Теги: журнал домашняя лаборатория
Год: 2009
Текст
ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ
1
1
ОКТЯБРЬ 2009
Д ОМАШ НЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
Научно-прикладной
и образовательный
интернет-журнал
Адрес редакции:
domlab@inbox.com
Статьи для журнала
направлять , указывая в теме
письма «For journal».
Журнал содержит материалы
найденные в Интернет или
написанные для Интернет.
Журнал является полностью
некоммерческим. Никакие
гонорары авторам статей не
выплачиваются и никакие
оплаты за рекламу не
принимаются .
Явные рекламные объявления
не принимаются, но скрытая
реклама, содержащаяся в
статьях, допускается и даже
приветствуется.
Редакция занимается только
оформительской
деятельностью и никакой
ответственности за содержание статей
не несет.
Статьи редактируются, но
орфография статей является
делом их авторов.
использовании материа-
этого журнала, ссылка
При
лов
на него не является
обязательной , но желательной.
Никакие претензии за
невольный ущерб авторам,
заимствованных в Интернет
статей и произведений, не
принимаются. Произведенный
ущерб считается
компенсированным рекламой авторов и
их произведений.
По всем спорным вопросам
следует обращаться лично в
соответствующие учреждения провинции
Свободное государство (ЮАР).
При себе иметь, заверенные
местным нотариусом, копии всех
необходимых документов на
африкаанс, в том числе,
свидетельства о рождении, диплома об
образовании, справки с места
жительства, справки о здоровье
и справки об авторских правах
(в 2-х экземплярах).
Октябрь 2009
СОДЕРЖАНИЕ
История
Жизнь в Древнем Риме
3
Ликбез
Нейрокомпьютинг и его применение
Происхождение мозга
114
202
Литпортал
Сбалансированная экология
291
Технологии
Искусственная икра
302
Акцент
Шаровая молния - единство противоречий
364
Лаборатория
О плазмоидах и шаровой молнии
Демонстрация шаровой молнии
Природа шаровой молнии
Исследования формирования плазмоидов
Создание шаровой молнии
382
388
394
405
416
Электроник
Высоковольтный усилитель постоянного тока
Пьезокерамический трансформатор
Быстродействующий повторитель напряжения
426
429
431
Матпрактик
Сигналы и линейные системы
Волна пиратского залива
От редакции
433
Разное
519
530
НА ОБЛОЖКЕ
Как гроза начнется,
Полыхнет зарница,
Яркий шар взовьется,
Как огненная птица.
Над землей несётся,
Ветрами влекомый,
А потом взорвётся,
Случаем ведомый.
Редкое явленье,
Феномен природы,
Нужно озаренье,
Чтоб найти подходы.
Тело солитона?
Или сгусток плазмы?
От волны корона?
Все идеи разны.
История
ЖИЗНЬ В ДРЕВНЕМ РИМЕ
Сергеенко М.Е.
(окончание)
ГЛАВА ВОСЬМАЯ.
ДЕТИ
Рождение ребенка было праздником, о котором оповещали всех соседей венки,
повешенные на дверях. Отец поднимал младенца, которого клали перед ним на
землю; это значило, что он признавал его своим законным ребенком. А он мог
отвергнуть его, и тогда новорожденного выбрасывали. С этим жестоким обычаем
боролись еще христианские писатели, и Минуций Феликс указывает на него, как
на одно из преступлений, которое в языческой среде таковым не почиталось: «Вы
иногда выбрасываете ваших сыновей зверям и птицам, а иногда предаете
жалостной смерти через удавление». Только при Александре Севере выбрасывание детей
было объявлено преступлением, которое приравнивалось к убийству.
Право выбросить ребенка, продать его или даже убить103 целиком принадлежало
отцу; - «нет людей, которые обладали бы такой властью над своими детьми,
какой обладаем мы». Что действительно сказал отец Горация своему сыну, убившему
сестру за то, что она оплакивала врага родины, и произошел ли весь этот
трагический эпизод в действительности, это в данном случае не имеет значения:
важно заявление, которое Ливии, современник Августа, влагает в уста старика-
отца : если бы поступок сына был несправедлив, он, отец, сам казнил бы сына.
Давший жизнь имел право ею и распоряжаться: известная формула - «я тебя
породил, я тебя и убью» - развилась в логическом уме римлянина в систему
обоснованного права, именовавшегося «отцовской властью» (patria potestas). Это было
нечто незыблемое, освященное природой и законом. Когда в грозный час войны
трое военных трибунов, облеченных консульской властью, спорят в сенате о том,
кому идти воевать (дело происходит в V в. до н.э.) - городские дела в такую
минуту кажутся слишком ничтожными, и все трое рвутся к войску, - то отец
одного из них приказывает ему остаться в Риме «священной властью отца»
(maiestas patria). Этого приказа достаточно, чтобы прекратить и спор, и
необходимость метания жребия: отцовское слово оказалось сильнее даже
конституционных постановлений. Сын может дожить до преклонных лет, подняться до высших
ступеней государственной карьеры, приобрести почет и славу (vir consularis et
triumphalis), он все равно не выходит из-под отцовской власти, и она
кончается только со смертью отца. Жизнь сумела обойти ряд законов: поставить иногда
раба, бесправное существо, «вещь», выше всех свободных, дать женщине, которая
всю жизнь должна находиться под опекой отца, брата, мужа, права, которые
уравнивали ее с мужчиной, - отцовская власть оставалась несокрушимой. А.
Фульвия, отправившегося к Катилине, отец-сенатор приказал вернуть с дороги и
убить; Сенека помнил какого-то Трихона, римского всадника, который засек
своего сына до смерти. Он же рассказывает, что Тарий сам держал суд над своим
юным сыном, уличенным в составлении планов отцеубийства. На суд этот были
приглашены родственники и сам Август. И только при Константине казнь сына
Детей-уродов выбрасывали потому, что их рождение считалось Зловещим Знамением. Ливии
рассказывает, что в 207 г. до н.э. ребенка, который при рождении был величиной с четырехлетнего
и был «ни мальчиком, ни девочкой», по приказу гаруспиков положили живым в сундук и утопили в
море. Детей, родившихся в день смерти Германика, выбросили: существа, появившиеся на свет в
такой несчастный день, ничего, кроме горя, не принесут ни себе, ни другим. Сенека говорит,
как о явлении совершенно естественном: «Мы топим детей, если они родились хилыми или
уродцами»; в роду Фабиев не полагалось выбрасывать ребенка, хотя бы он был и уродлив, и это
отмечали как некое исключение: «рожденное полагалось вырастить». Малюток приносили обычно на
Овощной рынок и клали у колонны, которая называлась columna lactaria. В случае бедности и
многосемейности выбрасывали и Здоровых детей. Доля выброшенных была горестной: они или
погибали , или, будучи подобраны, становились рабами подобравшего. Иногда их калечили и посылали
нищенствовать. Сенека-отец описывает вид и судьбу этих несчастных. При всей риторской любви
к нагромождению ужасов и безудержному пользованию темными красками наличие истинного Зерна
Здесь несомненно. Продажа детей была Запрещена императором Константином, но потом он
разрешил ее отцам, жившим в крайней бедности. Регистрацию рождений и смертей ввел, по утверждению
римских историков, Сервий Туллий: списки родившихся составлялись в храме Юноны Люцины на Эс-
квилине (возможно, что только мальчиков). В первые два века империи объявления о рождениях
помещались в официальной римской газете «Acta Urbis», велась статистика рождений За каждый
день особо для каждого пола. Ею ведала особая «канцелярия», помещавшаяся в том же храме
Юноны Люцины. При империи потребовалось больше точности в составлении «актов гражданского
состояния». При Августе многодетные отцы получают известные преимущества: им нужны
доказательства того, что они состоят в Законном браке. Закон Папия Поппея требует наличия у людей
определенного возраста Законных детей. Появляются новые и новые отпущенники; требуется точное
установление гражданского облика каждого человека. Решительная мера была принята Здесь
Марком Аврелием, который велел, чтобы отец ребенка в течение 30 дней после рождения сообщил
префекту эрария в Риме и особым магистратам (tabularii public!) в провинциях имя ребенка и
день его рождения. Запись составлялась в двух экземплярах: один шел в архив, другой
выдавался семье.
объявляется убийством.
Ребенка, которого «поднял» отец, купали, заворачивали в пеленки104 и
укладывали в колыбель. На восьмой день девочке и мальчику на девятый нарекали имя ;
день этот (dies lustricus) был семейным праздником: собирались близкие,
приносилась жертва, очищавшая ребенка и мать, и устраивалось угощение,
соответствовавшее достатку родителей. Крохотное беспомощное существо было особенно
легкой и привлекательной добычей для таинственных злых сил, которые всегда
начеку: к спящему младенцу ночью подлетают стриги, страшные существа с
загнутым клювом и крючьями вместо когтей, которые роются во внутренностях малютки
и упиваются его кровью. Ничего не стоит сглазить ребенка: человек часто сам
не знает, что у него злой глаз; есть ведь отцы, которым матери боятся
показать их собственных детей. Ребенка надо защитить и охранить: против сглаза
помогает черный непрозрачный камень, который называется antipathies: его
следует надеть новорожденному на шею. Предохранят его также кораллы и янтарь, а
если ребенку повесить волчий зуб, у него легко прорежутся зубы, и он не будет
подвержен испугу. Золото отвращает всякое колдовство, и ребенку дарят
маленькие золотые вещички (crepundia), которые служат ему одновременно и игрушками,
и амулетами. Их нанизывают на цепочку или на шнурок и вешают через плечо или
на шею. Героиня Плавтова «Каната» перечисляет некоторые из таких игрушек-
амулетов: крохотный золотой меч, золотой топорик, серпик, две руки,
соединенные в рукопожатии, золотая булла. Сохранились целые ожерелья этих амулетов;
одно из них, между прочим, найдено в Керчи105. Особое место среди них занимает
названная и у Плавта булла. Это раскрывающийся медальон чечевицеобразной
формы, в который вкладывали какой-нибудь амулет, да и сама булла служила им.
Первоначально носить золотую буллу имели право только дети знатных семейств,
позже - все свободнорожденные, и здесь разницу создавало только наличие
средств: бедные люди надевали на своих детей кожаные буллы. Мальчики носили
их до дня своего совершеннолетия. Теперь им, взрослым людям, колдовство уже
не так страшно, и в этот день медальоны вешают около изображения домашних
Ларов как жертву им.
В старых и старозаветных римских семьях новорожденного кормила мать; так
было в доме у Катона. Фаворин, друг Плутарха и Фронтона, произнес целую речь
в защиту обычая, при котором «мать целиком остается матерью своего ребенка... и
не разрывает тех уз любви, которые соединяют детей и родителей», поручая
ребенка кормилице, «обычно рабыне, чужестранке, злой, безобразной, бесстыдной
пьянице». На саркофагах с изображениями сцен из детской жизни мы часто увидим
мать, кормящую ребенка.
Обычай брать для новорожденного кормилицу стал, однако, к концу республики
очень распространенным; Цицерон по крайней мере пишет, что его современники
«всасывают заблуждения с молоком кормилицы» (не матери). Кормилицы
упоминаются в ряде надписей; иногда кормилица с гордостью сообщает, кто были ее
вскормленниками: у семи правнуков Веспасиана была кормилицей Тация.
Кормилица часто оставалась в доме и после того, как ее питомец подрос. Она
забавляет его, болтает с ним, рассказывает ему сказки, которые вызывают
пренебрежительную усмешку в образованных кругах - «старушечьи россказни», и
которые были бы кладом для современного этнографа. Эта рабыня или отпущенница,
преданная, любящая, сроднившаяся с ребенком, который вырос на ее руках,
постепенно превращалась из служанки в своего человека, жившего радостями и пе-
Купание происходило в корыте; воду наливать врачи рекомендовали теплую, а не ледяную, как
это было принято у германцев и скифов. Хорошо было положить в воду соли. Пеленки были обычно
белого цвета, шерстяные, мягкие. Соран, врач, живший при Траяне, оставил подробное
наставление о том, как следует пеленать младенца.
105 - Об этих амулетах см. старую, но превосходную статью О. Яна.
чалями семьи. Нередко случалось, что няня переселялась в новую семью своей
питомицы, когда та выходила замуж. Женская и детская половины дома оставались
тем местом, где она была помощницей, доверенным лицом и правой рукой своей
молодой госпожи, вместе с ней переживая радости и печали ее новой семейной
жизни.
К мальчикам приставляли «педагога» - старого, почтенного раба или
отпущенника, обычно грека, чтобы дети еще в раннем возрасте выучивались греческому
языку. «Педагог» исполнял обязанности нашего «дядьки» XVIII в., сопровождал
всюду своего питомца, учил его хорошим манерам - «так следует ходить, так
вести себя за обедом», драл за уши, а иногда прибегал и к более крутым мерам;
император Клавдий жаловался на свирепость своего дядьки; перед Харидемом,
дядькой Марциала, трепетал весь дом, и старик не унимался в своих
наставлениях поэту, когда тот уже брил бороду.
Дети, подрастая, принимались за игры. Братья и сестры росли вместе: играли,
ссорились, поколачивали друг друга, плакали и мирились по сто раз на дню. Им
покупали игрушки, ценность которых зависела, конечно, от состояния родителей,
но «сюжеты» которых были неизменно одинаковы: глиняные раскрашенные звери и
животные, повозочки и специально для девочек куклы, часто с подвижными
членами. Одну такую куклу, вырезанную из дуба и прекрасно сохранившуюся, нашли в
Риме; на пальцах у нее были надеты миниатюрные кольца. Так же, как и теперь,
у кукол имелось свое «хозяйство»: одежда, которую шили иногда заботливые руки
няни или матери, а то и неумелые пальцы самой маленькой хозяйки, украшения,
посуда. Дети часто сами находили себе игрушки: раковинки и пестрые камешки
занимали среди них первое место. Иногда они делали игрушки сами. Лукиан
рассказывает, как он в школе лепил из глины и воска лошадей, быков и людей,
неоднократно получая за это пощечины от учителя; римские ребята вряд ли
отличались от греческих.
Играли они в те же игры, в какие и сейчас играют дети по всему свету:
бегали взапуски, строили из песка домики (занятие, вызвавшее у Сенеки горькие
размышления о том, что взрослые отличаются от детей только видом), прятались
друг от друга, играли в чет и нечет, бегали с обручем, гоняли, подстегивая
хлыстиком, кубарь, скакали верхом «на длинной тростинке», качались на
качелях. Специально мальчишеской игрой было бросание камешков в цель и пускание
их по воде «блином»; «игра эта состоит в том, чтобы, набрав на берегу моря
камешков, обточенных и выглаженных волнами, взять такой камешек пальцами и,
держа его плоской поверхностью параллельно земле, пустить затем наискось
книзу, чтобы он как можно дальше летел, кружась над водой, скользил над самой
поверхностью моря, постепенно падая и в то же время показываясь над самыми
гребнями, все время подпрыгивая вверх; тот считается победителем, чей камешек
пролетает дальше и чаще выскакивает из воды». Мальчики играли в солдат, в
гладиаторов, в цирковых возниц; подарок маленькой зеленой туники того самого
цвета, который носили настоящие возницы «партии зеленых», приводил
мальчугана, конечно, в восторг. Играли они также «в суд и судьи». Перед «судьей» шли
ликторы с пучками розог и секирами, он садился на возвышении и творил «суд».
