пше-
ницы разных сортов
(на снимках видны
крахмальные зерна раз-
личных размеров). Сле-
ва — устойчивые к
вредной черепашке
сорта (Украинка, Безос-
тая 1, Приазовская
улучшенная), справа —
неустойчивые (Мироно-
вская 808, Мичуринка,
Аврора)
Самозащита растений от вредителей
253
254
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
Продукты протеолиза, мкг/мл
Продолжительность протеолиза
Рис. 3. Сортовые различия при расщеплении белков (протеолизе) эндо-
сперма пшениц Безостая 1 и Украинка слюнными ферментами (протеа-
зами) вредной черепашки
Самозащита растений от вредителей
255
ский круговорот» (1971), среди этих связей важнейшее место мы
отводим информации и считаем, что взаимодействие между парт-
нерами системы осуществляется благодаря двусторонним инфор-
мационным связям.
Насекомые, вследствие совершенства своих органов чувств,
воспринимают информацию о свойствах растения и руководству-
ются ею при выборе пищи и откладке яиц. Это информация о
внешних особенностях растений (включая окраску), физиолого-
биохимических состояниях, а также о различиях в молекулярном
строении веществ, продуцируемых растениями разных видов и
сортов. Выполненные в последние годы нами и нашими сотрудни-
ками исследования показали, что насекомые хорошо различают не
только вещества вторичного обмена растений, выделяемые,
например, нектарниками, но и ростовые гормоны, аминокислоты, а
также улавливают различия в уровнях содержания разных молеку-
лярных форм углеводов и других веществ основного обмена. Нами
впервые было также установлено, что при выборе растений для
питания большое значение имеет информация, получаемая о ско-
ростях роста растений и их отдельных органов.
В то же время, согласно правилу обратной связи, поврежденное
растение «использует» информацию о генетических и фенотипиче-
ских признаках врагов, то есть о способах, с ромощью которых
вредители распознают добычу, о методах их нападения на расте-
ния ит. д. В ответ включаются механизмы растения, связанные с
регенерацией поврежденных тканей и дополнительным формиро-
ванием органов, взамен утраченных. Полученная растением
информация о фитофаге лежит в основе адаптаций, направленных
на совершенствование системы иммунной защиты.
Насекомые, как уже указывалось, весьма требовательны к
энергетике. Известно, что углеводы служат основным и наиболее
эффективным источником биологической энергии животных орга-
низмов. Окисление углеводов идет с наименьшей затратой энер-
гии. Обеспечение ими — первостепенная и более срочная функция
организма, чем пластическое обеспечение. Скорость и глубина
гидролиза сложных углеводов растений при пищеварении имеет
для насекомых важнейшее жизненное значение.
Положительный энергетический баланс животных зависит,
конечно, не только от уровня содержания в пищевом субстрате
энергетических веществ, но и от быстроты, легкости и степени их
перевариваемости. В зонах слабо дифференцированных (моло-
дых) тканей растений насекомые встречают преимущественно
такие формы соединений, гидролиз которых значительно проще по
сравнению с более сложными формами биополимеров в высоко-
специализированных тканях.
При усвоении биополимеров растений в процессе пищеварения
большое значение имеет степень стереохимического соответствия
256
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
Рис. 4. Морфофункциональные изменения слюнных желез личинок шведской мухи
при питании различными кормовыми растениями и их органами. Показаны попереч-
ные срезы слюнной железы личинки при питании ее на овсе (А), конусах нарастания
(Б) и листьях (В — молодых, бесцветных, Д — зеленых) кукурузы сорта Кичкасская,
растениях кукурузы сорта Одесская 10 (Г), ячмене (Е). Чем трудней переваривание,
тем крупнее клетки железы
гидролитических ферментов потребителя молекулярным структу-
рам пищи. Лишь при таком соответствии обеспечивается быстрое
их всасывание. И наоборот, энергетические затраты на перевари-
вание пищи резко возрастают при недостаточном стереохимиче-
ском ее соответствии гидролазам насекомого. В последнем слу-
чае КПД пищи снижается и может упасть до такой степени, что
расход энергии на гидролиз тех или иных веществ не компенсиру-
ется. Это весьма отрицательно сказывается на общем физиологи-
ческом состоянии вредителя.
Наше положение можно наглядно продемонстрировать на
клопе — вредной черепашке, одном из важнейших сельскохозяй-
ственных вредителей, повреждающих зерновки пшеницы. Нами
было установлено, что крахмалы разных видов растений и разных
сортов пшеницы переваривались амилазами вредной черепашки с
разной скоростью и в различной степени. Скорость гидролиза
крахмала эндосперма устойчивых к этому вредителю сортов (на-
пример, пшеницы Украинка) была во много раз ниже, чем неустой-
чивого сорта пшеницы Безостая 1 (рис. 1). Как было показано,
среди причин, обусловливающих лучшее переваривание, важное
место принадлежит особенностям строения крахмальных зерен и
соотношению содержания в крахмале амилозы и аминопектина.
Изучение патогенеза эндосперма различных сортов пшеницы,
Самозащита растений от вредителей
257
поврежденных вредной черепашкой и другими видами хлебных
клопов, позволило установить факт преимущественного гидролиза
мелкозернистого крахмала по сравнению с крупнозернистым.
А поскольку соотношение разных по размеру фракций крахмала,
составляющих мозаику эндосперма, принадлежит к категории
генетических признаков, то характер мозаики эндосперма того или
иного сорта злаков был выдвинут в качестве критерия устойчиво-
сти растений к вредной черепашке и другим видам хлебных клопов
(рис. 2).
Таким образом, впервые было показано значение углеводов и
их структурных особенностей в иммунной системе растений, обес-
печивающей их устойчивость к вредителям. Нам представляется,
что это открытие должно привлечь внимание иммунологов фитофа-
гов и животных, поскольку оно имеет общебиологическое значе-
ние.
Аналогичная связь между генетической принадлежностью, фор-
мой полимера и эффективностью ферментативного расщепления
была установлена и при воздействии гидролаз вредной черепашки
на нативные (природные) белки эндосперма. Детальное изучение
расщепления (можно также сказать — атакуемости) белков эндос-
перма различных сортов пшеницы протеазами вредителя позво-
лило выявить существенные различия в скоростях реакции и появ-
ления продуктов протеолиза (рис. 3). Было показано, что низкие
скорости переваривания некоторых белков могут также служить
существенным фактором снижения эффективности белкового
питания вредителя. В связи с этим степень атакуемости нативного
белка была также предложена нами как один из критериев устой-
чивости растений к вредителям.
Такого же порядка явления установлены в отношении перева-
ривания гидролазами вредителей (вредная черепашка, гороховая
зерновка и др.) липидов: при питании насекомых устойчивыми рас-
тениями у них повышается активность липолитических ферментов.
Это дает основание полагать, что сделанный нами вывод о
значении в иммунитете растений структурных особенностей основ-
ных биополимеров может быть распространен и на липиды расте-
ний. Следует подчеркнуть, что при усвоении фитофагом биополи-
меров важным является не только уровень их абсолютной перева-
риваемости, но и сама скорость переваривания, поскольку послед-
няя лимитирует возможность утилизации продуктов гидролиза.
Ранее не известная в иммунологии роль феномена различного
уровня атакуемости биополимеров, определяющего степень их
доступности для питания фитофагов, показана нами и на примерах
функционирования пищеварительных желез вредителей (рис. 4), а
также адаптивных изменений активности гидролаз при использо-
вании насекомых трудно перевариваемой ими пищи.
Таким образом, нами был открыт новый класс явлений иммуни-
258
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
тета растений к вредителям, выражающийся в низком уровне ата-
куемое™ основных биополимеров растений гидролазами вредных
организмов. Понижение уровня атакуемое™ весьма важно для
поддержания устойчивости растений, поскольку диапазон чувстви-
тельности вредных организмов к структурным особенностям поли-
меров пищевого субстрата крайне низок.
Интенсивно изучаемый теперь этот класс явлений, по нашему
убеждению, имеет общее значение в иммунологии, поскольку отра-
жает общебиологическую закономерность, вытекающую из поло-
жения об обязательном, эволюционно закрепленном стереохими-
ческом соответствии ферментных систем того или иного орга-
низма химическим структурам питательных веществ.
Выдвинутый нами энергетический подход к пониманию явлений
иммунитета дает возможность значительно глубже и шире оценить
и полнее понять влияние устойчивых сортов растений на физиоло-
гическое состояние вредителя. Основы взаимодействия вхозяино-
паразитной системе сточки зрения реальных — абсолютных и вре-
менных— возможностей паразита базируются на подавлении
(преодолении) как отдельных барьеров иммунной системы хозя-
ина, так и всей системы в целом. Это открывает совершенно новые
горизонты в иммунологии. В частности, создаются предпосылки
для прогнозирования массовых размножений вредных организмов
и развития эпифитотий и эпидемий, основанных на энергетических
оценках атакуемое™ паразитом углеводов и других основных био-
полимеров хозяина.