Эта игра была любимой забавой мальчика, который стал впоследствии императором
Септимием Севером.
Среди игр, которые перечисляет Гораций, упомянуто «запряганье в повозочку
мышей». Кто обучал мышей? Сами ребята? Специальные дрессировщики животных, у
которых и покупали уже обученных мышей? У нас нет данных, чтобы ответить на
эти вопросы.
Детские игры, конечно, разделяли домашние животные: на помпейской фреске
мальчик ведет на веревочке обезьяну, одетую в плащ с откинутым капюшоном; на
саркофагах изображены маленькие колесницы, запряженные баранами или козлами,
которые везут мальчика, держащего в одной руке вожжи, а в другой кнут. Сыниш-
ка Регула, страшного доносчика Домицианова времени, катался верхом на пони и
впрягал их в повозку. У него были собаки, крупные и маленькие, и разные
птицы: соловьи, попугаи106, дрозды. Птицы в детском мире были очень любимы. При-
мигений, сын одного из гостей Тримальхиона, «с ума сходил по птицам»; отец
постарался спасти его от этой пагубной страсти, свернув шею трем его щеглам и
свалив вину на хорька. На одном саркофаге мальчик в претексте с буллой на шее
держит в руках и ласкает крупного ворона, которого он, может быть, выучил
говорить107 . Сохранилась статуэтка мальчика с голубем в руках: римляне очень
любили эту птицу.
Семилетний возраст был поворотным пунктом в жизни мальчика. Сестры его
оставались с матерью и няней, он же «уходил из детства»: начинались годы
учения, и первые шаги мальчик делал под руководством отца.
Плутарх в биографии Катона Старшего оставил хорошую памятку об этом
первоначальном обучении в старинных римских семьях: отец учил сына читать и писать
(Катон собственной рукой крупными буквами изложил для мальчика отечественную
историю), ездить верхом, метать дротик, биться в полном воинском снаряжении,
бороться с водоворотами и стремительным речным течением. Не были забыты уроки
«бокса»; отец закалял мальчика, приучая его к физическому напряжению, к боли,
к тому, чтобы стойко переносить жару и холод: он был для него «и учителем, и
законодателем, и руководителем в физических упражнениях». Можно не
сомневаться, что по мере того как мальчик подрастал, отец знакомил его с сельским
хозяйством в разных его аспектах, начиная со свойств почвы и севооборота и
кончая правилами рациональной постановки дела. Эмилий Павел, получивший сам
«старинное римское воспитание», так же воспитывал и своих детей. Поклонник
греческого образования, человек из дружеского круга Сципионов, он «после
победы над македонским царем Персеем просил афинян прислать для обучения его
детям самого испытанного философа» и окружил своих детей целым штатом
греческих учителей и художников, но неизменно отдавал им все свободное время:
присутствовал на их уроках и при гимнастических упражнениях. Отец Аттика, друга
Цицерона, «сам любил науки и обучал сына всему, с чем ознакомиться надлежало
ребенку»108.
Еще важнее, чем знания, приобретаемые на этих уроках, была та нравственная
атмосфера, в которой ребенок рос. Горячая любовь к своей стране, готовность
жертвовать для нее всем, - «благосостояние государства да будет главным
законом», - убеждение в ее абсолютном превосходстве над всеми другими, гордость
родовыми традициями, - маски предков мог он рассматривать ежедневно, и о
деяниях этих мужей, которыми семья гордилась, часто рассказывали ему старшие -
сознание того, что он наследник их доблести и долг его не изменить тому, что
завещано рядом поколений, - вот тот «духовный воздух», которым с малолетства
дышал мальчик и в котором его воспитывали. Он не раздумывал над тем
наследием, которое оставили предки, и не оценивал его; работала не мысль, а чувство,
и оно предписывало определенную линию поведения на всю жизнь от момента,
когда он надевал тогу взрослого человека, и до того часа, когда вереница
предков провожала до погребального костра достойного представителя их рода. «Рим
и сила его держится старинными нравами», - сказал Энний, и Цицерону эти слова
казались изречением и предсказанием божества. Деций Мус, видя паническое бег-
Таких дорогих птиц, как попугаи и соловьи, мог иметь, конечно, только сын богатых
родителей. Плиний пишет: «За соловьев платили такие же деньги, как За рабов, и, пожалуй, больше,
чем платили раньше За раба оруженосца».
Птицу эту очень полюбили в Риме и успешно выучивали ее говорить. Плиний рассказал
необычайную историю о торжественных похоронах, которые устроили говорящему ворону жители одного
римского квартала.
108 Август, любивший подчеркивать свою верность старинным обычаям, «сам обучал своих внуков
чтению, письму и начаткам других Знаний».
ство войска, обрекает себя на гибель как искупительную жертву: «Что медлю я
покориться нашей семейной судьбе? Нашему роду дано жертвовать собой во
избавление государства: вместе с собой приношу я Матери-Земле и подземным богам
вражеские легионы»109. Это старинное воспитание имел в виду Цицерон, вкладывая
в уста Сципиона Африканского заявление, что домашнему быту и домашним
наставлениям он обязан больше, чем книжному учению. «В старину было так
установлено, что мы учились, не только слушая слова старших, но и глядя на их
поступки: мы знали, как надлежит нам поступать в недалеком будущем и какой урок
передать младшему поколению», - эту прекрасную характеристику старинного
воспитания дал Плиний Младший, сам получивший такое воспитание в глуши родного Ко-
мума110.
Римский ребенок получает урок у домашнего учмиеля (II в. н.э).
Когда мальчик надевал тогу взрослого - обычно 15-16 лет от роду, отец
поручал его заботам кого-либо из крупных государственных людей, и для юноши
начиналась «начальная школа форума» (tirocinium fori). Отец Цицерона привел его к
Кв. Муцию Сцеволе, авгуру, великому знатоку права, - «я не отходил от него ни
на шаг... я старался стать образованнее, поучаясь у него». Юноша сопровождал
своего наставника в сенат, присутствовал при обсуждении государственных
вопросов часто первостепенной важности, слушал выступления первых ораторов
своего времени, наблюдал за борьбой партий, «был зрителем, прежде чем стать
участником»; в действии изучал он механизм государственной машины; вместе со
своим руководителем шел он в суд, отправлялся в народное собрание, - «учился
сражаться на поле сражения». После этого практического введения в
политическую жизнь начиналась военная служба, и юноша или оставался в рядах армии,
или же возвращался в Рим и начинал свою политическую карьеру.
Так проходило детство и юность человека сенаторского или всаднического
сословия. А детство крестьянского сына или сына ремесленника?
О нем не сохранилось никаких источников, но мы можем представить его себе
довольно ясно. Мальчик мог тоже строить домики из песка, забавляться
камешками и ловить птиц, но уже очень рано начинал он в меру сил и способностей
принимать участие в трудовой жизни семьи: помогал матери в огороде, пропалывал
вместе со старшими ячмень и пшеницу, пас вместе с домашней собакой несколько
По традиции За спасение отечества принесли себя в жертву три Деция Муса: дед в 340 г. до
н.э., его сын в 295 г. и его внук в 279 г. Относительно жертвы последнего сами древние не
были уверены; современные историки не сомневаются, что «посвятил себя подземным богам»
второй Деций Мус (сын) в битве при Сентине, когда римское войско дрогнуло под напором
объединенного войска кельтов и самнитов.
Теперь Комо в Северной Италии, вблизи озера того же названия.
штук овец или коз. С возрастом и работа становилась труднее; большой мальчик,
он был уже помощник отцу: жал и косил, на легкой почве ходил за ралом. Это
практическое обучение шло рядом с воспитанием нравственным; отец был
человеком бедным и незнатным, но богатством чувств и мыслей не уступал
представителю старинного рода. Римское государство создали не Корнелии и Метеллы - они
были лишь представителями народа, стойко и безропотно выносившего все тяготы,
которые взваливала на его плечи историческая судьба. Чувства, которыми
проникнута речь Лигустина, владельца одного югера земли и маленькой хатки, по
существу те же, которые заставили Деция идти на смерть: та же самоотверженная
готовность служить родной стране, то же признание ее благоденствия высшим
законом. Крестьянский мальчик так же, как и его аристократический ровесник, рос
в здоровой атмосфере строгой дисциплины, твердых семейных устоев и спокойного
патриотизма. Он был связан с родной землей кровными, неразрывными узами: ее
слуга и хозяин, защитник и сын.
Хуже жилось, конечно, городским ребятам, особенно если город, в котором они
жили, был таким большим, разноплеменным и во многих отношениях нездоровым,
как Рим. Пусть крестьянскому мальчику приходилось иногда тяжело, и он
уставал, но он работал на чистом воздухе; окружающая природа насыщала юную душу
впечатлениями прекрасными и величавыми, и грозными, и идиллически тихими.
Городской ребенок их не знал: он рос в духоте маленькой каморки над мастерской
отца или на ее задах, на грязной шумной улице. Он, конечно, тоже, как мог,
помогал отцу в его работе и матери в ее хлопотах по дому, а свободные часы
проводил на улице со своими сверстниками. Пробирались дети в цирк и в
амфитеатр, увязывались за похоронной процессией, глазели на разные диковины,
которые выставлялись на всеобщее обозрение. На носорога или тигра стоило
посмотреть! А возвращение из школы сопровождалось, разумеется, шумной болтовней и
веселыми забавами, не всегда, правда, невинными111.
Апулей, вспоминая изречение древнего мудреца, писал: «Первая чаша утоляет
жажду, вторая веселит, третья услаждает, четвертая безумит; с чашами Муз
наоборот: чем их больше, чем крепче в них вино, тем лучше для душевного
здоровья. Первая чаша у начального учителя: она кладет основы; вторая - у
грамматика : сообщает знания; третья - у ритора: вооружает красноречием». Дети
бедного населения пили только первую чашу: учились в начальной школе.
Начальные школы
Начальные школы появились в древней Италии рано: уже в V в. до н.э. в Риме,
на Форуме, была начальная школа. Гул голосов «в школах грамоты» был для Ливия
явлением повседневной, обычной жизни города. Как на доказательство широкого
распространения грамотности в народе, справедливо указывают на тот факт, что
во II в. до н.э. пароль в армии, по словам Полибия, передавался не устно, а
на табличке. Количество надписей на помпейских стенах свидетельствует о том,
что грамотеи, их нацарапавшие, дальше начальной школы не пошли, но в ней все-
таки побывали. Школами грамоты Италия, по-видимому, была усеяна; открыть
школу мог любой: официального разрешения не требовалось. Государство в дело обу-
ДраЗнить, намекнуть своей жертве, что она чрезвычайно напоминает осла (обе ладони
проказник приставлял к своим ушам и тихонько ими помахивал), привязать ей хвост сзади, спеть
насмешливый куплет - на все это мальчишки были мастера. Очень любимой Забавой было приклеить
асе к камням мостовой и наблюдать, как прохожие стараются его оторвать. Удивительна та
чуткость , с которой эта детвора откликалась на все Злободневные события: этрусские гаруспики
сознательно, со Злым намерением, дали недобрый совет римлянам, были изобличены и наказаны, -
и вот по всему Риму разносятся Звонкие детские голоса: «Плохой совет советчику на гибель».
Галлов, которых Цезарь ввел в сенат, преследовала насмешливая песенка, сопоставлявшая их
прежнюю варварскую одежду и сенаторские тоги.
чения не вмешивалось; родители сами должны были смотреть, какому учителю
доверяют они своих детей, и вряд ли скромные ремесленники, мелкие лавочники и
крестьяне, дети которых учились в начальной школе, были строгими оценщиками и
судьями. Учитель грамоты мало чем отличался от них; был он обычно человеком
темного происхождения и не широких знаний, бедняком и неудачником, для
которого не нашлось в жизни лучшего места, чем место учителя начальной школы.
Уважением в обществе он не пользовался: ему не дано права именовать себя
«учителем» («профессором» по-латыни); он зовется просто «школьным
надзирателем» или «начальником школы» (magister ludi); кресло с высокой спинкой,
кафедра - не для него: на таком кресле может сидеть только «грамматик» или
ритор. На него не распространяются привилегии, которые получают от императоров
учителя средней и высшей школы. Платят ему гроши, из которых учитель должен
еще выделить сумму на наем помещения для своей школы. Нечего, конечно,
ожидать , что оно будет уютно и приветливо: учитель снимет какой-нибудь навес или
мастерскую, поставит стул для себя и несколько скамеек или табуреток для
учеников: они пишут, держа таблички на коленях, и столов им не требуется. Иногда
у него не хватает денег даже на такое помещение, и он устраивается на
открытом воздухе, где-нибудь под портиком Форума, отгораживая своих учеников от
того, что их может развлечь, только занавесом. Как раз такую школу видим мы
на одной из помпейских фресок.
Работы у учителя было много: учение начиналось рано, по уверению Марциала,
до петухов, и почти весь день ученики проводили в школе. Учитель отпускал их
домой в полдень позавтракать (дети уходили из дому натощак и уже на ходу
перекусывали лепешками, которые с раннего утра продавались в пекарнях), и потом
они опять возвращались в школу до вечера. В начальной школе девочки и
мальчики учились вместе.
Учились по старинке, по трафарету, установленному в какие-то незапамятные
времена: учитель заставлял вытверживать наизусть названия букв и порядок их в
алфавите и только затем показывал самые буквы112; Квинтилиан осуждал этот
способ, может быть, и не безрезультатно. После букв переходили к складам и толь-
Буквы из слоновой кости или из дерева, о которых говорит Квинтилиан, или из сладкого
теста, которые давались детям, после того как они выучивали названия этих букв, были в
употреблении, конечно, только при домашнем обучении в состоятельных семьях.
Начальная школа в Древнем Риме (II в. н.э).
ко потом уже к чтению целых слов. Квинтилиан настоятельно рекомендовал здесь
не торопиться, «повторять и длительно втолковывать» и ни в коем случае не
заставлять детей читать быстро. Совет был продиктован, конечно, длительным
опытом, и, возможно, скромные учителя грамоты, поседевшие в своих начальных
школах, поделились им с прославленным ритором, который ведал средним и высшим
образованием, и очень редко имел дело с элементарным обучением.
От чтения переходили к письму: учитель водил рукой ребенка по вдавленным на
воске буквам, приучая неопытные пальцы выводить нужные линии. После этих
предварительных упражнений ученик должен был уже самостоятельно копировать
написанные учителем слова. Квинтилиан предлагал здесь другой метод,
сообщенный ему, может быть, тоже каким-нибудь вдумчивым учителем начальной школы,
которому этот метод сберегал время: следовало вырезать буквы на деревянной
дощечке; ученик обводит их своим стилем, «словно борозды». Рука у него не
соскользнет , как это бывает при письме на навощенных табличках: деревянные края
не допустят этого, и ребенок, «быстрее и чаще водя стилем по определенным
линиям, приучит свои пальцы и не будет нуждаться в помощи чужой руки, которая
ляжет на его руку»; важно научиться «писать хорошо и быстро». Для списывания
Квинтилиан советует давать детям не пустые фразы, а «какие-либо добрые
наставления. Память о них сохранится до старости, и, запечатлевшись в душе
чистой и нетронутой, они будут содействовать выработке добрых нравов». К
списыванию присоединяется диктант, тоже нравоучительный; ребята выучивают его
наизусть : память рекомендовалось упражнять.