Здесь уместно напомнить, что насекомые, как и другие живот-
ные, не могут сами синтезировать многие вещества, необходимые
для их жизнедеятельности. Эти вещества, получившие название
незаменимых, насекомые-фитофаги берут из растений. К незаме-
нимым относятся многие аминокислоты, ненасыщенные жирные
кислоты, стероиды, витамины и др. Важное значение имеет также
степень сбалансированности различных питательных веществ в
соответствии с требованиями насекомого. Так, известно, что
несбалансированность рационов по незаменимым питательным
веществам, в том числе и по аминокислотам, легко усвояемым
углеводам, витаминам и другим элементам, приводит к неэффек-
тивному использованию основных компонентов пищи. В этой
связи большое иммунологическое значение приобретает, повторя-
ем, уровень атакуемости биополимеров пищи гидролазами потре-
бителя. При низком уровне атакуемости даже те растения, которые
характеризуются высокой биологической ценностью, становятся
«вещью в себе», поскольку их высокие потенциалы не могут быть
реализованы потребителем в реальную пищевую ценность. Тогда у
насекомого-фитофага возникает дезинтеграция жизненных
процессов, классифицированная Н. А. Вилковой как синдром
неполного голодания.
Самозащита растений от вредителей
259
Нам представляется, что рассмотрение с изложенных позиций
теорий так называемой питательно-тормозящей и неполной среды
позволит найти общие подходы к пониманию взаимодействия в
системе «возбудитель заболевания — растение» и внесет много
нового в проблемы патологии растений, вызываемой грибами, бак-
териями и другими микроорганизмами.
Атакуемость биополимеров хозяина ферментами потребителя
(паразита), их стереохимическое соответствие, очевидно, имеет
прямое отношение и к сложной проблеме химической комплемен-
тарное™ (взаимодополняемости) различных соединений, которой
отводится большое место в теории общей иммунологии. Мы пола-
гаем, что полученные нами материалы по особенностям питания и
пищеварения насекомых-фитофагов на растениях разных сортов
помогут подойти ближе к пониманию механизмов, лежащих в
основе комплементарности.
Усложнение формы полимеров пищевого субстрата, свойствен-
ное устойчивым сортам, приводит к различного рода отклонениям
в жизнедеятельности фитофагов. На примере ряда видов насеко-
мых были показаны существенные отклонения от нормы стере-
отипа пищевого поведения. Это сказывается в увеличении вре-
мени на поисково-ориентировочные реакции и пищеварение у
потребителя и, как уже нами отмечалось, приводит к развитию у
него компенсаторно-приспособительных реакций. Все эти откло-
нения весьма существенно повышают энергетические затраты на
поиски, добычу и переваривание пищи и резко ухудшают энергети-
ческий бюджет вредителей.
Следует подчеркнуть, что привыкание вредителей к устойчивым
сортам, при питании на которых проявляется синдром неполного
голодания, практически исключается, так как преодоление струк-
турного барьера на молекулярном уровне за относительно корот-
кий срок существования сорта (10—15 лет) невозможно. Это
открывает надежный путь преодоления извечного «соревнова-
ния», столь характерного для обоих партнеров биологической
системы «паразит — хозяин».
Физиологически активные вещества
и другие иммунологические барьеры
Среди факторов, вызывающих в организме насекомых отклоне-
ния от нормы, в настоящее время широко исследуется роль
веществ вторичного обмена растений. Физиологически активные
вещества, содержащиеся в растениях и относящиеся к разным
классам химических соединений, могут вызывать у насекомых-
фитофагов разнообразные по характеру и глубине воздействия
физиологические эффекты. Питание на растениях, содержащих
260
И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова
высокие концентрации этих веществ, приводит к депрессии физио-
логического состояния и зачастую к гибели насекомых. Некоторые
биологические соединения устойчивых форм растений служат при-
чиной поражения или нарушения функций нервной, эндокринной,
половой, пищеварительной и других систем насекомых.
В последнее время показано, что гормоны роста растений (ин-
доло-уксусная кислота, гибберелин, кинетин) не безразличны для
фитофагов. Они оказывают влияние на поведение насекомых и на
их физиологическое состояние. В литературе появляются также
сведения о том, что источником привлекающих веществ — аттрак-
тантов, феромонов, а также гормонов насекомых, являются расте-
ния. Считается, что по крайней мере предшественники этих
веществ черпаются насекомыми из растений. Уровень содержания
предшественников в разных видах и сортах растений может суще-
ственно различаться.
Высокий уровень веществ вторичного обмена в растениях ока-
зывает, по-видимому, не только прямое отрицательное воздей-
ствие на потребителей, но и глубокое косвенное.
Таким образом, вещества вторичного обмена — важный барьер
в иммунной системе растений. Они участвуют в конституциональ-
ном и индуцированном иммунитете. Однако использование челове-
ком приемов, повышающих содержание этих веществ при селек-
ции устойчивых форм растений, имеет существенные ограничения:
высокий уровень содержания веществ вторичного обмена в расте-
ниях, как мы уже говорили, резко ухудшает вкусовые и пищевые
качества культуры. Многие вещества вторичного обмена, видимо,
являются также факторами внутренней регуляции метаболических
процессов и самого растения-хозяина. Повышая уровень их содер-
жания, можно, к сожалению, затормозить развитие биомассы и
генеративной сферы растений.
В ряде случаев токсичность веществ вторичного обмена для
насекомого-потребителя проявляется только при их гидролизе
специфическими ферментами. Так, ферментативный гидролиз глю-
козиналатов, содержащихся в растениях семейства крестоцвет-
ных, приводит к образованию аглюконов. Последние обусловли-
вают острый запах, характерный привкус и токсичность растений
для многих животных. Считается, что глюкозиналаты и расщепля-
ющие их ферменты в растении пространственно разобщены.
Поэтому образование, например, продуктов гидролиза изотиоциа-
натов и тиоцианатов происходит в основном при разрушении рас-
тительных тканей повреждающим агентом и, в частности, вреди-
телем. Аналогичные явления наблюдаются при поглощении 6-мета-
оксибензазолинона, содержащегося в устойчивой кукурузе, куку-
рузным мотыльком.
Эти факторы открывают путь для понимания механизмов фор-
мирования индуцированного иммунитета растений к вредителям,
Самозащита растений от вредителей
261
возникающего на базе присутствующих в растениях веществ вто-
ричного обмена.
Во многих случаях, как это было впервые показано И. Д. Ша-
пиро в 50-х годах, рост растений выступает в качестве барьера при
выборе того или иного растения или его отдельных органов для
откладки насекомыми яиц. Особенности роста листьев, стеблей,
количественные и качественные преобразования в тканях генера-
тивной сферы приводят к самоочищению растений от вредителя
или оказывают губительное воздействие на его яйца и личинки. Эти
феномены еще далеко не достаточно оценены как факторы, обу-
словливающие устойчивость растений к насекомым. Вместе с тем
они имеют бесспорное значение в общей системе иммунитета рас-
тений и требуют дальнейших подробных исследований.
Возможности реакций растений на вредителей, как мы думаем,
во многом определяются энергией роста и степенью дифферен-
циации листьев и других органов. Так, воздействие выделений
слюнных желез некоторых видов насекомых, клещей в частности,
на меристематические (ростовые) зоны растений приводит к опу-
холевому разрастанию тканей и формированию галлов и терат
(уродств)*. Эти новообразования, изолирующие фитофагов от
здоровых тканей, равно как и саму реакцию сверхчувствительно-
сти тканей, можно рассматривать как одну из форм индуцирован-
ного иммунитета растений к вредителям.
Дальнейшее изучение таких интимных взаимосвязей в системе
«вредитель — кормовое растение» позволит выявить еще многие
«узкие места» на пути использования вредителями растений раз-
ных сортов. Мобилизация этих узких мест селекционерами позво-
лит эффективно ограничивать энергетическое и пластическое
обеспечение вредных организмов.
Огромный интерес представляет развитие исследований
информационных связей между вредителем (паразитом) и хозя-
ином. На этом пути лежат еще многие открытия, которые также,
несомненно, обогатят теорию и практику иммунитета растений и
селекции устойчивых сортов.
В заключение мы хотим, кроме того, подчеркнуть, что несмотря
на глубокие различия между объектами, изучаемыми нами и меди-
цинскими иммунологами, и там и тут наметился ряд общих законо-
мерностей проявления иммунитета. Поэтому мы полагаем, что
содружество между энтомологами и медицинскими иммунологами
будет способствовать обогащению общей теории иммунитета
живых организмов.
* См., например, статью Э. И. Слепяна «Фитоонкология» в ежегоднике «Буду-
щее науки» (выпуск одиннадцатый). 1978 г. — Ред.

МИХАИЛ СТЕПАНОВИЧ РУНЧЕВ -— специалист в облас-
ти сельскохозяйственного машиностроения, академик
ВАСХНИЛ, директор Всероссийского научно-исследова-
тельского и проектно-технологического института механи-
зации и электрификации сельского хозяйства (г. Зерноград).
Главное направление научной работы — создание систем
машин и универсализация сельскохозяйственной техники.
СИСТЕМА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
Земледелие и животноводство — самые древние области мате-
риального производства, но механизация труда здесь проходила
значительно медленнее, чем в промышленности. Это объясняется
прежде всего особенностями сельскохозяйственной сферы, а
именно ее сезонностью, цикличностью и зависимостью от многих
факторов природы. Постоянные изменения условий, объемов и
технологий работ усложняют создание средств механизации, необ-
ходимых для возделывания растительных культур и развития про-
дуктивных животных. Требования к технологическим процессам на
полях и фермах специфичны. Рост населения городов, связанный
с развитием промышленности, сокращение трудовых ресурсов на
селе при одновременном увеличении потребности в продуктах
питания и сырье для промышленности вынуждают создавать и вне-
дрять все новые средства механизации.
Этот процесс начался в основном в начале XX в., и к насто-
ящему времени сделано немало, особенно в высокоразвитых стра-
Система сельскохозяйственных машин: теория и практика
263
нах мира. Несмотря на то, что наша страна приступила к индустриа-
лизации сельского хозяйства значительно позже других стран,
внедрение средств механизации в колхозах и совхозах осуще-
ствляется у нас значительно быстрее, чем в странах капитала,
поскольку там сельское хозяйство базируется на мелких фермах,
где не всегда экономически целесообразно применять сложную
высокопроизводительную и дорогостоящую технику. Колхозы и
совхозы нашей страны — это самые крупные сельскохозяйствен-
ные предприятия в мире, и значит — хорошая основа эффектив-
ного и экономичного использования современных технических
средств.
На вооружении сельского хозяйства СССР имеется достаточное
количество техники — более 2,5 млн. тракторов, более-700 тыс.
зерноуборочных, более 280 тыс, силосоуборочных и 54 тыс. куку-
рузоуборочных комбайнов, 1 млн. плугов, 1,3 млн. сеялок и т. д.
Каждый год в нашей стране выпускается, например, больше трак-
торов, чем в США, ФРГ, Англии и Италии, вместе взятых. Энерге-
тические мощности сельского хозяйства в настоящее время со-
ставляют 525 млн. л. с., энерговооруженность каждого работа-
ющего здесь — 17 л. с. (против 0,5 л. с. в дореволюционный
период). Поставки техники сельскому хозяйству обеспечивают
комплексную механизацию возделывания зерновых и техниче-
ских культур. Значительно повысился уровень механизации в
овощеводстве, садоводстве, виноградарстве и животноводстве.
Но если техники достаточно, то совершенство, качество, надеж-
ность и долговечность многих машин все еще не отвечают совре-
менным требованиям. Эти требования растут, поскольку увеличи-
вается сложность машин, форсируются режимы их сезонной рабо-
ты, осваиваются новые пашни в районах со сложными климатиче-
скими и рельефными условиями. Кроме того, ждут своего решения
новые проблемы. Одна из них — создание оптимального набора
сельскохозяйственных машин для проведения всего комплекса
работ в той или иной сельскохозяйственной отрасли. Другая важ-
ная проблема, рожденная нашим веком, — уменьшение разруша-
ющего воздействия рабочих органов машин на почву. Уплотнение
и распыление почвы могут снизить урожай на 10—15%. Здесь суще-
ственную помощь исследователям окажет моделирование процес-
сов, возникающих при обработке пашни и жатве. Будут разрабо-
таны новые технические системы, минимально разрушающие пло-
дородный слой, а также нормативы допустимых воздействий
машин на почву. Новые проблемы множатся...
Июльский (1978 г.) Пленум ЦК КПСС поставил задачу в одиннад-
цатой пятилетке завершить комплексную механизацию возделыва-
ния всех важнейших сельскохозяйственных культур и в макси-
мальной степени повысить уровень механизации животноводства.
В связи с этим на одиннадцатую пятилетку предусмотрено увели-
264
М. С. Рунчев
чение поставок современных энергонасыщенных тракторов с пол-
ным набором машин и орудий, грузовых автомобилей, высокопро-
изводительных комбайнов, кормоуборочных машин и другой
сельскохозяйственной техники. В соответствии с государствен-
ными планами развития научно-технического прогресса в сель-
ском хозяйстве в настоящее время развернута большая работа
по реконструкции заводов сельскохозяйственного машинострое-
ния, научному обоснованию разработок и освоения новой тех-
ники на ближайшую и дальнюю перспективу.
Основное направление в комплексной механизации процессов
производства и переработке продукции полеводства — это созда-
ние и внедрение принципиально новых машинных технологий,
высокопроизводительных технических средств и автоматизиро-
ванных предприятий, обеспечивающих резкое (в 2—3 раза) повы-
шение производительности труда и снижение себестоимости про-
дукции.
Что заставляет думать о создании новой комплексной техники?
Дело в том, что в настоящее время на вооружение сельского хозяй-
ства поступает большое количество тракторов различных марок и
модификаций. Многие из них малой мощности. Еще большим раз-
нообразием и к тому же несовершенством отличаются прицепные
и другие машины. Большое и не всегда оправданное разнообразие
техники увеличивает потребность в машинах, кадрах, усложняет
хранение, ремонт, обслуживание и организацию механизирован-
ных работ. Например, почвообрабатывающие и посевные машины
малой ширины захвата не могут использовать тяговую мощность
тракторов 75, 150 и 300 л. с.
В связи с этим работники сельского хозяйства вынуждены
составлять неуклюжие рабочие агрегаты из нескольких машин.
Здесь требуется специальная сцепка. Агрегаты из нескольких
машин металлоемки, неманевренны, неудобны в управлении и
транспортировании. Процесс сцепления трудоемок, требует боль-
шого количества прицепщиков. Все вместе взятое приводит к
низкой производительности и малой эффективности средств
механизации. Устранить такие недостатки можно путем создания
энергонасыщенных и скоростных тракторов, а также широкозах-
ватных бессцепочных машин, которые приводятся в рабочее
положение или складываются при транспортировании гидросис-
темами. Новые агрегаты, состоящие из энергонасыщенных ско-
ростных тракторов и одной или двух широкозахватных машин, в
настоящее время созданы, проходят полевые испытания и по-
казывают высокую эффективность.
При любой новой технологии основную тягловую роль в пахот-
ных, посевных, уборочных, кормоприготовительных и других
процессах играют тракторы. Они должны, конечно, соответственно
Система сельскохозяйственных машин: теория и практика
265
совершенствоваться, изменяться. Научные исследования в обла-
сти тракторной энергетики направляются на повышение единичной
мощности сельскохозяйственных тракторов, их универсальности
за счет глубокой (до 20—40%) балластировки (нагрузки), допуска-
ющей работу в различных классах тяги, и на этой основе — на
создание тракторов общего назначения класса тяги 35—50 кН
мощностью 185 кВт, 80 кН мощностью 370 кВт и пропашного
трактора класса тяги 20 кН мощностью 110 кВт.
Наряду с работами по энергонасыщению тракторов и других
машин уже начата научная разработка к ним унифицированных
одномашинных секционных и широкозахватных бессцепочных
агрегатов, обслуживаемых одним механизатором. Они обеспечи-
вают поточность сельскохозяйственных операций при полевых
работах. Это снижает металлоемкость, повышает качество труда.
В области механизации уборки основных сельскохозяйствен-
ных культур важнейшее направление научных исследований —
резкое повышение производительности единичных агрегатов, уни-
версальность уборочных машин, выделение из процессов жатвы
тех или иных стационарных операций.
Здесь особенно перспективно разделение (на новом техниче-
ском уровне) технологических процессов уборки и первичной
послеуборочной переработки продуктов урожая на отдельные опе-
рации, однотипные для целой группы сельскохозяйственных куль-
тур (зерновые, бобовые, злаковые и злако-бобовые смеси, силос-
ные, технические и другие культуры).
Весьма целесообразно создать зерновой комбайн, способный
работать по различным технологиям и в разных режимах. Напри-
мер, при уборке зерновых культур комбайн разделяет ворох (обмо-
лоченное зерно с половой, соломой и пр.) или же выдает его в
бункер, а потом ворох разделяется стационарными агрегатами.
Универсальный комбайн может измельчить попутно полову и
солому и собрать их вместе для дальнейшей транспортировки. Но
он способен обеспечить работу и в таком режиме, когда полова
собирается в транспортные средства, а неизмельченная солома
укладывается в валок и подбирается подборщиком-копнителем.
К универсальным комбайнам должны придаваться комплекты
приспособлений для уборки масличных, бобовых и других культур.
Транспортные средства, используемые для сбора и транспортиро-
вания урожая зерновых культур, будут приспособлены и для
работы с кормовыми культурами, причем не только во время
уборки, но и при сушке, подработке, приготовлении и подаче
кормов к местам скармливания.
Такой подход при создании техники для сельского хозяйства
обеспечит высокую эффективность применяемых машин и меха-
низмов. Тогда будет возможно процесс уборки и первичной обра-
ботки всего биологического урожая основных полевых культур
266
М. С. Рунчев
осуществлять однотипными машинами, а в случае несовпадения
сроков уборки (что не редкость в условиях южной, например,
степной зоны нашей страны) — одним и тем же машинным компле-
ксом. Уборка по указанной технологии должна будет осуще-
ствляться комплексом мобильных и стационарных машин, а
именно жатвенными агрегатами с шириной захвата до 10—12 м,
подборщиком-стогообразователем производительностью не ме-
нее 20 кг/с; питателем-дозатором с высокопроизводительным
измельчителем растительной массы (до 50 т/ч), стационарным
молотильным блоком производительностью до 20—30 кг/с.
Измененные технологии предъявляют новые требования не
только к тем или иным механизмам, но и к самим сельскохозяй-
ственным культурам. Важное условие развития научно-техниче-
ского прогресса в полеводстве— выведение селекционерами
сортов растений, обладающих наряду с высокими продуктивными
качествами и урожайностью повышенной приспособленностью к
машинной технологии возделывания, уборке и переработке
продуктов урожая. Здесь необходима также разработка агротех-
ники возделывания полевых культур, способствующая наилучшему
развитию новых сортов растений, сохраняющая и повышающая
плодородие почв и ориентированная на применение мощной высо-
копроизводительной техники.