Книги были слишком дороги, чтобы дети в начальной школе могли ими
пользоваться . Обычно, выучившись читать и писать, они записывали под диктовку
учителя тексты, которые им были нужны, например законы «Двенадцати Таблиц»,
которые Цицерон учил мальчиком на память. Писали на табличках, покрытых воском,
вдавливая в него буквы стилем, железным грифелем, один конец которого был
острым, а другой тупым и широким, чтобы удобнее было стирать написанное.
Писали и чернилами на папирусе и пергамине; книга, которую не раскупали, шла в
лавочки на обертку товара и в школы: дети писали на обратной, чистой стороне
листов. Перьями служил тонко очищенный тростник (перья из птичьих крыльев
упоминаются впервые в VII в. н.э. у Исидора Севильского); чернила делались из
сажи и гуммиарабика (75% сажи, 25% гуммиарабика). Смесь эту высушивали на
солнце, затем растирали в порошок и разводили водой113. Детей приучали писать
и стилем, и перьями. В школах, где учитель обладал познаниями более
обширными, он сообщал ученикам кое-какие знания по грамматике и правописанию.
Важное значение для практической жизни имело знакомство с арифметикой,
главным образом с устным счетом, которому обучали с помощью пальцев (digitis
computare) - пальцы левой руки обозначали единицы и десятки, правой - сотни и
тысячи, а также с помощью счетной доски, абака, которая несколько напоминает
наши счеты.
Детей посылали в школу обычно с семилетнего возраста, и ходили они туда лет
пять - время, за которое, по словам Плавта, грамоте могла бы превосходно
выучиться и овца. Этот относительно длинный срок обучения не следует объяснять
тупостью италийских школьников. Учиться им было гораздо труднее, чем нашим
детям: сложнее были методы обучения, античный способ слитного письма
затруднял чтение даже и не на первых порах, выучиться арифметическим действиям при
У Персия ленивый ученик жалуется, что чернила у него то слишком густы, то слишком жидки и
что он не может писать таким пером (тростниковым), потому что оно все время оставляет кляксы
- и не одну, а по две сразу. В греко-латинском разговорнике, известном под названием
«hermeneumata pseudodositheana» (200—210 гг. н.э.), учитель велит ученику подлить немножко
воды в чернила, берет у него перо и перочинный ножик и спрашивает, как ему очинить перо:
«Остро? Зачем?». Квинтилиан рекомендовал писать на дощечках с воском: частое макание пера в
чернильницу Задерживает пишущего и прерывает течение его мыслей.
цифровой системе римлян было делом вовсе не легким . Кроме того, из пяти лет
на учение приходилось не больше половины: остальное время было занято
каникулами и праздниками.
Школьная дисциплина была жестокой; брань и побои - главные меры
воздействия, которые знают и в начальной, и в средней школе; единственной чертой
учителя, которая запечатлелась в памяти Горация, была его щедрость на удары;
Августин, вспоминая в глубокой старости свои школьные годы, утверждал, что
всякий, кому будет предоставлен выбор между смертью и возвращением в школу,
выберет смерть. Марциал называл трость (ferula) скипетром учителей. «Проклятый
школьный учитель» ненавистный и мальчикам и девочкам! Еще не пели петухи, а
из твоей школы уже несется твое свирепое ворчанье и звуки ударов", - жалуется
он в другой эпиграмме. Трость была орудием относительно легкого наказания,
которым учитель действовал по ходу занятий, не отрывая преступника от его
табличек; в случаях более серьезных в дело пускались розги или ремень,
который можно было заменить шкурой угря: «она толще, чем у мурен, и поэтому ею
обычно бьют школьников». На упомянутой выше помпейской фреске изображена
сцена из повседневной школьной жизни: двое девочек, положив на колени исписанные
листы, погружены в чтение, у третьего ученика, мальчика, мысли далеки от
учения: ожидает ли он участи, уже постигшей его товарища, которого с выражением
удовольствия на лице сечет молодой человек, по-видимому, помощник учителя,
пожилого человека в плаще, стоящего тут же и спокойно наблюдающего за
экзекуцией115 .
Стимулирование прилежности к учебе в Древнем Риме.
При этой системе место, Занимаемое цифрой, нисколько не меняло ее числового Значения,
причем двухзначное число можно было обозначать и двумя цифрами (XV), и шестью (LXXXIX). Дроби
исходили из деления единицы - асса - на 12 частей и обозначались каждая своим особым
названием, например: 1/2 асса - semis, 4/12 асса - triens, 1/12 асса - uncia, 1/24 асса -
semuncia, 3/12 асса - quadrans, 1/288 асса - scripulum, 5/12 асса - quincunx, 1/576 асса -
semi-scripulum, 6/12 асса - sextans. Задача, которая в нашей школе имела бы такой вид: «Если
отнять 1/12 от 5/12 сколько будет? - 1/3. А если прибавить к 5/12 1/12 сколько получится? -
1/2», - в римской школе Звучала таким образом: «Если от квинкунса отнять унцию, сколько
будет? - Триенс. - А если прибавить унцию? - Семис». Пальцы левой руки для обозначения единиц
и десятков могли принимать 18 разных положений, пальцы правой - столько же для сотен и
тысяч. 10 ООО и более высокие числа обозначали, прикасаясь рукой, правой или левой, к
определенной части тела.
115 Она производилась следующим образом: с ученика снимали одежду, один из товарищей взваливал
его себе на спину, другой держал За ноги. Это называлось catomidiare (от греч. catomizo -
«кладу на плечи»).
«Азбука к мудрости первая ступенька», - гласит старинная русская пословица;
по всей Италии дети на нее всходили, но, кроме проклятий Марциала, которому
школьный шум мешал спать, мы во всей латинской литературе не найдем ни слова
для характеристики тех людей, которые помогали малышам на эту ступеньку
взобраться. И только одна-единственная надгробная надпись августовского времени
чуть-чуть приоткрывает нам внутренний мир учителя грамоты. Звали его Фурием
Филокалом («любителем прекрасного»); может быть, это прозвище было у него
наследственным - он жил в полугреческой Кампании, в Капуе, - а может быть, он
сам выбрал его, считая, что оно верно его характеризует. Был он бедняком,
«жил скромно» (parсе), состоял членом погребальной кассы, на средства которой
и погребен, и прирабатывал к своему жиденькому доходу от школы составлением
завещаний. Мы не можем определить объема и глубины его познаний (кое о чем он
слышал от пифагорейцев, учивших, что тело - темница для души, и был
осведомлен об этнографии Италии, называл себя аврунком), но нравственный идеал его
вырисовывается яснее. Это чистота, внутреннее благообразие, которое
определяет его отношение и к детям, и ко всем, кому с ним приходилось иметь дело. Он
безупречно целомудрен в своем поведении с учениками; люди малограмотные и
незнакомые с юридическими формулами могли спокойно поручить ему составить
завещание: «он писал их по честному». Его отличает благожелательность ко всем
людям; «ни в чем никому не отказал, никого не обидел»116.
Надпись эта была найдена в Капуе на надгробной стеле из пористого известняка (высота 1.6
м, ширина 0.74) ; она очень пострадала от времени; Ниссен, первый ее издатель, трудился над
ней больше месяца, рассматривая ее при различном освещении. На стене изображен безбородый
пожилой мужчина в тоге с диптихом (?); слева - юноша в короткой тунике протягивает ему
четырехугольный предмет (таблички?); справа - женщина в тунике и палле поддерживает его локоть.
Обе эти фигуры никак не могут быть учениками, как это считается обычно. Юноша, судя по
костюму , - скорее всего слуга, женщина - жена или дочь
Надгробная плита начального учителя Фурия Филокала.
Являлся ли Филокал в учительской среде исключением или же такие тихие,
совестливые и добрые люди часто встречались среди этих незаметных, невзысканных
судьбой людей? Мы не можем ответить на этот вопрос: материала нет.
У грамматика
Дети бедных родителей, окончив начальную школу, брались за работу;
продолжали учиться только те, чьи родители принадлежали к классам более или менее
состоятельным. Можно быть уверенным, что их дети начальной школы не посещали.
Если в их семье не придерживались доброго старого обычая, и обучал их не
отец, то в своем доме или у ближайшего соседа и друга он всегда мог найти
достаточно образованного раба, который мог выучить детей чтению и письму. Ка-
тонов Хилон обучал многих детей; во времена Квинтилиана живо обсуждался
вопрос , не лучше ли учить мальчика «в своих стенах», чем посылать его в школу;
бывали случаи, что и курс «средней школы» уже взрослый мальчик проходил дома.
Большинство, однако, отправлялось к грамматику.
С грамматиками мы знакомы гораздо лучше, чем с учителями начальной школы: о
«славных учителях» (professores clari) рассказал Светоний, оставивший о
двадцати из них краткие биографические заметки117. Это не только учителя: это
Стоит познакомиться с этими «славными» грамматиками, чтобы яснее представить себе и
положение их в обществе, и роль их как литературных критиков и языковедов. «М. Антоний Гнифон,
родился в Галлии от свободных родителей, но был выброшен. Человек, вырастивший его, отпустил
его на свободу... был он очень даровит, обладал исключительной памятью, Знал одинаково хорошо
и греческий, и латинский. Характера был легкого и ласкового; о плате никогда не
договаривался и потому получал больше от щедрот учеников. Преподавал он сначала в доме Ю. Цезаря, а
потом - в собственном. Обучал и риторике: ежедневно излагал правила красноречия, но
декламировал только в нундины. Школу его, говорят, посещали люди Знаменитые, в том числе и Цицерон в
бытность свою претором. Он много написал, хотя прожил не больше 50 лет». Атей Филолог, его
ученик, считал, однако, что ему принадлежала только книга «О латинском языке» (de sermone
latino); все остальное написано его учениками. Он Занимался Эннием, хотя нет основания, как
это делает Бюхелер, приписывать ему целый комментарий к «Анналам». Макробий пишет, что в
одной из своих книг он «рассуждал о том, что такое festra, - слово есть у Энния» (старинная
форма слова fenestra - «окно»). После Гнифона Светоний, расположивший своих грамматиков, по
всей видимости, в порядке хронологическом, называет М. Помпилия Андроника, уроженца Сирии и,
вероятно, тоже отпущенника. Он был последователем эпикурейской философии, и - характерная
черта! - ему ставили в упрек, что Занятия философией мешают ему вести как следует школьные
Занятия. Ему пришлось покинуть Рим; он поселился в Кумах, много писал на досуге и жил в
крайней бедности; нищета Заставила его даже продать свое главное произведение - annalium
Ennii elenchi («Приложение к „Анналам" Энния»), которое содержало, вероятно, много
интересного материала, так как Орбилий купил эту книгу и даже ее опубликовал. Гомперц полагает, что
апология Эпикура, найденная в геркуланских папирусах, принадлежит Помпилию Андронику. Одним
из учеников Гнифона был Л. Атей, грек, уроженец Афин. При взятии города Суллой в 86 г. он
попал в плен и в рабство к М. Атею, который потом отпустил его на свободу. Атей Капитон
называл его «ритором среди грамматиков и грамматиком среди риторов»: он, очевидно, пытался
соединить эти две смежные области. «Он обучал многих Знатных юношей, в том числе братьев Аппия
Клавдия и Клавдия Пульхра... Он присвоил себе имя филолога, потому что, как и Эратосфен,
который первым принял это прозвище, отличался разносторонними познаниями». Ученость его
действительно Значительно превышала уровень обычной грамматической учености: для Саллюстия (он был
дружен с ним и с АЗинием Поллионом) он составил «Компендий по римской истории» (breviarium
rerum omnium romanarum), для АЗиния Поллиона - «Стилистику» (praecepta de ratione
scribendi). Была им написана книга «О редких словах» (liber glossematum), на которую
ссылается Фест по поводу слова ocris («бугристая, неровная гора»); оттуда же, вероятно, взято и
объяснение слова nuscitiosus - «близорукий» или «страдающий куриной слепотой». Главной своей
работой Атей считал «Лес» (???) в 800 книгах, некую энциклопедию всевозможных Знаний (quam
omnis generis coegimus). Особое место Занимает П. Валерий Катон, прекрасный учитель, тонкий
литературный критик и сам поэт. Судьба его была трагической; он остался сиротой в страшные
времена Суллы, и все, что принадлежало мальчику по праву наследования, было у него отнято.
Преподавание его пользовалось большой популярностью; «он обучал многих Знатных юношей и
считался превосходнейшим учителем». Вокруг него группировались «новые поэты», и пристрастие их
к александрийской поэзии возникло, вероятно, не без влияния Катона. Его называли «латинской
сиреной»; его комментарий вызывал восхищение учеников: «он один умеет читать и делать поэта
поэтом». Его называют «единственным учителем, величайшим грамматиком, который умеет
разрешать все трудные вопросы, превосходным поэтом»; и все же он жил «в большой бедности, почти в
нищете»: «Если кто случайно видит дом моего Катона, выстроенный из щепок и покрашенный
суриком , и его садик, охраняемый Приапом, тот изумляется, с помощью каких наук достиг он той
мудрости, которая научила его жить до глубокой старости на трех кочешках капусты, на полфун-
те полбы и на двух виноградных кистях в доме, на чью крышу хватило одной черепицы!». Катон
очень ценил Луцилия и, по словам Горация, подлинность которых напрасно Заподозрена, готовил
его новое издание и «собирался исправить плохие стихи» с осторожностью и тонкостью, которые
Гораций признавал За старым грамматиком. Что привлекало его в Луцилии? Не форма, конечно: он
соглашался, что стиль его полон недостатков. Может быть, его приводили в восторг сила и
огонь Луцилиевых сатир; он сам не чужд был этому роду поэзии: рассказу о горестях своего
детства он дал название «indignatio» («Негодование»). Его «Диане» Гельвий Цинна, один из
«новых поэтов», желал остаться в веках, но о содержании ее, так же как и о содержании других
поэм Катона, мы ничего не Знаем. Корнелий Эпикад, отпущенник Суллы, окончил его «Мемуары»,
написал книгу «О прозвищах» (de cognominibus), где старался объяснить имя Суллы. Макробий
приводит его рассказ о том, как Геракл, убив Гериона, бросал с моста в Тибр фигурки людей -
столько по числу, сколько он потерял в путешествии спутников: пусть вода унесет их в море, и
они словно вернутся на родину. Отсюда пошел обычай делать такие фигурки на праздники; на
основании этого места Петер считал, что Эпикад написал книгу «О римских древностях».
Одновременно с ним жил в Риме Стаберий Эрот: «Предки наши видели Публилия Сира, создателя мимов,
его двоюродного брата, Манилия, основателя астрологии, и грамматика Стаберия Эрота,
прибывших на одном корабле; ноги у них у всех были обмазаны мелом» - в Знак того, что они рабы.
Это было в 83 г., когда Сулла возвращался из Азии. Стаберий получил свободу «За свою любовь
к науке»; учениками его были Брут и Кассий. Рассказывают, что он был так высок душой, что во
времена Суллы бесплатно обучал детей проскрибированных. Им была написана книга «Об
аналогии», которая предварила, таким образом, Знаменитый трактат Цезаря. Из грамматиков, живших
при Августе, на первом месте надо назвать, конечно, Веррия Флакка. В своей школе он Заменил
розги и ремень соревнованием: кто написал лучшее сочинение на Заданную тему, тот получал в
награду какую-нибудь старинную книгу, редкую или красивую. Август поручил ему обучение своих
внуков, и он перебрался на Палатин со всей своей школой, но больше в нее учеников не
принимал . Получал он в год от Августа 100 тыс. сестерций. Он был не только прекрасным учителем,
но крупным филологом и великолепным Знатоком римской старины. Плиний Старший неоднократно
указывает его в числе источников своей «Естественной истории». Его сочинение «О Значении
слов» (de significatu verborum) содержало объяснение устаревших слов, которые с течением
времени стали непонятны, но встречались в языке, юридическом и культовом и официальном
государственном . Параллельно с объяснением слов шли объяснения древних обычаев, исторические
справки, литературные реминисценции. В подлинном виде произведение это не сохранилось: его
сократил и эксцерпировал Помпей Фест, посредственный грамматик с Знаниями не очень большими.