Можно усовершенствовать технику, создать новые, приспо-
собленные к ней сорта растений, но этого мало. Использование
новых машин требует также разработки и внедрения рациональной
системы организации инженерно-технического обеспечения про-
изводственных процессов.
Совместный опыт ученых и практиков станет основой этой
системы. Здесь надо будет обосновать и разработать (учитывая
зональные особенности) оптимальные структуры и формы органи-
зации Людей и техники. Изучение работы функциональных звеньев,
внутрихозяйственных и межхозяйственных комплексов, механизи-
рованных отрядов, машинно-тракторных объединений и т. д. помо-
жет обеспечить наилучшее приложение труда и наиболее полную
загрузку механизмов.
Новые условия специализации и концентрации потребуют также
научного совершенствования инженерно-технической службы и
службы управления производством. Здесь необходимо будет не
только учитывать пути развития техники, но и по-новому использо-
вать ремонтно-обслуживающие базы, развивать взаимоотношения
со смежными отраслями народного хозяйства.
Помимо всего этого, потребуется научная разработка и созда-
ние материально-технической базы инженерной службы как
отдельных хозяйств, так и межхозяйственных объединений и
регионов специально для хранения техники, ее подготовки, техно-
логической настройки, технического обслуживания и ремонта.
Система сельскохозяйственных машин: теория и практика
267
Какие общие требования кладутся учеными в основу прогрес-
сивных форм организации механизированных сельскохозяйствен-
ных работ?
Прежде всего соответствие особенностям производства, а
именно сезонности, цикличности, постоянным изменениям объ-
емов и условий работ. Не менее важно и другое. Новые организа-
ционные формы, разработанные специалистами, предусматри-
вают концентрацию техники в крупных коллективах, что не только
облегчает управление и обслуживание, но позволяет успешнее
проводить разделение труда. В крупных подразделениях легче
маневрировать техникой и рабочей силой. Большие коллективы
могут иметь в своем составе мелкие подразделения, которые при
необходимости перестраиваются, учитывая период года и виды
выполняемых работ. Такие подразделения обеспечивают выпол-
нение полного цикла, а не отдельных операций, что отвечает требо-
ваниям цикличности сельскохозяйственного производства.
Разделение труда в крупных коллективах имеет большое
социально-экономическое значение. Труд механизаторов стано-
вится более привлекательным, поскольку облегчается и лучше
оплачивается, что способствует закреплению и привлечению рабо-
чей силы в сельское хозяйство. Работа сельского механизатора
становится разновидностью труда промышленного. И следова-
тельно, за этими формами труда — большое будущее.
Новые задачи механизации сельского хозяйства выдвигают
важные проблемы перед теорией. Особая роль в работе исследо-
вателей должна быть отведена научному обоснованию и разра-
ботке перспективной «Системы машин»— системы, наиболее
полно отвечающей задачам комплексной механизации расте-
ниеводства и животноводства страны. Разрабатываемая научны-
ми учреждениями и организациями сельского хозяйства, про-
мышленности, других министерств и ведомств «Система машин»
должна иметь законодательную силу и определять техническую
политику в сельском хозяйстве страны. «Система машин» учи-
тывает:
—	технические средства, поставляемые сельскому хозяйству;
—	технические средства, намечаемые к постановке на про-
изводство в определенные годы;
— технические средства, находящиеся на различных стадиях
разработки (государственные испытания, производственная про-
верка, поисковые исследования).
«Система машин» будет определять наиболее перспективные
направления развития комплексной механизации и автоматизации
сельскохозяйственного производства и предусматривать наибо-
лее существенные изменения производственных процессов, обес-
печивающих получение новых качественных показателей.
«Система машин» предъявляет большие, в чем-то своеобраз-
268
М. С. Рунчев
ные, требования к теоретикам. В самом деле, переход сельского
хозяйства на промышленные технологии с поточными линиями
нуждается в таких фундаментальных предпосылках, которые луч-
шим образом учитывают, как уже говорилось, специфику осваива-
емых областей труда. Теоретические основы создания средств
механизации для сельского хозяйства будут, конечно, значительно
отличаться от аналогичных в промышленности.
Академия наук СССР, ВАСХНИЛ, республиканские академии
наук, ведущие научно-исследовательские, конструкторские и тех-
нологические институты осуществляют и другие фундаментальные
научные разработки, например, в области сельскохозяйственной
техники будущих поколений. Важными составными элементами
этих комплексов будут манипуляторы, роботы, шагающие машины,
предназначенные для выполнения тяжелых, вредных и «непре-
стижных», непривлекательных операций. Разработка принци-
пиальных кинематических и динамических схем таких комплексов
опирается на достижения других отраслей науки — прикладной
математики, вычислительной техники, теории машин и механиз-
мов, теории управления и т. д.
Важной задачей становится и перевод все более усложня-
ющихся расчетно-конструкторских работ на ЭВМ, а также приме-
нение системы автоматического проектирования в конструирова-
нии машин для земледелия и животноводства. Такая система
позволит сократить сроки проектирования и облегчит выбор опти-
мальных параметров функционирования и эксплуатации машин.
Объединенные усилия теоретиков и практиков дадут в конечном
счете свои плоды. Мы сможем получать гарантированные урожаи
и продукцию высокого качества независимо от складывающихся
погодных условий и при минимальных потерях.
АСАН КЕМЕЛОВИЧ АБЕТЕКОВ — археолог, историк
культуры, старший научный сотрудник сектора археологии
Института истории АН Киргизской ССР. С I960 г. занима-
ется исследованием археологических памятников кочевого
населения Киргизии, опубликовал около 40 научных работ.
Один из авторов монографических исследований «Археоло-
гические памятники Таласской долины», «Древняя и ранне-
средневековая культура Киргизии», «Кетмень-Тюбе», «Ко-
чевники Средней Азии и Восточного Туркестана».
КОЧЕВНИКИ ДРЕВНЕЙ КИРГИЗИИ:
ЗАГАДКИ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ
ПАМЯТНИКОВ
На крайнем востоке советской Средней Азии, где высятся сере-
бристые вершины Тянь-Шаньских гор, расположена Киргизия. Ее
площадь около 200 тыс. км2. Почти 90% ее территории занимают
высокогорные хребты, входящие в системы Тянь-Шаня и Памиро-
Алая с примыкающими к ним предгорьями.
Киргизия богата памятниками истории и культуры. В последние
годы киргизские археологи обнаружили более 2 тыс. таких памят-
ников. Это различные стоянки первобытных людей, курганные
могильники, поселения и городища, каменные изваяния, руины
средневековых городов и величественные памятники архитекту-
ры. Все эти свидетели минувших эпох имеют огромное значение
для изучения далекого прошлого Киргизии, ее богатой самобыт-
ной культуры.
В настоящее время киргизские ученые продолжают изучать
270
А. К. Абетеков
все новые и новые памятники кочевников VI в. до н. э. — V в. н. э.
И в этом плане им предстоит еще очень многое сделать.
Интересные и результативные работы ведутся в Центральном
Тянь-Шане. Наибольшее количество сведений о племенах и наро-
дах, населявших его древнюю территорию, — саках, усунях, юед-
жах, кангюйцах и других — сообщают античные авторы. Одним из
ранних источников, упоминающим о среднеазиатских саках, явля-
ется древнеперсидский манускрипт Авеста. В его древнейшем
пласте (в Гатах) наряду с другими племенами встречаются назва-
ния саков— «тура». Ценнейшие сведения имеются и в надписях
персидского царя Дария I (конец VI — начало V в. до н. э.), где
перечисляются три группы саков: саки Хаумаварга («саки, чтущие
Хауму»), саки тиграхауда («саки с остроконечными шапками») и
саки тиай-тарадарайа («саки заморские»). Эти свидетельства пись-
менных источников позволяют в самых общих чертах представить
себе этнические группы и ареал расселения саков среднеазиат-
ских степей.
Археологическими данными подтверждаются и многие сведе-
ния древнегреческого историка Геродота, который в V в. до н. э.
побывал на земле фракийцев— на севере Балканского полу-
острова, в Сицилии, Вавилоне, Египте, на островах Эгейского моря
и северных берегах Понтийского (Черного) моря. Он интересо-
вался обычаями и укладом жизни народов.
На основе своих наблюдений и рассказов, услышанных от мест-
ных жителей, Геродот описал расселение племен по Средней Азии
и Казахстану в конце VI в. до н. э. По его данным, юго-западную
часть современного Казахстана занимали исседоны, простран-
ство между Амударьей и Сырдарьей — массагеты, западную часть
нынешнего Узбекистана населяли согдийцы, а на восток— в
пределах современного Южного Казахстана и Киргизии — прости-
рались владения саков.
Широкие международные и межплеменные общения, в которые
вступали кочевники Киргизии уже в начальной стадии своего суще-
ствования, позволяют рассматривать историю Тянь-Шаня на фоне
крупных политических событий, разыгравшихся в то далекое
время на территории соседних областей.
К середине I тысячелетия до нашей эры Средняя Азия превра-
щается в арену военных действий могущественных персидских
царей. После успешного похода персидского царя Кира цветущие
районы Средней Азии — Маргиана, Согд, Хорезм и другие — были
подчинены персам. Но Кира беспокоили кочевые племена — мас-
сагеты, саки, обитавшие в среднеазиатских степях, горах и степях
Притяньшанья.
В 529 г. дон. э. произошла жесточайшая битва между войсками
Кира и Томирис — знаменитой предводительницы войск массаге-
тов. В ней персы потерпели поражение, и их царь был убит. Спустя
Кочевники древней Киргизии
271
некоторое время при сыне и преемнике Кира Камбизе и оконча-
тельно при Дарии I Средняя Азия вошла в состав державы
Ахеменидов.
От поборов и насилий страдали все племена, в том числе и саки,
выделяемые Геродотом не как скифское племя, а как самосто-
ятельный сакский этнос.
Как расселялись конкретные этнические группы и какими были
в древности сакские племена— у исследователей до сих пор нет
единой точки зрения, хотя имеется около 40 гипотез, связанных с
250-летней историей изучения.
На территории Киргизии по берегам Иссык-Куля, на высокого-
рьях Тянь-Шаня, Алая и соседних просторах Казахстана особо
выделяются многочисленные курганы ранних кочевников. Они
встречаются в виде больших надгробных сооружений — курганов
с каменно-земляными насыпями и локализуются небольшими груп-
пами в открытых степях и по устьям горных ущелий. Почти во всех
могильниках среди едва заметных курганов, часто с одной или
двумя кольцевидными выкладками, имеются цепочки огромных
захоронений, вытянутых с севера на юг.
В результате изучения этих памятников наиболее ранними из
открытых археологами оказались погребения «сакского» времени,
которые сопоставляются многими учеными с текстом Бехистун-
ской надписи и с изображениями людей на рельефах Персеполь-
ского дворца персидского царя Ксеркса, сына Дария I.
Что же представляют собой этот текст и изображения? В разно-
язычной надписи на скале Бехистун (юг Ирана) ахеменидский вла-
дыка, «царь царей» Дарий I, перечисляя народы, подвластные ему,
называет древних жителей Средней Азии — согдийцев, бактрий-
цев, хорезмийцев и саков тиграхауда. Надпись эта обрамлена
великолепными рельефными фигурами, среди которых изображен
сак тиграхауда, описанный еще Геродотом.
В изучении культуры саков тиграхауда и их ареала интересным
и неожиданным для многих сакологов явилось открытие замеча-
тельного памятника царского кургана Иссык близ Алма-Аты, сде-
ланное 10 лет назад и подтверждающее гипотезу о том, что саки
тиграхауда обитали в Семиречье и в центральных районах Тянь-
Шаня. Честь открытия «золотого человека» принадлежит казах-
скому ученому-археологу К. А. Акишеву.
Иссыкское погребение «золотого человека» действительно
оказалось шедевром древней культуры саков Семиречья, позволя-
ющим представить уровень развития их прикладного искусства
VI — III вв. до н. э. Погребен был 18—25-летний юноша-воин, про-
исходивший из богатых слоев сакского общества.
Соплеменники, съехавшиеся со всех концов близлежащих гор
и степей, возвели этот большой земляной курган, чтобы оказать
дань уважения усопшим. Были вырыты две могилы для погребения
272
А. К. Абетеков
двух знатных людей. Одна из них (центральная могила) совер-
шенно разграблена. Она, по-видимому, была основной, т. е. при-
надлежала человеку старшему по возрасту и положению в обще-
стве кочевников. Надо полагать, что эта могила была, безусловно,
богаче и пышнее, чем полностью сохранившаяся могила молодого
человека.
Скелет воина был усыпан драгоценностями, изготовленными из
листового золота, украшавшими парадную одежду, головной убор
и обувь. Тут же лежала золотая серьга с подвесками и бирюзой,
золотая гривна (шейное украшение). Рядом находились предметы
вооружения.
Среди иссыкских находок особо ценной является серебряная
чаша, на которой нанесены древнейшие письмена. Эта надпись
является самым ранним текстом, среди известных не только в
Средней Азии и Казахстане, но во всей Евразийской степи. Ее
расшифровкой в настоящее время занята группа советских линг-
вистов и востоковедов.
Эти и другие прекрасные находки в кургане Иссык показывают,
что саки семиреченских степей и Центрального Тянь-Шаня имели
свою яркую и самобытную культуру, достигшую высокого уровня
развития. Среди предметов их прикладного искусства немало
таких, которые выполнены в сибирском «зверином стиле». В этом
плане заметно выделяются две уникальные литые бронзовые
бляхи в виде свернувшегося кольцом хищника, найденные на
южном берегу озера Иссык-Куль. Ноздри, глаза и ухо этого зверя
изображены на одной линии, что свойственно довольно раннему
стилю сако-скифского искусства. Интересна и другая полушаро-
видная бронзовая бляха, где изображена в классическом скифо-
сибирском «зверином стиле» полая фигура пантеры, опоясыва-
ющая бляху; под грудью пантеры помещены две головы сайгаков.
Изобразительные мотивы этих блях по сравнению с аналогичными
бляхами из других районов сакского культурного ареала даны
более реалистично и поражают отточенным мастерством.
Большим разнообразием отличалась сако-усуньская керамика,
приспособленная главным образом к кочевому образу жизни.
В художественной манере украшения керамических сосудов пре-
обладал простой сюжет— орнаментальные мотивы. И саки, и
усуни расписывали свою посуду красно-бурой краской в виде маз-
ков и вертикальных линий, пересекающих друг друга, часто идущих
от верха ко дну. Среди них доминируют и короткие неширокие
треугольники, каплевидные подтеки, расположенные вертикаль-
ными полосами, покрывающими только верхнюю часть сосудов.
Особого внимания заслуживает большой круглодонный сосуд из
усуньского могильника Бурана (III в. до н. э.), поверхность кото-
рого была расписана темно-синей краской. Здесь можно увидеть
изображение стаи птиц, которые напоминают лебедей или журав-
Кочевники древней Киргизии
273
Кафтан «золотого человека» — вождя саков из кургана Иссык (в 50 км от Алма-
Аты). Реконструкция К. А. Акишева
лей. Они изображены в динамике — в полете. Сплетение этих
рисунков создает своеобразный орнамент.
Находки сакских жертвенников в разных районах Киргизии и
Казахстана убедительно доказывают широкое распространение
производства бронзовых и костяных изделий высокого художе-
ственного вкуса. Для искусства этой эпохи характерно наличие
скульптур из бронзы, камня и золота. Сакских мастеров окружала
богатая фауна гор и степей, поэтому они часто обращались к
реальным образам при изготовлении различных предметов
прикладного искусства.
По находкам сакской торевтики вырисовывается антропологи-
274
А. К. Абетеков
Бронзовая бляха в виде свернувшегося кольцом
хищника. Иссык-Куль
ческий облик древних кочевников и детали их одежды. Большой
интерес вызывает, в частности, нашивная бляшка из тонкого
листового золота из сакского могильника Джалпак-Таш в Кетмень-
Тюбинской долине. На бляшке путем тиснения изображен профиль
человека, держащего в руках факел. Очень выразительны полые
скульптурные ножки большого бронзового алтаря, найденного на
левом берегу Иссык-Куля, где достаточно выразительно показаны
покрой одежды и монголоидный тип лица женщины. Эти произве-
дения, относящиеся к V—III вв. до н. э., возможно, связаны с
началом процесса смешивания европейского населения с мон-
голоидами.
В целом если посмотреть на произведения прикладного искус-
ства саков Семиречья и Тянь-Шаня и сравнить их с художествен-
ными произведениями аналогичных кочевых культур Сибири, Тувы,
Горного Алтая, то без особого труда можно увидеть почти одина-
ковый уровень художественного мышления и «технической» осна-
щенности, идентичность приемов изготовления предметов древ-
него искусства.
Термин „саки” в исторических хрониках III—II вв. до н. э. поч-
ти не встречается. Однако это не значит, что некогда довольно
сильный сакский племенной союз Тянь-Шаня и Притяныианья пол-
ностью исчез с исторической арены. Напротив, большинство их про-
должало обитать на прежней территории, но уже в составе более
сильных кочевых объединений. Отрывочные письменные источ-
Кочевники древней Киргизии
275
Бронзовая фигурка яка. Иссык-Куль
Бронзовый жертвенник, края которого заканчиваются вереницей шествующих тиг-
ров. Центральный Тянь-Шань
ники об этом сообщают, что «сэские племена рассеянно живут и
более под зависимостью других».
Для Центральной и Средней Азии, в том числе и Киргизии, I ты-
сячелетие до нашей эры было периодом крупных перемещений
кочевых до государственных племенных объединений или союзов.
Позднее они привели к «Великому переселению народов». Одними
из таких объединений, может быть не очень значительных с точки
зрения масштабов великого пояса Евразийских степей, были
276
А. К. Абетеков
известные по древнекитайским источникам усуни, юеджи, гунны,
кангюйцы и др. Они представляли собой самостоятельные племен-
ные союзы и этнические объединения. Во главе их стояли
влиятельные племенные вожди, выделившиеся из числа кочевой
аристократии и имевшие титулы — гуньмо, шаньюй и т. д.