Его компендий в свою очередь сократил в VIII в. н.э. Павел Дьякон, ученость которого была
еще меньшей. Авл Геллий пишет, что объяснение непонятных слов у Катона искали в книге Веррия
Флакка «О темных местах у Катона»; была у него также книга об орфографии, о сатурналиях, где
он объяснял происхождение этого праздника, об этрусках. Истинной сокровищницей для истории
культуры были его «Достопримечательности» (rerum memoria dignarum libri). От этих книг
ничего не осталось, но самые Заглавия и ссылки на Веррия, которые имеются и у Плиния, и у Авла
Геллия, и у Макробия, свидетельствуют о широте интересов Веррия и о его большой (в тогдашнем
смысле) учености. Юлий Гигин, испанец родом, отпущенник Августа, Заведовал библиотекой на
Палатине, а кроме того, имел много учеников. «Был дружен с Овидием и консуляром Клавдием Ли-
цином, который говорит, что Гигин умер в большой бедности, и он поддерживал его, пока тот
был жив, своими щедротами». И его отличает большая широта интересов: он писал комментарий к
Вергилию, биографии Знаменитых людей, были у него книги по сельскому хозяйству (о Земледелии
и пчеловодстве), по мифологии, по истории италийских городов (их основание и
местоположение) . Остановимся еще на двух фигурах, особенно интересных своей судьбой: первый - это Л.
Орбилий Пупилл, имя которого передал векам Гораций, а другой - Кв. Реммий Палемон. Орбилий
родился в конце II в. до н.э. в Беневенте, большом цветущем городе Самния. Родители его
были, по-видимому, людьми состоятельными - Орбилий «с детства углубленно Занимался науками» -
и пользовались немалым влиянием в городе. Надвигалась страшная буря Союзнической войны; Бе-
невент всегда оставался в руках римлян, но это не Значит, что сердца всех жителей города
принадлежали Риму. Стоял старик Орбилий на стороне римлян и действовал в их пользу? Или на
стороне италиков? Мы не можем этого сказать, и не Знаем, что было причиной таинственной
смерти родителей Орбилия, погибших одновременно: жестокая ненависть политических
противников , личная месть или то и другое вместе, но только «враги хитростью уничтожили» его отца и
мать, и подросток остался круглым сиротой и без всяких средств. О Занятиях и учении нечего
было и думать; надо было что-то пить, есть и где-то жить; и то обстоятельство, что мальчик
не растерялся, сумел выдержать страшный и неожиданный удар и как-то пристроиться,
свидетельствует о большой силе и большой гибкости его природы. Пристроился он, правда, плохо:
поступил младшим служащим к магистратам Беневента, - бегал на посылках, выкрикивал объявления,
может быть, сидел в канцелярии писцом или счетоводом и кое-как жил. Пошел он на военную
службу добровольно или был взят по набору, неизвестно, но мы Застаем его уже в Македонии
(как раз шла война с Митридатом) в чине корникулярия, т. е. старшины или сержанта в переводе
на наш язык (корникулярием солдат назывался потому, что Знаком его чина служила пара
маленьких рожек - cornicula, которые вдевались в шлем) . Мы не Знаем, получил он это повышение За
военные Заслуги или же легионному начальству потребовался хорошо грамотный солдат, и выбор
пал на Орбилия, который в Звании корникулярия и Занял должность писаря в полковой
канцелярии, обычно Замещаемую солдатами этого чина. Светоний, перечисляющий одни факты из Орбилие-
вой биографии, без их причин и мотивировок, пишет, что Орбилий перешел Затем в конницу.
Римская кавалерия того времени состояла почти целиком из «варваров» - германцев и кельтов; в
эту чужеземную массу вкрапливались италийские добровольцы. Жалованье Здесь было больше и
служба легче, но по каким мотивам Орбилий добивался перевода в эту часть, мы сказать не
можем. Может быть, сказалась любовь к лошадям, естественная в душе человека, проведшего
детство и первую юность в области, славившейся своими конями. Отслужив положенные 20 лет в армии,
он вернулся в родной Беневент, «возобновил ученые Занятия и долго преподавал в родном
городе». Слова «возобновил ученые Занятия» Заставляют остановиться. Школа Орбилия не была
начальной школой; Светоний помещает его среди «грамматиков»; два отрывка, сохранившиеся от его
грамматических трудов, Заняты разбором двух синонимов и оттенков их: criminans и criminator,
litteratus и litterator. В школе он читал и толковал Одиссею в переводе Ливия Андроника, и
преподавание его пользовалось в Риме широкой и доброй известностью. «Терзать при всяком
случае своих ученых противников» (Светоний так и выбрал глагол «терзать», «раздирать» -
lacerare) можно было, только располагая хорошим научным багажом. Когда приобрел его Орбилий?
Мы видели, что его школьные Занятия были прерваны резко и неожиданно, когда он был еще
подростком . Остается предполагать одно: на военной службе Орбилий пользовался каждой свободной
минутой, чтобы читать и учиться; может быть, для этих Занятий после Заключения мира с
Митридатом бывали благоприятные минуты и обстоятельства. Фигура штабного писаря, который в
промежутках между составлением штрафных списков (главная обязанность корникулярия) погружается в
чтение, и кавалерийского солдата, который, вычистив стойло и хорошенько растерши руками
своего коня (скребницы у древних не было), хватается За удачно приобретенный свиток, не может
не внушать уважения. В душе Орбилия жила и страсть к Знанию, и жажда его. И то, что он,
вопреки всем тяготам, которыми щедро осыпала его жизнь, сумел эти Знания приобрести, что
военной карьере, которая вот-вот должна была Завершиться для него почетной и доходной должностью
центуриона, он предпочел бедное и не очень уважаемое место грамматика, Заставляет взглянуть
на эту суровую и мрачноватую фигуру иными глазами, чем в течение двух тысячелетий принято
было на него смотреть с легкой руки Горация, ничего не увидевшего в своем учителе, кроме
щедрости на удары (судя по превосходному Знакомству Горация с практикой ехидных проказ,
принятых в мальчишеской среде, Орбилий не Зря обучал его уму-разуму). Земляки Орбилия,
поставившие ему в Беневенте на форуме мраморную статую, были проницательнее. Учил он по старинке,
как учили все грамматики того времени, внедряя Знания с помощью трости и ремня. «Одиссея» в
латинском переводе была, конечно, утомительным и скучным чтением. Не следует Забывать,
однако , что старик Гораций, человек большой порядочности и крепких нравственных правил, приехав
в Рим и, конечно, осведомившись о ряде школ (был он человеком осмотрительным и наобум не
действовал), выбрал для своего сорванца учителем именно «щедрого на удары» Орбилия. Суровая
атмосфера училища, видимо, была в то же время безупречно чистой. Жизнь не дала Орбилию
развернуться во всю полноту его сил и дарований, и это оставило в его душе горечь, от которой
горько приходилось и тем, кто имел с ним дело. Мелкие обиды и царапины, достававшиеся ему,
разрастались в его представлении до жесточайших оскорблений, изранивших ему всю душу: он
составил их летопись и дал ей характерное Заглавие - «Умученный» (рукописи Светония дают:
perialegos w; perialogos w; принимаю конъектуру Тупа). Он был неуживчив, не умел льстить ни
ученикам, ни их родителям; люди, дававшие своим детям то изнеженное воспитание, которым
будет так возмущаться Квинтилиан, т. е. люди состоятельные, вероятно, избегали его школы, и он
умер бедняком, вынужденным жить в мансарде («под черепицами»). Кв. Реммий Палемон родился в
маленьком городке Вицетии, лежавшем на пути из Вероны в Аквилею, в доме хозяина его матери-
рабыни . Мальчиком хозяева отправили его в свою ткацкую мастерскую, и познания, приобретенные
в ней наблюдательным мальчишкой, очень пригодились ему в дальнейшем. Лениво ли работал он в
ткацкой или не оказалось никого более подходящего, но только его приставили к хозяйскому
сыну с приказом сопровождать мальчика в школу и носить За ним его «портфель» (капсу).
Мальчишка был и смышлен, и любознателен; прислушивался ли он к урокам в школе, взял ли на себя роль
ученые с широким кругом интересов, иногда писатели, всегда почти литературные
критики и законодатели вкуса. Они занимаются историей, лингвистикой, историей
литературы, толкуют старых поэтов (Энний, Луцилий), а иногда и загроможденные
ученостью поэмы своих современников («Смирна» Цинны), подготовляют
исправленные издания, роются в дебрях римской старины, пишут драгоценные справочники,
содержащие объяснения старых, непонятных слов и древних обычаев. Они
раздумывают над вопросами преподавания, ищут новых путей, иногда безошибочно их
находят, и смело по ним идут (Цецилий Эпирот вводит в школу чтение современных
поэтов; Веррий Флакк заменяет телесные наказания системой соревнований и
наград) . Отпущенники, чаще всего греки, они свои люди в кругу римской
аристократии; сыновья знатных семей у них учатся; зрелые писатели (Саллюстий, Ази-
ний Поллион) обращаются за помощью и советом. Они состоят в дружбе с людьми,
чьи имена сохранила история, и умеют быть верными друзьями: Аврелий Опил не
покинул Рутилия Руфа, осужденного на изгнание; Леней обрушил свирепую сатиру
на Саллюстия, осмелившегося задеть Помпея, его покойного патрона. Перед ними
открываются двери императорских дворцов: Юлий Цезарь учился у Гнифона, Август
пригласил Веррия Флакка в учителя к своим внукам, Палатинской библиотекой
ведал Гигин.
Эта ученая и учительская аристократия давала тон и указывала путь всему
учительству римской школы; от способностей, сил и добросовестности каждого
Зависело приблизиться к этим образцам или остаться далеко позади. Квинтилиан
вспоминал таких грамматиков, которые «вошли только в переднюю этой науки» и
застыли в своем преподавании на материале, почерпнутом из старых записей,
составленных учениками, которые слушали лекции знаменитых «профессоров».
Вряд ли, однако, таких было много; тот же Квинтилиан вынужден признать, что
«всю свою жизнь, как бы долга она ни была, тратят они на работу». На их
обязанности лежало научить мальчиков правильно говорить и писать и основательно
ознакомить с литературой, главным образом с произведениями поэтов. Уже первая
задача при отсутствии научно разработанной грамматики и твердо установленных
правил была трудна; вторая требовала больше, чем простой начитанности:
грамматик должен был чувствовать себя хозяином в ряде областей, смежных с
литературой, начиная от философии и кончая астрономией. От него требовали, чтобы он
«знал всех писателей, как свои пять пальцев». В конце республики, по
сведениям Светония, в Риме было больше двадцати школ, и число их, конечно, росло и
учителя его молодой хозяин, и втолковывал ему школьную премудрость, пока оба мальчика шагали
из дому в училище и обратно, - как бы то ни было, но Палемон выучился грамоте и не только
грамоте: он был настолько образован, что составил «Руководство по грамматике», которое, по
мнению Узенера, представляло собой переработку учебника по грамматике Знаменитого Дионисия
Фракийца. Отпущенный на волю, он отправился в Рим, открыл там свою грамматическую школу и
считался первым среди учителей: у него была великолепная память, много Знаний и язык, о
котором говорят, что он «хорошо подвешен». Трудно найти людей и по судьбе своей, и по
нравственному облику столь противоположных, как Палемон и Орбилий. Палемон принадлежал к числу
самых неприятных людей древнего мира: был он тщеславен (о тщеславии, как отличительной черте
его душевного склада, помнили и после его смерти), самомнителен до глупости, лишен уважения
к подлинным Заслугам. Дерзость его изумляла даже Светония: «Он называл М. Варрона свиньей и
говорил, что наука родилась с ним и с ним умрет». В нравственном отношении это была фигура
настолько грязная, что и Тиберий, и Клавдий громко предостерегали от посылки детей к нему в
школу; подробности, сообщаемые о нем Светонием, непереводимы. Ему не приходилось жить «под
черепицами», так как школа давала ему в год 400 тыс. сестерций, но и этого ему, по-видимому,
не хватало. Распущенный образ жизни («он был так изнежен, что купался по несколько раз в
день») не помешал ему Заняться коммерческими предприятиями и повести их к вящей для себя
выгоде. Он открыл мастерскую дешевой одежды: бывший ученик ткацкой мастерской, видимо, не
Забыл, как разбираться в тканях и определять их качество; он купил Заброшенный виноградник
поблизости от Рима За 600 тыс. сестерций и сумел организовать хозяйство так, что через восемь
лет у него купили урожай на корню За 400 тыс. сестерций: ученый грамматик был оборотист,
сметлив и чуял, где можно нажиться.
росло. Чтобы удержать учеников, чтобы привлечь большее число их, грамматик
должен был работать и работать. Обширные знания и умение их передать были в
числе первых средств, собиравших к нему молодежь.
Начиналось обучение у грамматика с самых простых упражнений: он старался
уничтожить недостатки произношения, «все, что отдает деревней или чужеземным
происхождением», учил отчетливо выговаривать каждую букву, ставить правильные
ударения, не путать долгих и кратких, не глотать окончаний. Мальчик узнает,
что есть гласные и согласные, что один звук может заменяться другим, склоняет
и спрягает. Ему сообщают, каких ошибок (vitia) должен он избегать в языке
(варваризмы, солецизмы, метаплазмы, т. е. неправильная форма слова,
допущенная ради соблюдения размера), знакомят с метрикой, с тропами и фигурами речи.
Когда эти элементарные знания усвоены, приступают к изучению образцовых
произведений литературы: ученик читает их, слушает комментарий к ним, выучивает
отдельные куски наизусть, пишет сочинения на темы из прочитанного. По-
гречески читали басни Эзопа, Гомера, комедии Менандра, по-латыни - Одиссею в
переводе Ливия Андроника и Энния. Квинтилиан рекомендовал начинать с
греческого, но, не задерживаясь долго только на нем, переходить к латинским
авторам и дальше «двигаться в паре». В последней четверти I в. до н.э. тот самый
Цецилий Эпирот, о котором было уже упомянуто, произвел в этой системе
преподавания настоящую революцию: вместо Ливия Андроника и Энния, этих почтенных,
но сильно устаревших авторов, он начал объяснять своим ученикам Вергилия и
других новых поэтов. Квинтилиан звал назад: «Много пользы принесут старые
латинские поэты... главным образом в смысле языка, богатого, торжественного в
трагедиях, изящного в комедиях... от них надо учиться чистоте и мужественной
силе... Поверим великим ораторам, которые украшают свои речи цитатами из Энния,
Акция, Пакувия, Луцилия, Теренция, Цецилия»; его не слушали, и из всех
поэтов , им названных, удержали только Теренция. К концу I в. н.э. установился
канон тех «новых» писателей, которых читают в «средней школе».