Ханьская императорская династия Китая, преследуя торгово-
экономические цели и политическую экспансию, постоянно стре-
милась к установлению связи с этими племенами, жившими в то
время по соседству на земле западного края (так назывались
обширные владения этих среднеазиатских племен, лежавших вне
пределов политического и культурного влияния ханьского Китая).
В древнекитайской хронике «Повествование о западном крае»
приводится ряд сообщений, где говорится, что эмиссар-путеше-
ственник прошел Давань (Давань отождествляется с Ферганской
долиной); от Давани на севере лежит Канрюй, на западе —
Большой Юеджи, на юго-западе — Дахя, на северо-востоке —
Усунь.
Судя по всему, Кангюй был довольно сильным государственным
объединением. В пору расцвета своего могущества (в I в. дон. э.)
он имел 120 тыс. войск и проводил самостоятельную внешнюю
политику, часто оказывая влияние и помощь другим племенным
союзам в их борьбе против экспансионистски^ происков могуще-
ственных соседних государств. В мирное время в отличие от усу-
ней и гуннов Кангюй ясно подчеркивал свою независимость хань-
скому двору, который в то время находился на более высоком
уровне развития в военном и экономическом отношениях, чем
некоторые племена западных земель.
По данным восточных источников, Кангюй имел пять малых вла-
дений, которые ряд советских ученых отождествляют с Кеш—Шах-
рисябзом, Кушанией, Шашом—Ташкентом, Бухарой, Урген-
чем—Хорезмом. Однако эти отождествления нельзя признать
окончательно доказанными. Среди исследователей локализации
границ Кангюйского племенного союза, а также размещения его
пяти владений существуют значительные разногласия. Согласно
одной из точек зрения основное население кангюйцев располага-
лось где-то в бассейне Сырдарьи, а резиденция правителей поме-
щалась в районе современного Ташкента. Их своеобразная куль-
тура и мировоззрение находились под влиянием зороастрийской
религии. После 270 г. н. э. Кангюй постепенно сходит с истори-
ческой арены и сливается с Эфталитским государством.
Кангюйцы, так же как и усуни, были не только кочевниками. По
данным письменных и археологических источников, они вели и
кочевое хозяйство, и оседло-земледельческое.
В 1961—1964 гг. автором этой статьи обследовано 14 могильни-
ков и остатки одного поселения усуньских племен в Чуйской
долине. Относящееся к I—III вв. поселение со следами глинобит-
Кочевники древней Киргизии
277
них и хозяйственных построек свидетельствует о том, что по край-
ней мере часть усуньских племен занималась земледелием и была
оседлой. Находки подобного рода имеют важное значение для
выяснения истоков возникновения культуры оседлых племен в
долинах Северной Киргизии.
Последние материалы археологических раскопок и данные
древних источников (III в. дон. э.—V в. н. э.) позволяют предста-
вить хотя бы в общих чертах быт усуней Семиречья и Киргизии.
Жили усуни в круглых хижинах, сделанных на деревянной основе
и покрытых войлоком, наподобие юрт киргизов, казахов прошлых
столетий. Источники характеризуют усуней как «кочевой народ,
который не занимается ни земледелием, ни скотоводством, а
кочует с места на место в зависимости от запасов травы и воды.
В этом они похожи на гуннов». Но среди этих же сообщений
встречаются упоминания о существовании оседло-земледельче-
ских поселений и городов усуней. В частности, говорится о том,
что ставка усуньского гуньмо, город Чигу, находится в Красной
долине2— на южном берегу Иссык-Куля. Однако его местонахо-
ждение до сих пор остается загадкой. Подтверждается лишь пер-
вая часть сообщения источника об их оседло-земледельческих
поселениях и стоянках. На самом деле, судя по археологическим
находкам, в среде усуньских кочевых объединений происходят
существенные изменения: возникают первые поселения, кратко-
временные стоянки, появляется земледелие. Все это достаточно
четко прослеживается, как уже сказано, на конкретных археологи-
ческих источниках и материалах Семиречья и Северной Кирги-
зии.
В 1964 г. нам удалось открыть часть разрушенного поселения
усуней около г. Кара-Балты в долине реки Чу. Оно, вероятно,
имело прямоугольную форму и располагалось так, что стены его
были ориентированы на все стороны света. Однако точные раз-
меры и конфигурация памятника неизвестны, так как большая
часть его уничтожена при строительных работах. Сохранилось
лишь одно округлое в плане помещение размером 5,2 х 4,4 м.
Стены его по всему периметру глинобитные. Конструктивных при-
емов, применявшихся при устройстве данного жилища, проследить
не удалось. Внутри его раскрыта относительно ровная поверх-
ность пола с незначительным понижением к центру. Следов от
перекрытия и столбов не обнаружено, однако, судя по размерам
помещения, можно допустить, что были один или два столба,
поддерживавших перекрытие.
В западной стороне помещения имеется входной проем, а
посредине сохранились остатки очага в виде слоя золы толщиной
8 см. Вокруг очага разбросаны обломки кухонной и хозяйствен-
ной керамики, а также кости животных. Среди находок имеется
почти целый глиняный сосуд и глиняное пряслице. Недалеко от
278
А. К. Абетеков
зольных остатков расположены три разного размера ямы, две из
которых хозяйственного назначения.
Из других находок в поселении найдены обломки 14 каменных
зернотерок, костяная обойма, овальный каменный предмет жен-
ского туалета, грузило, изготовленное из красновато-бурого пес-
чаника, круглая (диаметром 8 см) каменная заготовка.
Керамический материал однообразен. Насчитывается около
1300 обломков глиняной посуды. Они располагались по площади
поселения неравномерно. Больше всего их собрано в местах
зол’ьно-серых остатков жилой постройки и недалеко от хозяй-
ственных ям.
Все сосуды сделаны лепным способом. В изломе их большое
количество примеси шамота, песка и других минеральных
веществ. Все они, за исключением двух-трех случаев, без орнамен-
та. Значительная часть фрагментов сосудов на внутренней поверх-
ности имеет отпечаток тканей. Это объясняется тем, что в древ-
ности многие племена, в том числе древние саки и усуни, при изго-
товлении глиняных сосудов специально применяли матерчатый
шаблон с песком, придававший посуде симметричные, сравни-
тельно правильные формы.
Комплекс находок и размеры помещения наводят на мысль, что
это была не комната, предназначенная для жилья, а скорее кухня.
Вполне возможно, что часть площади жилища, свободная от золь-
ных остатков, могла быть использована в качестве жилья для неко-
торых членов семьи. Можно предположить, что описываемое поме-
щение имело куполообразное перекрытие, подобное зимнему
жилищу казахов прошлого века— шошала, известного нам по
этнографическим данным. Оно было шатрового типа и засыпалось
сверху землей, дерном или золой. Сходные юртообразные глино-
битные деревянные сооружения в прошлом широко бытовали у
кочевых татар и монголов Поволжья. Таким образом, результаты
раскопок 1964 г. показали, что у древних усуней наряду с кибит-
ками, обтянутыми войлоком, были глинобитные примитивные дома,
иногда с круглым основанием, где временно жила семья скотово-
да.
В начале 70-х годов экспедиция, руководимая автором, вела
раскопки на высокогорном могильяике Джалпак-Добе, располо-
женном в Алайской долине на высоте более 3 тыс. м над уровнем
моря. Могильник занимает небольшое урочище Демей, окружен-
ное с двух сторон невысокими горами, альпийскими лугами.
В нем насчитывается около 100 бессистемно расположенных
земляных курганов, иногда трудноотличимых от окружающих
естественных холмов. Почти все курганы были ограблены еще в
древности. Наиболее интересные находки дал курган под номе-
ром. 8. Он имел задернованную земляную насыпь, высота кото-
рой едва превышала поверхность окружающей земли. Диаметр
Кочевники древней Киргизии
279
кургана — 7 м. В его насыпи следов каких-либо разрушений
не наблюдалось. Входная яма размером 1,3 х 1,6 м ориентирована
с севера на юг. В западной стене ямы вырыт подбой (ниша) раз-
мером 2X1,2 м и высотой 0,9 м. (Такие захоронения в виде ката-
комб или глубоких ям с подбоем дали название этой своеобраз-
ной культуре I—V вв. н. э. — катакомбно-подбойная.)
В погребальной камере отсутствовали останки умершего, а
вместо него лежал небольшой деревянный брусок длиной около
25 см, один конец которого был покрыт миниатюрной маской,
вырезанной из листового золота размером 7,5 х 6 см. Видимо, это
был знатный воин, тело которого не удалось доставить с поля,,боя,
и вместо него родственники покойного, соблюдая все обычаи
погребального обряда, положили в могилу брусок, имитирующий
человека. Тут же находилось около 30 золотых вещей: медальон
овальной формы с инкрустацией и красным гранатовым камнем,
золотая серьга, нашивные бляшки из фольги круглой и квадратной
форм, цепочка, перстень с ромбовидными выемками для вставных
камней, две овальной формы застежки с круглым в сечении языч-
ком, основы которых также украшены вставными камнями.
В кургане, кроме двух трехгранных железных наконечников
стрел, обнаружены четыре крупных фрагмента роговых накладок
для сложносоставного лука, обрывки шелковых тканей, по-види-
мому, халата. На них сохранился орнамент в виде запятых и
круглых узоров, вышитых тонкими золотыми нитями. Здесь же най-
дена плоскодонная металлическая чаша, имеющая около закраины
простой выгравированный дугообразный орнамент. Она была
закрыта деревянной крышкой, от которой осталась лишь неболь-
шая часть.
Около северной стены лежали хорошо сохранившиеся двух-
лезвийный железный меч, железный нож с остатками ручки из
слоновой кости, а также цилиндрической формы камень из голубо-
ватого нефрита, предназначенный, вероятно, для ремня колчана.
И наконец, прекрасная стеклянная чаша с резным орнаментом и
ручками в виде львиных головок.
Все эти предметы говорят о том, что кочевники I—V вв. н. э.
хорошо знали технику обработки различных драгоценных метал-
лов и камней. Мастера-ювелиры достаточно профессионально
умели обрабатывать их и владели техническими навыками ювелир-
ного искусства, такого, как инкрустация, зернь филигранью, холод-
ная ковка и т. д.
Кочевые племена Тянь-Шаня и Притяньшанья на всем протяже-
нии своей истории входили в тесный контакт с о седло-земледель-
ческими племенами, имевшими более развитое хозяйство. Их эко-
номические и культурно-торговые связи с оседлыми племенами
были весьма разнообразны.
Несмотря на огромные расстояния и высокие горы, древняя
280
А. К. Абетеков
Стеклянная чаша с резным орнаментом и ручками в виде львиных головок. Алай-
ская долина, могильник Джалпак-Добе
Золотая маска. Чуйская долина. Ущелье Шамши
Глиняный сосуд с ручками в виде головы горного козла. Чуйская долина. Ущелье
Шамши
Киргизия была связана с отдаленными странами торговыми путя-
ми. В эпоху античности между Востоком и Западом шла оживлен-
ная торговля по «великому шелковому пути», проходившему через
Киргизию. Кочевники высокогорного Алая приобретали у торгов-
цев и миссионеров предметы роскоши — шелковые ткани, юве-
лирные изделия и стеклянную посуду. Это подтверждается археоло-
гическими находками импортных вещей из Северного Причерно-
морья и Восточного Туркестана в курганах ранних кочевников
Киргизии.
Такова, например, упомянутая выше замечательная импортная
стеклянная чаша, служившая, по-видимому, ритуальным сосудом.
Она относится к III в. Сосуд интересен не только богатством и
совершенством декора, но и своей редкостью. Подобная чаша на
Кочевники древней Киргизии
281
территории всех Евразийских степей встречена впервые и нигде
пока не находит аналогии. Для кочевого быта она настолько не
характерна и уникальна, что заслуживает более детального иссле-
дования.
Изготовлена чаша из литого матового стекла, очень нарядная,
неглубокая, с уплощенным дном и имеет округлые и слегка
загнутые вовнутрь стенки. Диаметр ее— 14 см, высота — 10 см.
По краю, с наружной стороны, нанесены косые насечки, опоясыва-
ющие сосуд и расположенные в два ряда. Чаша украшена двумя
боковыми ручками в виде головок льва. Ручки литые, налеплены
асимметрично. Головки льва изображены в реалистической мане-
ре: пасть раскрыта, уши слегка навострены, и сморщенная свире-
пая морда сделана довольно отчетливо. Основное место в декоре
сосуда занимает мотив вьющейся виноградной лозы; в завитках ее
чередуются листья и гроздья винограда. На дне чаши вырезаны
розетки в виде волнистых линий, окаймляющие центральный
выгравированный круг с одиннадцатью отходящими от него
лепестками. Тонкие линии, разделяющие лепестки друг от друга,
соединяясь, составляют единую композицию из незаконченных
ромбов с вписанными в них лепестками. Весь этот нарядный орна-
мент опоясан двумя параллельными кругами, расположенными
друг от друга на расстоянии 4 см, и заканчивается одиннадцатью
круглыми выемками, каждая диаметром 1,5 см.
Такая красивая чаша безусловно предназначалась для знатных
и богатых людей того времени и попала к кочевым племенам путем
взаимного обмена товарами.
В условиях подвижного скотоводческого хозяйства кочевники
были смелыми воинами, ревностно защищавшими интересы своих
племен. Достоинства мужчин в ту далекую и беспокойную эпоху
определялись большой физической силой и храбростью. Их воин-
ская доблесть отмечалась особыми ритуалами. По сообщению
Геродота, один раз в год для каждого скифского племенного вождя
готовился специальный ритуальный сосуд. Из него удостаивались
пить вино только отличившиеся в бою. Тем же, кто еще не про-
славился своим героизмом и отвагой, кубка с вином не подно-
сили.
Не для раздачи ли ритуального напитка и служила та самая
нарядная стеклянная чаша, украшенная скульптурными головками
льва — царя зверей, самого сильного хищника?
Катакомбно-подбойная культура широко распространена на
территории Киргизии и соседних с ней областей Средней Азии. На
отдельных могильниках число курганов, относящихся к этой эпохе,
весьма внушительно. Погребенные в них (могильники Кенкол,Туюк
и др.) относятся к европеоидному типу со значительной монголоид-
ной примесью. Их черепа часто имеют следы характерной искус-
ственной деформации, произведенной в раннем детстве с целью
282
А. К. Абетеков
придания черепу удлиненной формы. Захоронения совершались в
деревянных гробах или арчевых* колодах.
Относительно этнической принадлежности этих людей в литера-
туре существуют различные научные гипотезы. Одни исследова-
тели считают, что носители культуры катакомбных и подбойных
захоронений являются пришельцами и что эти памятники появи-
лись на рубеже нашей эры в результате переселения центрально-
азиатских племен — гуннов, юеджей и т. д. Другие полагают, что
памятники этого типа принадлежат к местной культуре. В насто-
ящее время у ученых еще нет достаточных оснований для отожде-
ствления их с тем или иным конкретным этносом.
Если говорить о наиболее ценных находках этой культуры, то
прежде всего следует остановиться на замечательной находке из
ущелья Шамши в Чуйской долине. Еще в 1958 г. во время сельско-
хозяйственных работ здесь случайно было вскрыто погребение,
относящееся к эпохе «Великого переселения народов». В разру-
шенном погребении были обнаружены истинные шедевры искус-
ства: золотая височная подвеска; золотая диадема, увенчанная
сплошными пустотелыми подвесками; золотая инкрустированная
чаша; медальон с высокой золотой оправой, в центре которого
помещен барельеф женщины восточного типа, изготовленный из
темно-красного граната; браслеты из дымчатого и матового
нефрита; прекрасная золотая маска (20,4 х 15,4 см) и многие дру-
гие вещи — атрибуты древнего погребального обряда. Маски
клали в погребение на лица умерших. Такой обычай, связанный с
культом предков и представлениями о потустороннем мире, был
широко распространен у многих народов Евразийских степей.
Шамшинская маска интересна еще и тем, что на ней дана
имитация, татуировки, изображающей «древо жизни» с тремя ухо-
дящими вверх ветвями. Каждая ветвь, в свою очередь, имеет по
шесть побегов. В курганах киргизских степей I—V в. н. э. разно-
видности таких масок встречены в девяти захоронениях.
Сохранились и другие предметы материальной культуры — раз-
личной формы керамические сосуды, часто с ручками в виде
головы горного козла, своеобразные плетеные из тонкой кожи
корзинки и др. Наряду с вещами явно местного изготовления в
курганах обнаружены также и привозные— предметы дамского
туалета, приобретенные для знатных женщин: бронзовое зеркало
с ручкой индийской работы, оформленной в виде фигурки танцов-
щицы; раковины каури и обрывки шелковых тканей иноземного
происхождения.
В среде кочевников — саков, усуней и других — существовала
резкая имущественная дифференциация. Например, показательно
Арча — среднеазиатский вид можжевельника. — Ред.
Кочевники древней Киргизии
283
сообщение древних источников о том, что «в Усуни много лошадей,
и богатые люди имеют от четырех до пяти тысяч голов».
К IV—V вв. усуньский племенной союз был ослаблен частыми
раздорами между группами племен и внутренними противоречи-
ями. Дальнейшее развитие усуньского общества, превративше-
гося в объект ассимиляции западнотюркского каганата, образо-
вавшегося в VI в. н. э., протекало в иных исторических условиях.
Позже о нем встречаются лишь некоторые упоминания.
На протяжении значительного периода истории Средней Азии
в окрестностях Хорезма, где-то в районе Западной Давани (Фер-
ганы), на севере реки Гуй-Шуй (Амударьи), южнее Дахя, жило дру-
гое крупное кочевое объединение — Большой Юеджи, культуру
которого некоторые исследователи относят также к катакомбно-
подбойному типу. Юеджи, обладавшие огромной силой и экономи-
ческим потенциалом, во второй половине II в. до н. э. уничтожают
Греко-Бактрийское царство и, ассимилировавшись с местным
населением, создают основу для будущей могучей Кушанской
империи*.
Несмотря на значительные достижения в изучении археологи-
ческих памятников кочевников, киргизским ученым еще предстоит
дать ответы на многие вопросы.
Изучение процесса миграции крупных племен (юеджей, гуннов,
усуней и др.), путей их проникновения на Запад и степень их
воздействия на развитие культуры местных племен —- актуальная
проблема, требующая дальнейшего углубленного исследования.