На первом месте стоит Вергилий, изучение которого становится фундаментом
литературного образования, пространные комментарии к нему пишет ряд
грамматиков от Гигина (время Августа) до Сервия (IV в. н.э.) и Филаргирия. За ним
следует Теренций. Волкаций Седегит (II в. до н.э.) ставил его на шестое
место, после Плавта и Цецилия, но в первом веке империи его усердно читают и
комментируют. Горация читали меньше. Из прозаиков в число «школьных авторов»
включены были не Ливии, хотя Квинтилиан горячо рекомендовал его («самый
чистый и понятный»), а Саллюстий из историков и Цицерон из ораторов.
Урок литературы строится по определенной, давно установленной схеме,
которую сообщил Варрон: lectio («чтение»), emendatio («исправление текста»),
enarratio («комментарий») и indicium («суд») - общий обзор результатов
предшествующего анализа и эстетическая оценка прочитанного.
Чтение в древней школе было далеко не таким простым делом, как сейчас:
слова писались слитно, знаков препинания не было. Чтобы прочесть текст, ученик
должен был сначала разметить его: отделить слова одно от другого, разбить
отрывок на отдельные фразы, понять, где по смыслу полагается остановиться, где
поставить вопрос, какое слово надлежит подчеркнуть, как и где изменить
голос118. Легко представить себе случай, когда ученику оказывается не под силу
со всем этим справиться и во всем разобраться: помощь учителя необходима, и
он praelegit - «предварительно читает» текст, сопровождая его пояснениями, и
Авл Геллий рассказывает, как однажды он встретил невежду, хвалившегося, что только он один
во всем мире может объяснить Менипповы сатиры Варрона. Авл Геллий, у которого случайно была
с собой эта книга, попросил его прочесть и объяснить ему смысл пословицы, которую приводит
Варрон. «Прочти сам», - ответил тот. - «Как же я могу прочесть то, чего не понимаю. Я смешаю
и спутаю все слова». Невежде пришлось уступить и взяться За чтение самому, но он
«останавливался не там, где надо было остановиться по смыслу, и произносил слова неправильно».
только после этого заставляет читать учеников; если их было мало, то всех по
очереди.
Рукописные тексты, которыми пользовались ученики, часто во многом не
совпадали. Мы знаем, до какой степени бывал пересыпан ошибками подлинный текст
автора. Переписка произведений, предназначенных для широкого распространения,
велась обычно под диктовку; ошибки могли возникнуть и от неясности в
произношении, и от минутной рассеянности переписчика. И Цицерон, и Марциал в один
голос жалуются, что их сочинения, поступившие в продажу, полны ошибок.
Переписчикам случалось иметь дело с разными редакциями, и в произведениях поэта,
продававшихся в книжных лавках под одним и тем же заглавием, обнаруживалась
иногда существеннейшая разница. Вести школьные занятия можно было только при
наличии одинакового текста у всех учащихся; установление этого единства и
происходило в школе (emendatio). В этой работе не было ничего сходного с той,
которую проделывает сейчас издатель античного автора: ни классификации
рукописей, ни установления архетипа, ни выделения наилучшей рукописи; учитель
просто выбирал тот текст, который ему наиболее нравился, и объяснял его
преимущества ученикам; когда дело доходило до другого места, то он не
останавливался перед тем, чтобы взять его из иной рукописи, если там оно приходилось
ему более по вкусу. Все решал личный вкус грамматика и суждение, которое он
себе составил о стиле и языке автора: ученики исправляли свои экземпляры в
соответствии с указаниями учителя; иногда учитель просто диктовал нужный
отрывок . И теперь, после того как текст был прочитан, более или менее понят и
унифицирован, наступал черед комментария (enarratio): он касался формы и
содержания .
Комментарий был очень подробен: учитель останавливался на каждом стихе,
объяснял грамматические формы, значение слов, приводил параллельные места из
других поэтов, указывал синонимы, метафоры, метонимии, синекдохи и т. д.,
говорил о размерах, обращал внимание на построение фразы, на то, почему поэт
поставил такое-то слово, употребил такое-то выражение. Параллельно с этим
формальным комментарием шел другой, касавшийся содержания (реальный, - как
сказали бы мы сейчас). Грамматик сообщал ученикам биографию поэта, чье
произведение они читали, рассказывал, при каких обстоятельствах и по какому
случаю, оно было написано; если читали только отрывки, то он излагал содержание
всего произведения и указывал, какое место в нем занимает читаемый отрывок.
Поэзия не обходилась без вмешательства богов; детей необходимо было хорошо
ознакомить с мифологией, с именами богов (один и тот же бог часто назывался
разными именами), их атрибутами, иерархией, с легендами о них, с ролью,
которую поэт дал им в своем произведении. «Хороший грамматик не может обойтись
без знания музыки, так как ему нужно говорить о метрах и ритмах; не зная
астрономии, он не поймет поэтов, которые неоднократно определяют время по
восходу и захождению светил. Он должен быть осведомлен в философии, как потому,
что почти во всех поэтических произведениях есть места, продиктованные
глубоким знанием сокровенных тайн природы, так и потому, что Эмпедокл, Варрон и
Лукреций писали о философских предметах в стихах». Детей с раннего возраста
заставляли выучивать «изречения славных мужей»; надо было хоть немного, да
рассказать об этих «славных мужах», т. е. сообщить кое-какие сведения по
истории. Необходимо было знакомство с географией. Эней и его спутники побывали
во многих местах, встречались с разными народами; учитель должен был
рассказать, что это за места, где они находятся, какие это народы. И разбор
литературного произведения заканчивался «судом» - его художественной оценкой:
учитель указывал недостатки стиля: варваризмы, неточные выражения, ошибки
«против законов языка» и не стеснялся призывать здесь к ответу самого Вергилия,
указывая, что употребляет он иногда слова неподходящие. Внимательно разбирали
достоинства композиции, обрисовку характеров: «что какому лицу подходит, ка-
кие чувства, какие слова заслуживают одобрения, когда можно быть
многословным, когда надо быть кратким». Сравнивали поэтов греческих и римских:
Вергилия и Гомера, Вергилия и Феокрита, Менандра и Цецилия. От грамматика
требовалась, как мы видим, образованность многосторонняя.
Учитель должен был сообщать своей аудитории много сведений, ученики
тщательно записывали его слова; эти записи («беспорядочная смесь», как
характеризовал их Квинтилиан) соответствовали «общим тетрадям» современных
школьников. Ученики могли задавать учителю вопросы, и сам он их «вызывал» и
спрашивал. А, кроме того, они получали «домашние задания», которые готовили иногда
действительно дома, а чаще в школе.
Шкала этих ученических упражнений была весьма широка: от очень легкого
постепенно переходили к более и более трудному. Начинали с басен Эзопа («они
непосредственно следуют за сказками кормилиц»): ученик должен был пересказать
басню устно правильным языком, а затем сделать такой же пересказ письменно;
сначала он только переделывал стихи в прозу, затем должен был заменить слова
басни их синонимами и, наконец, написать вольный пересказ; «ему разрешается и
сократить, и приукрасить, не искажая, однако, мысли поэта». Материалом для
чисто грамматических упражнений служили сентенции - пословицы или афоризмы,
неизвестно кому принадлежавшие, и хрии - изречения какого-либо известного
лица . «Марк Порций Катон сказал, что корни учения горьки, но плоды сладки».
Требовалось это изречение «провести по всем падежам»: «мы знаем слова М.
Порция Катона, что...»; «М. Порцию Катону казалось, что...»; «М. Порцием Катоном
сказано, что...» Не беспокоясь о смысле, ретивый ученик принимался склонять ту
же хрию во множественном числе: «Марки Порции Катоны сказали, что...» и т. д. ,
до творительного включительно. По мере того как ученик развивался, эти
простенькие задания усложнялись. Хрия из упражнения в склонении превращалась в
сочинение, в котором надлежало подробно развить мысль, на которой основано
нравоучение афоризма, обосновать его верность, привести свидетельства древних
авторов, его подкрепляющие, показать, к каким губительным следствиям приводит
нежелание считаться с этим нравоучением. Вместо басен Эзопа ученику
предлагалось изложить содержание комедии, сочинить «рассказик» на тему,
заимствованную у какого-либо поэта. Творчеству ученика открывался широкий простор. «Я
должен был, - рассказывает Августин, - произнести речь Юноны, разгневанной и
опечаленной тем, что она не может повернуть прочь от Италии царя Тевкров. Я
никогда не слышал, чтобы Юнона произносила такую речь, но нас заставляли
блуждать по следам поэтических выдумок и пересказывать прозой то, что было
сказано в стихах. Особенно хвалили того, кто умел удачно изобразить, в
соответствии с достоинством вымышленного лица, гнев или печаль, умел одеть свои
мысли в подходящие выражения». Персию задано было сочинить «предсмертные громкие
слова» Катона. К великому негодованию Квинтилиана, грамматики часто
забирались в ту область, которую он считал владением ритора, и предлагали ученикам
такие упражнения, которыми, по его мнению, следовало заниматься в риторской
школе. Негодование это было бессильно переделать школьную жизнь его времени:
строгой границы между школой грамматика и ритора не существовало. Светоний
ясно это засвидетельствовал: «Старые грамматики преподавали и риторику и
оставили руководство по обеим наукам. Следуя этому обычаю и позднее, когда
школа грамматика отделилась от риторической, они удержали (а может быть, ввели)
некоторые подготовительные к риторике упражнения, чтобы не вручать риторам
мальчиков, знающих одни сухие и скучные правила».
Школа грамматика была сурово осуждена современными западными учеными; ее
упрекнули в том, что она не развивала привычки к синтезу, не умела ставить
общих вопросов, и рассматривала художественное произведение не в его целом, а
в отдельных мелких частях. Чтобы убедиться в правильности этого утверждения,
достаточно открыть комментарий Сервия к Энеиде или схолии к Ювеналу. Этот су-
щественный, с нашей точки зрения, недостаток современники Квинтилиана и
«славных профессоров» Светония не замечали вовсе: отцы, отправлявшие своих
сыновей к грамматику, были вполне довольны его преподаванием; учитель вел его
в полном согласии со вкусами и требованиями своего века. Прохожий,
наткнувшийся по пути на школьного учителя, спрашивает его отнюдь не об особенностях
Вергилиева мастерства или о приемах, которыми он пользуется для
характеристики своих героев, а о том, сколько лет прожил Ацест и сколько кружек
сицилийского вина подарил он спутникам Энея; Тиберия занимает вопрос не о
соотношении между Гомером и послегомеровским эпосом, а о том, как звали Ахилла, когда
он, одетый в женское платье, находился среди дочерей царя Никомеда, и какие
песни имеют обыкновение распевать сирены. Собирается интеллигентное общество:
молодые люди, которые приехали в Афины завершить свое образование и которые,
конечно, слушают философов, справляют на чужбине Сатурналии. Пирушка оживлена
«приятной и пристойной беседой»: объясняют трудное место у Энния; вспоминают,
где встречается редкое, давно вышедшее из употребления слово; думают, какое
время, прошлое или будущее, обозначают такие глагольные формы, как
scripserim, venerim; спрашивают, как надо понимать слова Платона «общие
женщины». Тут бы и развернуться рассуждениям о том, что такое государство,
осуществимы ли идеи Платона, почему он сам изменил их в «Законах», но разговор
сразу соскальзывает на распутывание неправильно построенных силлогизмов.
Сенека рассказал, как читают «Государство» Цицерона грамматик и «филолог»
(историк материальной культуры, - сказали бы мы) : одного интересуют подробности
древнего периода римской истории (каким термином обозначали тогда диктатора,
при каких обстоятельствах исчез Ромул); другой объясняет непонятные
выражения, устарелые слова, находит у Вергилия выражение, взятое от Энния. Общий
смысл произведения, его основная идея не занимают ни того, ни другого.
Характер школьного преподавания и характер умственных интересов тогдашнего
общества находились в полном соответствии между собой.
Отдадим, однако, должное грамматической школе. Она учила ценить слово,
вдумываться в его смысл, взвешивать его: подробный, порой мелочный комментарий
учителя приучал к медленному, осмысленному чтению: ученик начинал понимать,
почему поэт употребил именно это слово, в чем его сила и красота. Школа
знакомила с особенностями поэтического стиля, с изменением и развитием языка,
изощряла вкус, заставляла мальчика думать и для своих мыслей искать нужные
слова; она оттачивала его стиль, приучала к умственной работе, и не только
приучала - она выучивала наслаждаться ею. В римской школе, и средней и
высшей, были недостатки и недостатки крупные, но несправедливо заслонять ими ее
достоинства и объявлять огулом ее работу пустой и бессмысленной. Надо,
впрочем, сказать, что и питомцы этой школы, насквозь проникнутые ее духом, не
всегда были признательны своим учителям.
Грамматики в массе своей уважением не пользовались: греки, часто
отпущенники, преподававшие за деньги, они были «ремесленниками», которые трудом
зарабатывали себе хлеб; верхи античного общества этих тружеников ставили
невысоко. И Цицерон, и Сенека-отец удивлялись, почему «постыдно учить тому, чему
учиться очень почтенно», но сам Цицерон заявлял, что он выучился ораторскому
искусству в Академии, а не в «мастерских риторов» (вспомним, что граница
между ритором и грамматиком была очень нечеткой и что юноша часто уже у
грамматика основательно знакомился с ораторским искусством). За время от Цицерона и
до Квинтилиана в отношении к учителю ничего не стронулось. Грамматик у Ювена-
ла видит, что к нему с пренебрежением относятся даже рабы богатого дома;
Орбилий, «щедрый на удары» Горациев учитель, с такой остротой чувствовал горечь
и приниженность своего положения, что в старости написал книгу о тех обидах,
которые своей небрежностью и высокомерием наносят учителям родители их
учеников .
Квинтилиан недолюбливал грамматиков: он считал их захватчиками, самозвано
вторгшимися в область, по праву принадлежащую ритору. Когда ему случается
вспомнить о них, он почти всегда видит одни их плохие качества: его раздражал
их франтоватый вид («завитые тупицы»), их самомнение, их тщеславие. Они
упивались своей ученостью; считали знание грамматических тонкостей верхом
премудрости и часами надрывались, споря о них; любили щегольнуть знакомством с
писателями, давно забытыми; чтобы придать себе веса и огорошить аудиторию, не
стеснялись сослаться на книгу, которой никогда не было, и на автора, которого
никогда не существовало. «Изобличить их невозможно: нельзя найти того, чего
нет», - ехидно заметил по этому поводу Квинтилиан. Даже Авл Геллий,
образцовый выученик грамматической школы, говорит о тщеславии и мелочности
грамматиков .
Квинтилиан написал целую главу «Нравы и обязанности учителя»; сквозь этот
идеальный облик можно разглядеть два типа учителей, с которыми он часто
должен был встречаться в действительности. Один, гневливый, едкий, нетерпеливый,
скорый на слова бранные и обидные, тиранически распоряжался в своей школе и
охотно хватался за ремень и розгу. Другой ему совершенно противоположен: не в
меру мягкий и снисходительный, он пропускает ошибки, которые следовало
исправлять, растекается в похвалах, распускает своих учеников и лебезит перед
ними и их родителями. О таких учителях говорит и Тацит: «Они привлекают к
себе учеников не строгостью дисциплины, не дарованиями, проверенными на опыте,
а заискиваньем, лестью и низкопоклонством». А Квинтилиан еще настойчиво
предупреждает родителей выбирать учителя чистых и строгих нравов; попадались
среди них люди, нравственный уровень которых был очень низок. Ювенал вторит
Квинтилиану.