Раскопки курганов древних кочевников, произведенные на тер-
ритории Киргизии, показывают, какие неисчислимые богатства
таят памятники древних культур. Но при этом исследователи стал-
киваются с рядом проблем. Многое здесь еще неясно, отдельные
страницы древней книги истории читаются неожиданно ярко и убе-
дительно, в других случаях проясняются лишь перспективы даль-
нейших изысканий, выкристаллизовываются нерешенные вопросы
и проблемы.
Такова прежде всего проблема роли кочевников в мировом
историческом процессе. Кочевые объединения, процветавшие на
территории современной Киргизии, были лишь составной частью
кочевых культур огромного пояса степей, протянувшегося от глу-
бин Центральной Азии до Дуная. Формирование этих раннекочев-
нических обществ существенно сказалось на общем развитии пле-
мен и народов Евразии.
На границах древневосточных государственных образований
появилась новая могучая сила, массы прекрасно вооруженных и
* О художественной культуре эпохи кушан см. статью Г. А. Пугачейковой
«В поисках памятников древнего искусства Средней Азии», опубликованную в между-
народном ежегоднике «Наука и человечество. 1971—1972». — Ред.
284
А. К. Абетеков
слаженно действующих воинов-конников. Уже в раннем периоде
своего развития кочевые племена активно вторгаются на террито-
рию оседлых оазисов, нередко образуют здесь достаточно про-
чные политические союзы. Хорошо, например, известны успехи
киммерийцев и скифов в Передней Азии.
Раскопки древних могильников, позволяющие полнее предста-
вить уровень развития кочевнических объединений, должны спо-
собствовать в дальнейшем более глубокому изучению роли кочев-
ников в древней истории Средней Азии и соседних областей.
Вторая важная проблема перспективных изысканий — это
вопрос о происхождении самих ранних кочевников. Сокрушители
древних империй родились отнюдь не на пустом месте, до них
обширные степи и полупустыни Азии занимали племена скотово-
дов и земледельцев бронзового века. Именно в их среде началось
приручение коня и обучение верховой езде. К бронзовому веку
восходят также истоки развития оружейного дела, достигшего рас-
цвета в эпоху ранних кочевников. Свидетельствующие об этом
памятники культуры скотоводов бронзового века открыты и на тер-
ритории Киргизии.
Третьей важной задачей изучения памятников древних кочевни-
ков является их глубокий, систематический, конкретно-историче-
ский анализ. Возможности для этого создает сама массовость
новых материалов и сплошной охват исследованиями обширных
территорий.
Известно, что всех кочевников греческие авторы назвали ски-
фами, но наиболее проницательные из историков и географов
древнего мира хорошо знали, что это лишь самый общий, как мы
бы сейчас сказали, генерализированный подход. Мы уже упоми-
нали Геродота. Другой древнегреческий историк — Страбон писал:
«Большинство скифов, начиная от Каспийского моря, называются
даями. Племена, живущие восточнее последних, носят названия
массагетов и саков, прочих же называют общим именем скифов,
но у каждого племени есть свое особое имя».
У нас не так уж велики шансы восстановить все древние назва-
ния племён, но выделить территорию обитания многих из них, на-
метить их основные центры — задача вполне реальная. Так, нап-
ример, в результате раскопок последних двух десятилетий выри-
совывается облик культуры племенной группы, освоившей Кет-
мень-Тюбинскую котловину. Постепенно можно подготовить де-
тальную карту археологии ранних кочевников, которая подскажет
нам в первом приближении и древние племенные границы.
И, наконец, весьма существенным является изучение уровня
развития древнекочевнических обществ, степень формирования в
их среде раннеклассовых отношений и развития государственно-
сти. На серебряной чаше из иссыкского кургана, как уже было
сказано, есть надпись, очень четкая, но еще не прочитанная,
Кочевники древней Киргизии
285
поскольку использованный здесь алфавит пока неизвестен уче-
ным. Короткие тексты из подобных знаков были встречены на
некоторых других объектах из раннекочевнических комплексов.
Но еще более поразительно то, что подобная надпись, выпол-
ненная этим же алфавитом, обнаружена на территории Афгани-
стана, т. е. там, где засырдарьинские кочевники во II в. до н. э.
одержали победу над Греко-Бактрийским царством и вскоре соз-
дали свою собственную державу — знаменитое государство
кушан.
Естественно, возникает вопрос: не была ли эта письменность
создана именно в среде сакских политических объединений, в
недрах которых происходил процесс формирования государства с
его бюрократическим аппаратом. Разумеется, эти тексты предсто-
ит еще расшифровать и осмыслить и лишь после этого решить
вопрос об их историческом значении. Но сам факт появления не-
известной письменности за пределами культур оседлых племен
весьма интересен.
Решение узловых проблем истории кочевников, конечно, потре-
бует привлечения многочисленных источников, новых археологи-
ческих данных и комплексного подхода ученых разных специаль-
ностей.
СОДЕРЖАНИЕ
Б. Е. Патон, академик; Б. И. Медова, академик
АН УССР. Проблемы металлургии будущего............. 7
К. В. Фролов, член-корреспондент АН СССР. Машино-
строение: пути совершенствования техники и технологии . . 18
Н. С. Ениколопов, академик; С. А. В о л ь ф с о н, док-
тор химических наук. Полимерные композиционные мате-
риалы ........................................ ...	32
А.	Н. Башкиров, член-корреспондент АН СССР;
Г. А. Клигер, доктор химических наук. Искусственное
жидкое топливо ................................... 50
Дж. Л. Морган (США). Бериллийорганические соедине-
ния и теория химической связи......................67
Ю. К. П о ж е л а, академик АН Лит. ССР. Плазма в полупро-
водниках ..........................................85
Я. А. Федотов, доктор технических наук. Функциональ-
ная электроника — электроника четвертого поколения ... 99
Ю. Н. Д е н и с ю к, член-корреспондент АН СССР. Гологра-
фия и ее перспективы..............................112
В.	Л. Гинзбург, академик. Несколько замечаний, касаю-
щихся развития физики и астрофизики...............134
Ф. В. Е г е р (ГДР). Объект познания — Солнце.....149
А.	Г. М а с е в и ч, доктор физико-математических наук;
С. К. Т а т е в я н, кандидат технических наук. Спутниковая
геодезия: достижения и задачи.....................156
В.	Ремек, К. Рихтер (ЧССР). Речевые коммуникации в
космических полетах международных экипажей........167
А. В. Сидоренко, академик. Новое в учении о биосфе-
ре .............................................  175
Ф.Эгами (Япония). К подлинному союзу биологии и фи-
зики ...............................................187
Р. В. П е т р о в, академик АМН СССР; Р. М. X а и т о в, док-
тор медицинских наук. Вакцины будущего..............193
Ж. К. Саломон (Франция). Злокачественные опухоли и
их лечение..........................................213
А. И. А г е е н к о, доктор медицинских наук. Вирусные онко-
гены: пути расшифровки..............................228
И. Д. Ш а п и р о, доктор биологических наук; Н. А. В и л к о-
в а, кандидат биологических наук. Самозащита растений от
вредителей. Новая глава иммунологии.................244
М. С. Р у н ч е в, академик ВАСХНИЛ. Система сельскохо-
зяйственных машин: теория и практика................262
А.	К. А б е т е к о в, археолог. Кочевники древней Киргизии:
загадки археологических памятников ..................269
Статьи иностранных авторов перевели:
Дж. Л. Морган. Бериллийорганические соединения и теория
химической связи. — В. Шрейдер
Ф. В. Е г е р. Объект познания — Солнце. — Г. Назметдинова
В.	Р е м е к, К. Р и х т е р. Речевые коммуникации в космических
полетах международных экипажей. — Д. Прасолов
Ф. Э г а м и. К подлинному союзу биологии и физики. —Д. Кирпо-
тин
Ж. Саломон. Злокачественные опухоли и их лечение. — В. Ту-
русов
Редактор переводов статей иностранных авторов Р. Чуйкова
Б90 Будущее науки. Междунар. ежегодник. — М.:
Знание, 1981. — 288 с., ил. — Вып. 14.
85 к.
ISSN 035—6054
Книга посвящена перспективам развития науки. Видные советские
и зарубежные ученые рассказывают на страницах ежегодника о путях
развития различных отраслей знания, о том, что даст наука людям че-
рез 10, 20, 100 лет.
60200-017	„„ 073(02)-31 °1’81 1401000000	ББК72 001
БУДУЩЕЕ НАУКИ
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЕЖЕГОДНИК
Выпуск четырнадцатый
Редакторы: И. В и р к о, Т. Кобзева, Е. Кондратьев,
Г. Кремнева, В. Микулицкий
Младший редактор Т. Захарова
Обложка А. Гангалюки
Художественный редактор В. С а в е л а
Технический редактор Т. Луговская
Корректор Р. Колокольчикова
ИБ № 3000
Сдано в набор 20.08.80. Подписано к печати 16.01.81. Т 01438. Формат бумаги
70 X108V32- Бумага для гл. печати. Гарнитура гельветика. Печать глубокая. Уел.
печ. л. 12,60. Усл. кр.-отт. 12,78. Уч.-изд. л. 17,80. Тираж 100 000 экз. Заказ № 2249.
Цена 85 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова,
д. 4. Индекс заказа 819702.
Ордена Трудового Красного Знамени Калининский полиграфический комбинат Со-
юзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, по-
лиграфии и книжной торговли, г. Калинин, пр. Ленина, 5.
Сканирование - Беспалов, Николаева
DjVu-кодирование - Беспалов