Было бы весьма опрометчиво доверчиво положиться на Квинтилиана и решить,
что весь учительский мир древней Италии состоял из педантов и низких
подхалимов . Утверждать противное можно, ссылаясь на того же Квинтилиана, который был
щедр на злые слова об этом мире. Он сам с благодарностью вспоминает своих
учителей; внимание к каждому ученику, учет его способностей, умение
воодушевить отставшего, зажечь интересом к работе, поддерживать рабочее напряжение в
каждом ученике и в целом классе - все это было заветом его безымянных
учителей. Почтенные, сердцем преданные своей работе, мелькают они у Авла Геллия.
Плиний Младший, хорошо знавший учительский мир и много с ним общавшийся,
писал, что «нет людей искреннее, проще и лучше». Ему, прославленному адвокату,
который бывал вынужден «хоть и против воли, пускаться на хитрости», нравились
эти люди, ничего не знавшие, кроме школы и аудитории. Его умиляла их
отрешенность от жизни, раздражавшая современников Цицерона. А по поводу вопросов, их
занимавших, Авл Геллий рассудительно заметил, что эти мелочи «надо знать для
полного понимания старых писателей и они необходимы для основательного
ознакомления с латинским языком».
Ювенал изображает своего грамматика нищим бедняком, с полуночи сидящим в
убогом школьном помещении, которое украшают «облезлый Флакк и покрытый черной
копотью Вергилий». Светоний говорит о бедности некоторых известных
грамматиков : Орбилий умер бедняком, Валерий Катон «жил почти в нищете»; очень беден
был Юлий Гигин. Им можно противопоставить других людей, несомненно
состоятельных: Ремий Палемон получал ежегодно от своих учеников 400 тыс. сестерций;
у Гнифона был собственный дом; Эпафродит, живший при Нероне, имел в Риме два
дома и библиотеку в 30 тыс. томов. Нечего и говорить о Веррии Флакке, учившем
внуков Августа. Между двумя крайностями, нищетой и богатством, была середина,
и большинство учителей на этой середине и держалось. Школы были многолюдны;
за каждого ученика учитель получал, за год разом, по свидетельству Ювенала,
пять золотых. Так было в Риме; в Венузии учитель получал плату ежемесячно;
может быть, это было обычаем во всех провинциальных городах Италии
Школа ритора
Окончив «среднее образование» у грамматика, мальчик поступал в
«университет» - риторскую школу. Было ему в это время лет 13-14, иногда немногим
больше, иногда значительно меньше; по справедливому замечанию Квинтилиана, дело
было не в годах, а в способностях: у ритора занимались и юноши, и подростки.
Мы видели, что от грамматика они приходили уже основательно подготовленными.
Риторику привезли в Рим греки, и они же стали ее преподавать. Латинской
риторики как науки не было: «знай то, о чем будешь говорить: слова придут»
(«rem tene; verba sequentur») , - учил старый Катон. Когда в 155 г. до н.э.
афиняне послали в Рим с политическим поручением знаменитейших писателей и
ораторов Карнеада, Диогена и Критолая, искусная диалектика которых произвела
глубокое впечатление на римское общество, особенно на молодежь, он добился их
высылки, ссылаясь на то, что пребывание людей, которые могут убедить
слушателей во всем, чего ни захотят, опасно. Напрасный труд! Люди, готовившие себя к
политической карьере, видевшие себя в будущем правителями государства, высоко
оценили умение убеждать аудиторию в том, что им желательно. Греческие риторы
появляются в Риме и открывают свои школы. Они доступны отнюдь не всякому:
уроки риторов обходятся недешево, и учиться у них можно, только в
совершенстве зная греческий язык. Правительство поэтому и не чинит риторам препятствий:
их школы подготовляют аристократическую молодежь, их детей, которые потом
станут во главе государства. Позиция его резко меняется, когда в самом начале
I в. до н.э. Л. Плотии Галл , сторонник Мария, открыл школу, в которой повел
преподавание риторики на латинском языке. Цицерон вспоминал, как устремились
к нему ученики, и как он сам огорчался, что ему запретили оказаться в их
числе: «Меня удерживал авторитет ученейших людей, которые считали греческие
упражнения лучшей пищей для ума». Сенат заволновался: можно ли допустить, чтобы
оружие, владеть которым до сих пор учились только их сыновья, взяли в свои
руки представители других классов, защитники иных интересов? В 92 г. цензоры
Гн. Домиций Агенобарб и Л. Лициний Красе (знаменитый оратор) издали эдикт «о
Запрещении латинских риторских школ». Эдикт этот дословно приведен у Авла
Геллия: «Нам сообщено, что есть люди, которые ввели новый вид преподавания и
к которым в школу собирается молодежь; они дали себе имя латинских риторов;
юноши сидят у них целыми днями. Предки наши установили, чему учить своих
детей и в какие школы желательно им ходить. Эти новшества, установленные
вопреки обычаям и нравам предков, нам не угодны и кажутся неправильными». Плотий
вынужден был распустить своих учеников; латинские риторические школы
появились только при Цезаре121.
Школа Флавия, куда отец Горация не Захотел поместить сына, была, конечно, школой
грамматика , а не начальной, как это принято считать. Везти мальчика в Рим обучаться грамоте не имело
смысла. По мнению старика Горация, школа Флавия была плохой, и он решил дать сыну среднее
образование в Риме.
Об этом Плотии известно мало. Ему покровительствовал Марий в расчете на то, что он
прославит его подвиги. Им была составлена речь против Целия, которого он обвинял в насилии; Целий
обругал его, назвав «ритором-ячменником», т. е. человеком, пищей которому служит ячмень:
прозвище оскорбительное, так как им обозначали гладиаторов. Варрон, Закоренелый сторонник
аристократии, издевается над кем-то, кого он называет Автомедоном, что тот выучился у Плотия
«рычать, как рычит погонщик волов». Квинтилиан упоминает, что им была написана книга «О
жесте», т.е. о том, какие жесты выразительны и для оратора пристойны.
121 Гуин считал, что одной из причин Закрытия школы Плотия был тот демократический дух, в
котором он вел свое преподавание. О его школе можно, до некоторой степени, судить по «Риторике
для Геренния», которая появилась между 86-82 гг. до н.э. Такие темы, как «следует ли дать
италикам права римского гражданства», «надо ли привлечь к суду Цепиона За то, что он погубил
Создателем латинской риторики был Цицерон; он изложил теорию греческого
красноречия, переведя при этом технические термины риторских школ на
латинский язык; с практическим приложением теории учащиеся могли познакомиться на
его же речах.
Риторская школа была до известной степени учебным заведением «специальным»:
она готовила оратора. В республиканское время оратор был крупной политической
силой; Август, по определению Тацита, «усмирил» политическое красноречие, и
юноше уже нечего мечтать о том, чтобы «слово его управляло умами и
успокаивало сердца»; полем его деятельности остается суд, где он будет выступать
обвинителем или защитником (адвокатом, - сказали бы мы) . Количество судебных дел
в Риме было очень велико: Светоний пишет, что на двух прежних форумах стало
тесно от людской толпы и множества судебных заседаний, и Август поэтому
выстроил свой - третий - форум, значительно увеличил количество судей и понизил
возраст, требуемый для избрания в судьи; Калигула, «чтобы облегчить труд
судей», опять увеличил их число; при Веспасиане количество тяжб настолько
возросло по причине предшествующих смут, что для решения их пришлось прибегнуть
к мерам экстраординарным. Хороший адвокат бывал завален делами. Плиний
Младший стонал, что он «давно не знает, что такое отдых, что такое покой», потому
что ему непрерывно приходится выступать в суде. И опытный адвокат в полном
сознании своей силы произносит: «Панцирь и меч хуже охранят в бою, чем
красноречивое слово в суде, ограждение и оружие для подсудимого, которым ты его
защитишь и поведешь в нападение».
Ораторская карьера была и почетной, и доходной. «Чье искусство по славе
своей сравнится с ораторским?.. чьи имена родители втолковывают своим детям;
кого простая невежественная толпа знает по имени, на кого указывает пальцем?»
На ораторов, конечно. Удачно провести в сенате или в императорском суде
защиту или обвинение (среди страшных доносчиков императорского времени бывали
крупные ораторы) значило заложить крепкое основание для своей известности и
карьеры. И для обогащения тоже. Миллионные состояния, заработанные
адвокатурой, были, конечно, исключением, но и средний заработок адвоката обеспечивал
житье безбедное. Клавдий установил максимум адвокатского гонорара в 10 тыс.
сестерций; приятель, у которого Марциал попросил в долг 20 тыс. сестерций,
посоветовал ему заняться адвокатской практикой: «разбогатеешь», и поэт за
свое выступление (окончившееся провалом) потребовал 2 тыс. Один из гостей
Тримальхиона, старьевщик Эхион, мечтает сделать из своего сына адвоката:
«Посмотри на адвоката Филерона; не учись он, куска хлеба у него бы не было.
Недавно еще таскал на спине кули на продажу, а теперь гляди! Величается перед
самим Норбаном». Текст этот чрезвычайно интересен: риторская выучка не только
доставляла обеспеченное существование - она выводила человека из низов на
довольно высокую ступень общественной лестницы.
В школе ритора ученик должен был обучиться тому, что делало его искусным
судебным оратором: усвоить приемы, с помощью которых легче выиграть процесс,
обезоружить противника, привлечь на свою сторону судей. Квинтилиан оставил
довольно подробную программу преподавания в риторской школе. Сначала обучение
шло по той же линии, что и в школе грамматика, но было несколько усложнено.
Ученики писали рассказы на заданные темы, прибавляя к ним свои рассуждения, в
которых выражали или сомнения по поводу изложенного события, или, наоборот,
полную уверенность в том, что так и было. «Можно ли поверить, будто на голову
сражающегося Валерия сел ворон, который клювом и крыльями бил по лицу его
противника галла? Сколько возможностей и подтвердить этот факт, и его
опровергнуть! Часто ставят вопрос, когда и где произошло такое-то событие, кто
армию» (по вине Цепиона она была почти целиком уничтожена кимврами в 105 г. до н.э. в
сражении при Оранже), должны были, конечно, встревожить аристократию.
принимал в нем участие: у Ливия тут часто бывают сомнения, и историки между
собой разногласят».
«Отсюда ученик постепенно начнет переходить к большему: восхваляет славных
мужей и порицает бесчестных... различие и многообразие материала упражняет ум и
образует душу созерцанием хорошего и дурного». Ученик приобретает, таким
образом, множество знаний и «вооружается примерами», которые ему очень
пригодятся в суде. С этим упражнением соединяется сравнительная характеристика
обоих лиц: кто лучше? кто хуже? Потом он должен разрабатывать «общие места»
(communes loci): дать характеристику игрока, прелюбодея, легкомысленного
человека, рассматривая их как некие типы и осуждая порок в его отвлечении от
определенного лица. «Материал здесь берется прямо из судебных заседаний:
прибавь имя ответчика, и обвинение готово». Иногда ученик берет под защиту
распущенность и любовь, сводника и паразита, «но так, чтобы извиняем был не
человек , а проступок».
Дальше следуют «положения» (theses): где лучше жить - в городе или в
деревне; кто заслуживает большей похвалы - законовед или военный; следует ли
жениться; надо ли добиваться магистратур? «Для рассуждений в суде эти
упражнения очень полезны». Затем Квинтилиан вспоминает «полезный и приятный вид
упражнений», с помощью которых его учителя подготовляли учеников к делам, где
большое место отводится предположениям. Это «вопросы» - рассуждения, в
которых автор развивает различные гипотезы: «почему Венера у лакедемонян
вооружена?», «почему Купидона считают мальчиком крылатым и вооруженным стрелами и
факелом?» Некоторые из таких «вопросов» («можно ли всегда полагаться на
свидетелей», «можно ли доверять и детям») «до такой степени связаны с судебными
процессами, что некоторые и неплохие адвокаты записывали свои сочинения,
хорошенько их вытверживали и в случае надобности украшали ими свои речи, словно
нашивками».
Эти ученические упражнения шли наряду с чтением историков и ораторов
(последних по преимуществу); учитель объяснял ученикам достоинства и недостатки
прочитанного. Квинтилиан рекомендовал учителю сначала прочесть текст самому,
затем вызвать кого-нибудь из учеников и заставить его прочесть этот отрывок
вновь, изложить дело, по поводу которого речь была написана, и затем заняться
разбором, «не пропуская ничего, что заслуживает быть отмеченным в содержании
и языке»: сумел ли расположить к себе судью с самого начала оратор, в чем
ясность и убедительность его рассказа о деле; богата ли и тонка его
аргументация; сможет ли он подчинить судей своим намерениям. Полезно иногда читать и
плохие речи, показывая, сколько в них недостатков: не относящегося к делу,
темного, напыщенного, неубедительного. Ученикам надо объяснить все эти
недостатки, потому что «многие хвалят эти речи и - что еще хуже - хвалят именно за
то самое, что в них плохо».
Венцом преподавания в риторской школе было самостоятельное выступление
ученика, произносившего речь (declamatio). Учитель давал тему; ученик писал на
нее сочинение, читал его ритору и после его поправок вытверживал наизусть и
произносил с соответствующими жестами в позе настоящего оратора. Обычная
рабочая жизнь прерывалась этим выступлением, для которого назначался
определенный день. При этом присутствовал, конечно, весь класс, приходили родители
выступавшего, а иногда они приводили еще и друзей своей семьи. Родители, по
словам Квинтилиана, требовали, чтобы дети их «декламировали» как можно чаще:
количество декламаций считалось мерилом успехов в учении; они сопровождались
обычно бурным одобрением соучеников: это была принятая в школах «любезность»,
которую взаимно оказывали друг другу. Квинтилиан возмущался этим; «это самый
опасный враг учения: если похвала готова всегда и неизменно, то, очевидно,
что стараться и трудиться не к чему». Учитель, указав ученику его ошибки,
часто сам выступал с декламацией на ту же самую тему.
Декламации отнюдь не были новшеством; их знали и греческая, и
эллинистическая, и римская школы. Квинтилиан считал их полезным упражнением, потому что
они как бы суммировали все предыдущие, и только не одобрял выбора тем,
далеких от действительной жизни и судебной практики.
Познакомимся ближе с этими упражнениями. Они делились на два отдела: суазо-
рии (с них начинали, считая их наиболее легкими) и контроверсии (в них
упражнялись ученики, уже более подвинувшиеся). Суазории - это монологи, в которых
мифологический герой или историческое лицо обсуждает какой-нибудь вопрос,
приводя доводы за и против решения, которое ему предстоит принять или
отвергнуть. «Уже шестой день несчастная голова ученика полна Ганнибалом, который
раздумывает, идти ли ему на Рим после Канн или увести обратно свои насквозь
промокшие от ливня когорты»; триста юношей лакедемонцев в Фермопильском
ущелье после бегства отрядов, посланных со всех концов Греции, обсуждают, не
бежать ли им тоже; Агамемнон думает, принести ли ему в жертву Ифигению, раз
Калхант утверждает, что только тогда флот сможет отплыть; Цицерон - сжечь ли
ему свои сочинения, так как Антоний обещал ему неприкосновенность, если он
это сделает. Все здесь чистая выдумка: триста спартанцев были единственными
Защитниками Фермопил, и Антоний ни в какие переговоры с Цицероном не вступал.
Ни учителя, ни учеников это ни в какой мере не смущало: важна была эффектная
ситуация - тут об исторической истине нечего было беспокоиться - и важно было
эффектное словесное одеяние, в которое облекали размышления и речи
действующих лиц.
Контроверсия - это вымышленное судебное дело, в котором выступают два
ученика: один в роли обвинителя, другой в роли защитника; их подготовляют таким
образом к будущей деятельности в суде. Софисты V в. до н.э. старались
придумывать темы, наиболее близкие к реальной действительности; у Плотия ученикам
предлагалось разрешать споры, возникшие на основе наследственного или
морского права, или выступать по поводу современных политических событий. С концом
республики это резко меняется. Контроверсии, которые сохранил Сенека-отец,
бросают нас в водоворот потрясающих ситуаций и романтических приключений, в
мир, где население состоит главным образом из тиранов, разбойников, пиратов,
преступных жен и мачех, каменносердных отцов и где убийство, разбой,
прелюбодеяние, похищение девушек - это повседневные обычные явления. Вот несколько
примеров. Герой потерял на войне обе руки. Он застает жену вместе с
любовником и велит юноше-сыну убить мать. Тот не решается; любовник убегает; отец
отрекается от сына. Некто убил одного своего брата-тирана и другого, которого
захватил в прелюбодеянии. Отец напрасно умолял пощадить его. Взятый в плен
пиратами, он отправил отцу письмо с просьбой о выкупе. Отец пишет пиратам,
что если они отрубят пленнику руки, он пришлет им денег вдвое больше
назначенного выкупа. Похищенная девушка может требовать или смерти насильника, или
его согласия жениться на ней без приданого. Некто похитил в одну ночь двух
девушек; одна хочет его смерти, другая согласна выйти за него замуж.
Диковинные события, запутанные положения, законы, придуманные для данного случая,
нигде и никогда не существовавшие, невероятные характеры и
противоестественные чувства - весь этот фантастический мир, смесь мелодрамы и романа
приключений, разработанная часто с большим словесным мастерством, увлекала и
нравилась. Не только зеленым юнцам. Послушать декламацию известного ритора
приходили такие люди, как Меценат, Агриппа, сам Август. Новому режиму были выгодны
и этот отход от действительности, и увлечение риторикой как «чистым
искусством», но было немало людей, которые жестоко осуждали эту школьную практику.
«Какие невероятные темы! - возмущался Тацит. - Ежедневно в школах идет речь о
наградах тираноубийцам, о выборах [в жрицы] опозоренных девушек, о средствах,
которые спасут от заразы, о развратных матерях. На Форуме с подобными
случаями встретишься редко, а то и никогда... это упражнения для языка и голоса». Так
же судил и Петроний: «Я считаю, что юноши становятся в школах совершенными
дураками, потому что им не показывают ничего, что есть в действительности, и
они только и слышат, что о пиратах, стоящих с цепями на берегу; о тиранах,
повелевающих сыновьям письменным приказом отрубить головы родным отцам; об
ответах [оракулов], полученных во время моровой язвы: надо принести в жертву
трех, а то и больше девушек... У людей, взросших на таких упражнениях, будет
столько же здравого ума, сколько обоняния у тех, кто живет на кухне».
Успех в школе далеко не всегда обещал успех в суде. Когда Порций Латрон,
друг Сенеки-отца и мастер декламации, выступил однажды в настоящем процессе,
он до того смешался, что сразу же допустил грамматическую ошибку и овладел
собой только тогда, когда заседание перенесли с Форума в закрытое, привычное
ему помещение. «Выведи этих декламаторов в сенат, на форум, - говорил Сенеке-
отцу Кассий Север, один из лучших ораторов того времени; - переменив место,
они теряются; так люди, привыкшие жить взаперти, не в силах стоять под дождем
и солнцем». И убийственным приговором звучат слова Вотиена Монтана, хорошего
знакомого Сенеки-отца, ритора и адвоката: «Тот, кто приготовляет декламации...
хочет понравиться слушателю: он ищет одобрения себе, а не победы делу. И на
форуме декламаторы не могут отделаться от своего порока; они считают своих
противников глупцами, отвечают им что хотят и когда хотят и в погоне за
красивым упускают необходимое... на форуме их пугает самый форум». «Когда речь
идет о трех украденных козах, - поучал Марциал своего адвоката, - не надо
говорить ни о Каннах, ни о войне с Митридатом, ни о Сулле, ни о Марии, ни о Му-
ции: говори о трех козах».
Эти обвинения звучат достаточно авторитетно, но им можно противопоставить
столь же авторитетное утверждение Квинтилиана, который считал декламации
полезным упражнением и только требовал, чтобы сюжеты их были ближе к жизни:
«То, что хорошо по существу своему, можно хорошо использовать». На примере
нескольких контроверсий он показал, чем для будущего адвоката полезны эти
упражнения. Доводы, которые в школе приводятся в пользу детей, от которых
отрекся отец (одна из постоянных тем в контроверсиях), можно употребить,
защищая детей, которых отец лишил наследства, и которые требуют его обратно
(случай вполне реальный); школьная контроверсия на тему о неблагодарном муже,
выгоняющем жену из дому, окажется небесполезной при решении в суде вопроса, по
чьей вине произошел развод; поведение отцов в контроверсиях иногда так
возмущает сыновей, что они обращаются в суд с обвинением отца в сумасшествии; в
действительной жизни приходилось иногда просить о назначении опеки над отцом;
«в суде разбираются дела, похожие на те, которые разбираются в
контроверсиях» . Плиний Младший и все видные адвокаты того времени вышли из риторского
училища. Римляне были людьми практичными, и отцы, озабоченные будущностью
своих сыновей, вряд ли бы посылали их в школу, где юноши занимались бы только
словесной трескотней, от которой за порогом школы не было никакого толку.
Риторская школа достигала тех практических целей, которые она себе ставила;
вина ее была в другом. Она готовила не только для деятельности в суде: «Изучи
лишь красноречие, от него легко перейти к любой науке: оно вооружает и тех,
кого учит не для себя». Крупнейшие писатели, поэты и государственные деятели
империи вышли из риторской школы. Окончивший риторскую школу получал общее
гуманитарное образование. И тут этой школе можно, с нашей точки зрения,
предъявить ряд тяжелых обвинений.
Вспомним те предварительные упражнения, которые задает ученику учитель.
Невольно спрашиваешь себя, что мог знать пятнадцатилетний мальчик о
преимуществах жизни холостяка или женатого человека, как мог он громить развратника
или, наоборот, защищать погоню за наслаждениями? Он орудовал чужими мыслями,
прислушивался к звону слов; все обучение ставило себе одну цель - сделать
ученика мастером убеждения - и отнюдь не заботилось о его нравственной вы-
правке. Сенека-философ это хорошо понимал; этим и объясняется его
отрицательное отношение к современной ему школе. Квинтилиан мог утверждать вслед за
стоиками, что только хороший человек станет хорошим оратором; ловкий выученик
риторской школы блистательно доказал бы это положение, вовсе не ощущая при
этом необходимости стоять отныне только на защите добра и правды. Мысль была
не в ладу с сердцем и совестью, не затрагивала и не тревожила их.
Юноша, окончивший школу грамматика и ритора, обладал множеством самых
разносторонних знаний, но знания эти носили какой-то хрестоматийный характер.
Это был ворох лоскутьев, собранных в самых разных местах, надерганных из
самых различных областей. Он самодовольно разбирал эти лоскутки, любуясь ими
сам и с гордостью показывая другим эти громогласные свидетельства своей
учености: старинные, вышедшие из употребления слова, исторические анекдоты,
названия ветров и созвездий, этимология слов, мнения философов по разным
вопросам, географические справки - чего только нет! - и при этом, как мы уже
видели, полное отсутствие интересов ко всякому обобщению, к предмету, взятому в
целом: ряд эпизодов из римской истории, но этой истории как чего-то единого,
дошедшего с отдаленнейших времен до его дней, будто и нет. Его заставляли
много читать поэтов; он их знает, но видит в них только хорошее собрание
редких слов и не совсем обычных оборотов, интересных мест и удачных сентенций.
Его интересуют слова, не предметы, которыми эти слова обозначены. У Авла Гел-
лия, которого можно считать образцом человека, сформировавшегося в риторской
школе, есть интереснейшая глава, характеризующая отношение этих людей к
окружающей природе. Вместе со своими друзьями он плывет в тихую звездную ночь из
Эгины к Пирею: они «смотрят на сверкающие звезды», и заняты лишь
этимологическими объяснениями их названий. Передавая страшный рассказ Гая Гракха о
происшествии в Теане и сравнивая его с рассказом Цицерона о бичевании, которому
Веррес подверг римского гражданина, он занят формами глагола и «яркой
прелестью речи» («lux et amoenitas orationis»). Слово заслоняет действительность,
и меньше всего заинтересован ученик ритора в том, чтобы установить, как же
это было на самом деле. У него нет уважения к правде, он вовсе не хочет
«дойти до самой сути»; он ищет то, что слепит и оглушает, ему нужен эффект; он
равнодушен к простому, обычному, повседневному. Для него естественно
выхватить из окружающего мира какую-то одну подробность, какую-то одну черту,
увеличить ее до гиперболических размеров и закрыть ею то, что есть в
действительности. Действительность искажена - ну так что ж? Зато какая картина,
какие краски, какое потрясающее впечатление! С этим человеком нельзя говорить
шепотом: он не услышит. И сам он не умеет говорить тихим голосом: он вопит.
Читая любого писателя I в. н.э., будь то Ювенал или Марциал, Тацит или
Сенека, Колумелла или Плиний Старший (предисловия), всегда надо быть настороже,
всегда надо помнить, что имеешь дело с питомцами риторской школы, которые
ради красного слова упустят главное. Нужно было блистательное дарование Петро-
ния и его редкий для того времени интерес к реальной жизни, чтобы с такой
верностью изобразить всех этих Селевков, Ганимедов, Филеротов и самого Три-
мальхиона с его женой, дать не кричаще-яркую схему, а живых настоящих лю-
«122
леи .
Обучение в Риме было очень долго делом совершенно частным: государство в него не
вмешивалось , кроме очень редких случаев вроде Запрещения латинских риторских школ. С империей дело
меняется: постепенно, незаметно - одна мера За другой, - государство накладывает руку на
дело образования и ставит его под свой контроль. Началось с дарования привилегий: Цезарь дал
всем учителям права римского гражданства; Веспасиан впервые назначил риторам «Заработную
плату»: начал выплачивать каждому по 100 тыс. сестерций ежегодно. Первым, кто получил эту
плату, был Квинтилиан, двадцать лет преподававший в Риме при разных императорах риторику. У
него учился Плиний Младший, может быть, и Тацит, и Марциал справедливо назвал его «великим
наставником легкомысленной молодежи». Учителя становятся государственными служащими. Общее
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ.
ЖЕНЩИНЫ
Мы говорили уже, что братья и сестры росли вместе, и эта совместная жизнь
продолжалась и тогда, когда дети менее состоятельных классов отправлялись
(мальчики и девочки вместе) в начальную школу, а в богатых семьях садились
вместе за азбуку под руководством одного и того же учителя. Чем дальше,
однако, шло время, тем больше расходились пути брата и сестры: мальчик все больше
и больше уходит из дому, готовится к общественной и политической жизни;
девочка живет дома, около матери, приучается к домашним работам, сидит за
прялкой и за ткацким станком - умение прясть и ткать считалось в числе женских
добродетелей даже в аристократических кругах начала империи, особенно если
семья подчеркнуто благоговела перед обычаями предков, как это делал сам
Август, не носивший иной одежды, кроме той, которая была изготовлена руками его
сестры, жены, дочери и внучек. В состоятельных домах девочка брала уроки у
того же грамматика, в школе которого учился ее брат: образование для нее не
закрыто. У нас нет данных судить о его объеме у женщин последнего века
республики; Саллюстий, говоря о Семпронии, матери Брута, будущего убийцы Цезаря,
отмечает ее знание латинской и греческой литературы. Это как будто
свидетельствует , что такое знание не было среди ее современниц явлением обычным. Она
играла также на струнных инструментах и танцевала «изящнее, чем это нужно
порядочной женщине»; некоторое знакомство с музыкой входило, следовательно, в
программу женского обучения. Трудно установить, конечно, тот уровень
образования, переступать который, с точки зрения поклонников старины (а Саллюстий
принадлежал к ним), не полагалось порядочной женщине. Отец Сенеки, человек
старинного закала, не позволял жене углубляться в научные занятия; он
разрешил ей только «прикоснуться к ним, но не погружаться в них». Постепенно эта
«старинная жестокость» выходит из моды; молодая женщина уже в доме мужа про-
направление отражается и в поведении городов: они Заводят у себя школы, выбирают для них
учителей, оплачивают их и, естественно, держат надзор За их преподаванием. Живую иллюстрацию
этому мы найдем у Плиния Младшего, который предлагает своим Землякам собрать денег и открыть
школу (вероятно, риторики, а может быть, и грамматики) . Из этого же письма мы узнаем, что
учителя могут нанять родители на собственные средства, но что есть города, где учитель
получает плату из городских средств. Нет Запрещения открывать частную школу, но трудно было
пойти на риск необеспеченного существования, когда можно было получить верный кусок хлеба.
Антонин Пий установил число учителей, которые город мог содержать на свои средства: для
большого города нормой было пять риторов и пять грамматиков, для города средней величины -
четыре ритора и четыре грамматика, для маленького - три ритора и три грамматика; эти люди, по
его указу, освобождались от воинской повинности, от участия в посольствах от городов (члены
такого посольства денег не получали), от обременительных жреческих должностей, от постоя.
Город выбирал себе учителей, устраивая среди них своего рода конкурс: декурионы, конечно,
советовались с людьми понимающими. Миланские магистраты обратились с просьбой выбрать им
хорошего учителя к Симмаху; он прислал им Августина, но «утверждали в должности» именно они ;
только тогда учитель получал место, decreto ordinis prolatus. Юлиан, желавший, во что бы то
ни стало вырвать школьное преподавание из рук христиан, Законом 362 г. объявил, что учителя,
избранного городским советом, утверждать будет он, «дабы его одобрение прибавляло еще чести
избраннику города». Закон этот оставался в силе до Юстиниана. Учащиеся также оказались под
контролем власти. В 370 г. был издан эдикт, по которому молодежь, учившаяся в Риме,
ставилась под строгий надзор и контроль: юноша, прибыв в Рим, должен предъявить магистрату,
ведающему учетом населения (magister census), документ, подписанный наместником провинции,
откуда он прибыл; в этом документе обозначались место его рождения, возраст и образование,
которое он получил; он должен сообщить, какие Занятия будет посещать, и где будет жить.
Полиция наблюдает За ним и старается выведать, каков его образ жизни, не вошел ли он в состав
какой-нибудь недозволенной коллегии, прилежно ли он посещает школу, не бывает ли часто в
театре и цирке, не поздно ли возвращается домой. Если он ведет себя плохо, его могут публично
высечь и отослать домой. В Риме ему вообще разрешено оставаться только до 20 лет; Затем он
должен возвратиться на родину, а если он Задержится, префект города должен его просто
выслать .
должает брать уроки у грамматика, т.е. знакомится с литературой, родной и
греческой. Цецилий Эпирота, отпущенник Аттика, давал уроки дочери своего
патрона, когда она была уже замужем за М. Агриппой. Сенека очень жалел, что
отец в свое время не позволил матери как следует изучить философию. Он как-то
высказался, что «женское неразумное существо» может быть исправлено только
«наукой и большим образованием». Квинтилиан желал, чтобы родители были людьми
как можно более образованными, подчеркивая, что он говорит не только об
отцах, и тут же вспомнил и Корнелию, мать Гракхов, и дочерей Лелия и Гортенсия.
В первом веке империи мы встретим ряд женщин, получивших прекрасное
образование; прежде всего это женщины императорского дома: сестра Августа, Октавия,
покровительница Вергилия; дочь Юлия, «любившая науку и очень образованная»;
Агриппина, мать Нерона, оставившая после себя «Записки», которые читал и
Тацит , и Плиний Старший, упомянувший ее в числе источников для VII книги своей
«Естественной истории». Стоики, учение которых пользовалось в римских
аристократических кругах такой популярностью, требуют одинакового образования для
мужчин и для женщин; женщины ищут утешения в философии и углубляются в
философские трактаты и сочинения по математике; некоторые сами берутся за перо и
пробуют свои силы в литературе123.
Такое широкое образование ограничивалось, конечно, только высшими кругами.
Чем беднее слой общества, тем скромнее образование его женщин, которые только
умеют читать, писать и считать. И здесь, впрочем, так же как и в кругах
аристократических, не наука и не литература были уделом женщины: сферой ее
деятельности, ее настоящим местом в жизни, были дом и семья - муж, дети,
хозяйство .
Замуж ее выдают рано, чаще всего между 15 и 18 годами, но иногда даже в
тринадцатилетнем возрасте124, не справляясь о ее выборе. Да и какой выбор
может сделать девочка, которая еще никого и ничего не видела и еще самозабвенно
играет в куклы?
Браку предшествовал сговор, который от принятой при нем формулы: spondesne?
- «обещаешь ли?» (обращение к отцу или опекуну девочки) - и его ответа:
spondeo - «обещаю», - получил название sponsalia. В обычае было обручать
детей, и поэтому между обручением и свадьбой проходило иногда несколько лет.
Обязательства вступить в брак с обручением не соединялось125; письменное
условие, если его и составляли, подписывалось только при совершении брачной
церемонии. Сговор был только домашним праздником, на который приглашались друзья
и родные, приходившие не столько в качестве свидетелей, сколько простых
гостей. Жених одаривал невесту и надевал ей на четвертый палец левой руки
кольцо, гладкое, железное, без камней; золотое кольцо вошло в обиход относительно
поздно.
Девушка, выходя замуж, переходила из-под власти отца под власть мужа,
которая обозначалась специальным термином - manus. Было три формы брака,
основанного на manus: confarreatio, «купля» (coemptio) и «совместная жизнь» (usus).
Древнейшим видом брака (в историческое время) была confarreatio -
торжественный брак, совершаемый главным жрецом (pontifex maximus) и фламином Юпитера
Марциал говорит о поэтессе Сульпиции; ее стихи дошли до нас; она была, вероятно, внучкой
Знаменитого юриста Сервия Сульпиция Руфа и дочерью Горациева друга. О невесте своего друга,
Кания Руфа, Марциал писал, что в ее стихах «нет ничего женского и ничего вульгарного»;
падчерица Овидия, Перилла, писала стихи.
124 ~>
Жизнь в те времена была короче, и ее взрослую часть начинали раньше.
Закон Августа об обязательном браке обходили, устраивая сговор с малолетней девочкой и
оттягивая брак на много лет. Август поэтому предписал, что невеста не должна быть моложе 10
лет, а срок между сговором и формальным вступлением в брак не должен превышать двух лет. О
Законах Августа, имевших целью укрепление семьи, см.: Н. А. Машкин. Принципат Август. М.;
Л., 1949. С. 419-423.
(flamen Dialis) при чтении молитв и жертвоприношении. Жертвами были хлеб из
полбяной муки (far - «полба»; отсюда и название - конфарреация) и овца;
присутствие десяти свидетелей было обязательно. В древности брак в форме конфар-
реации разрешался, вероятно, только патрициям; установление его Дионисий Га-
ликарнасский приписывал Ромулу. «Ничего не было священнее уз брака,
заключенного таким образом», - писал Плиний. Эта форма брака все больше исчезала в
быту: в 23 г. н.э. нельзя было найти даже трех кандидатов на должность жреца
Юпитера, который, по древнему закону, должен был происходить от родителей,
сочетавшихся путем конфарреации, и сам находиться в браке, заключенном таким
же образом.
Другой формой брака была coemptio - «купля», фиктивная продажа отцом дочери
будущему мужу, совершавшаяся в форме манципации: жених в качестве покупателя
в присутствии пяти свидетелей ударял монетой по весам и объявлял девушку,
держа ее за руку, своей собственностью. Собственность эта была, однако, иного
рода, чем обычно: «купленная» жена не оказывалась на положении купленной
рабыни, и «покупка» сопровождалась следующим диалогом: «Мужчина спрашивал,
хочет ли женщина стать матерью семейства; она отвечала, что хочет. Также и
женщина спрашивала, хочет ли мужчина стать отцом семейства; он отвечал, что
хочет. Таким образом, женщина переходила под власть мужа; этот брак назывался
„браком через куплю": женщина была матерью семейства и занимала по отношению
к мужу место дочери», - т. е. находилась в его власти. Эта форма брака тоже
стала исчезать; последний раз мы встречаемся с ней в половине I в. до н.э.
Брак в форме usus имеет основой своей понятие пользования (usucapio): если
предмет, хозяин которого неизвестен, находится во владении у такого-то
(одушевленный предмет в течение года, неодушевленный в течение двух лет), то он
становится собственностью фактического владельца. Женщина, прожившая
безотлучно в доме своего фактического мужа один год, признавалась его законной
женой, находившейся в его manus. Брак в такой форме редко заключали уже при
Цицероне; законами Августа он был формально упразднен.
Кроме этих трех форм брака, существовала еще четвертая, при которой жена не
находилась под властью мужа (sine in manum conventione) и оставалась во
власти отца или опекуна. Когда, однако, брак sine manu вытеснил все остальные
формы, эта опека стала терять свое значение: уже в конце республики опекаемой
было достаточно пожаловаться на отлучку своего опекуна, длившуюся хотя бы
день, и она выбирала себе другого по собственному желанию; по законам
Августа, женщина, имевшая троих детей, освобождалась от всякой опеки; если
девушка жаловалась, что опекун не одобряет ее выбора и не хочет выдавать ей
приданого, то опекуна «снимали». О пожизненном пребывании женщины под властью
отца, мужа, опекуна законодательство говорит в прошедшем времени: «В старину
хотели, чтобы женщины и в совершенных годах находились по причине своего
легкомыслия [букв, „душевной легкости"] под опекой»; и Цицерон обстоятельно
рассказывает, какие обходы этого закона были придуманы «талантливыми
юрисконсультами» . Фактически замужняя женщина уже в конце республики пользуется в
частной жизни такой же свободой, как и ее муж: распоряжается самостоятельно
своим имуществом, может развестись, когда ей захочется.
Брачная церемония складывалась из многих обрядов, смысл которых иногда
вовсе ускользает от нас, иногда может быть объяснен путем сопоставления со
свадебными обрядами других народов. Верой в счастливые и несчастные дни
определялся выбор дня свадьбы: ее нельзя было совершать в календы, ноны, иды и
следующие за ними дни, потому что как раз на эти числа падали жестокие
поражения, которые пришлось несколько раз потерпеть римскому войску. Неблагоприятны
были весь март, посвященный Марсу, богу войны («воевать не пристало
супругам») , май, на который приходился праздник Лемурий (лемуры - неуспокоенные
души усопших, скитающиеся по ночам), и первая половина июня, занятая работами
по наведению порядка и чистоты в храме Весты. Дни поминовения умерших, как
дни печали и траура, естественно, не подходили для свадьбы, равно как и те
дни, когда бывал открыт mundus - отверстие, сообщавшееся, по представлению
древних, с подземным миром: 24 августа, 5 сентября и 8 октября.
Когда день свадьбы был назначен, невеста накануне снимала свое девичье
платье и вместе с игрушками приносила его в жертву Ларам. Ей повязывали голову
красным платком и надевали на нее особую тунику, предназначавшуюся и для дня
свадьбы. Называлась эта туника прямой (recta126) и ткали ее особым образом: на
ткацком станке старинного образца, работать у которого надо было стоя и
работу начинать снизу127. Туника была длинной; ее перехватывал шерстяной (из
овечьей шерсти) белый пояс, который завязывался сложным «геракловым узлом128»
(несколько напоминающим наш «морской узел»); узел вообще, а такой трудно
развязываемый, в особенности был защитой от колдовства и злого глаза; шерстяной
пояс брали потому, что «как шерсть, остриженная прядями, плотно соединена
между собой, так и муж да составит с женой единое целое». Волосы невесте
убирали с помощью особого кривого инструмента129 (он назывался hasta caelibaris):
их разделяли на шесть прядей и укладывали вокруг головы. На голову надевали
венок из цветов, собранных самой невестой (это были вербена и майоран), и
накидывали покрывало, несколько спуская его на лицо. Покрывало это по своему
огненному, желто-красному цвету называлось flammeum. На тунику надевалась
палла такого же яркого цвета, как и покрывало; желтой была и обувь.
Она называлась еще regilla. Слово это древние связывали с regina - «царица»; современные
языковеды производят его от regere, которое первоначально Значило - «ставить прямо», и
считают синонимом recta.
127 Был и другой, более усовершенствованный станок, тоже вертикальный, но За которым сидели и
начинали ткать сверху.
«Удивительно, как быстро Заживают раны, Завязанные Геракловым узлом; очень полезно
Завязывать таким узлом пояс и в повседневном обиходе».
Значение этого обряда было непонятно уже древним. Вот объяснение Феста: "...волосы невесты
убирали caelibari hasta, которое торчало в теле павшего, убитого гладиатора: как копье
составило единое с телом, так и жена да будет едина с мужем (объяснение совершенно
неприемлемое , так как все суеверия, связанные с убитыми гладиаторами, возникли Значительно позже. -
М.С.); или потому, что Замужние женщины находятся под покровительством Юноны Куриты, а она
названа так, ибо держит копье, которое на сабинском наречии называется «curis»; или потому,
что это служило добрым предзнаменованием, сулившим рождение сильных мужей".
В этом свадебном наряде невеста, окруженная своей семьей, выходит к жениху,
его друзьям и родным. Брачная церемония начинается с ауспиций. Надо было
узнать, благосклонно ли отнесутся боги к союзу, который сейчас заключается.
_ 130
Первоначально следили действительно за полетом птиц , но уже в I в. до н.э.
во всяком случае, а может быть, и раньше, гадали по внутренностям животного,
чаще всего свиньи. О том, что знамения благополучны, жениху и невесте громко
сообщали в присутствии собравшихся, иногда многочисленных гостей; на свадьбу
приглашали родственников и друзей; не явиться на такое приглашение было
неприлично; в числе «бездельных дел», которые наполняют его день в Риме, Плиний
Младший называет и этот долг вежливости. Десять свидетелей подписывали
брачный контракт и ставили к нему свои печати, хотя контракт этот и не был
обязательным: «...настоящим браком будет тот, который заключен по желанию
сочетающихся, хотя бы никакого контракта и не было». В этих «брачных табличках131»
(tabulae nuptiales или dotales) указывалось и определялось то приданое,
которое приносила с собой жена. Жених и невеста тут же объявляли о своем согласии
вступить в брак, и невеста произносила знаменитую формулу: «Где ты Гай, там и
я - Гайя132»; присутствующие громко восклицали: «Будьте счастливы!»; pronuba
(слово непереводимое) - почтенная женщина, состоящая в первом браке,
соединяла правые руки жениха и невесты: dextrarum iunctio (этот символ дружеского и
сердечного единения часто бывает представлен на саркофагах); и затем
начинался пир, затягивавшийся обычно до позднего вечера, дотемна. Бывал он иногда
очень роскошен; Август законом установил норму трат на свадебное угощение:
тысячу сестерций. За столом обязательно подавались особые пирожные -
mustacea133, которые гости уносили с собой.
Церемония бракосочетания: новобрачные подают друг другу правую руку.
Плиний писал, что ястреб, которого называли «эгифом» и у которого одна нога была короче
другой, «был благоприятнейшим Знамением в брачных делах».
На саркофагах с изображением брачной церемонии жених часто держит в руках контракт, только
не в виде табличек, а в виде свитка.
132Моммсен объяснял эту формулу таким образом: невеста торжественно Заявляет о своем
вхождении в род мужа, принимая его родовое имя. «Гай» - это Здесь не имя собственное, а родовое,
каким и было в старину. Плутарх толковал ее по-другому: «...где ты господин и хозяин, там и я
госпожа и хозяйка».
133Катон оставил рецепт их; судя по щедрости, с которой он отпускал на них продукты, это были
пирожные действительно для торжественных случаев: модий самой лучшей муки Замешивался на
молодом вине (mustum); в тесто клали два фунта свиного жира и фунт творогу, кусочки коры с
лавровых веточек и пекли на лавровых листьях.
После пира начиналась вторая часть брачного церемониала: deductio - проводы
невесты в дом жениха. Память об отдаленном прошлом, когда невесту похищали,
сохранилась в обычае «делать вид, будто девушку похищают из объятий матери, а
если матери нет, то ближайшей родственницы». Процессия, в которой принимали
участие все приглашенные, двигалась при свете факелов под звуки флейт;
невесту вели за руки двое мальчиков, обязательно таких, у которых отец и мать были
в живых; третий нес перед ней факел, не из соснового дерева, как у всех, а из
боярышника (Spina alba): считалось, что злые силы не смеют подступиться к
этому дереву; зажигали этот факел от огня на очаге невестиного дома. За
невестой несли прялку и веретено, как символы ее деятельности в доме мужа;
улицы, по которым шла свадебная процессия, оглашались пением насмешливых и
непристойных песен, которые назывались фесценнинами134. В толпу, сбежавшуюся
поглазеть , пригоршнями швыряли орехи в знак того, как объясняли древние, что
жених вступает теперь в жизнь взрослого и кончает с детскими забавами.
Вернее , конечно, другое: орехи символизировали плодородие, и разбрасывание их
было символическим обрядом135, который должен был обеспечить новой семье
обильное потомство.
Подойдя к дому своего будущего мужа, невеста останавливалась, мазала двери
жиром и оливковым маслом и обвивала дверные столбы шерстяными повязками; жир
и масло означали обилие и благоденствие, повязки имели обычное значение
посвящения и освящения. Молодую переносили на руках через порог, чтобы она не
споткнулась (это было бы дурным знамением); муж «принимал ее водой и огнем»:
обрызгивал водой из домашнего колодца и подавал ей факел, зажженный на очаге
его дома. Этим обрядом молодая жена приобщалась к новой семье и ее святыням.
Она обращалась с молитвой к богам, покровителям ее новой брачной жизни:
pronuba усаживала ее на брачную постель, и брачный кортеж удалялся.
Наутро молодая жена приносила на очаге своего нового дома жертву Ларам и
принимала визиты родственников, которых она, молодая хозяйка, встречала
угощением; эта пирушка называлась «repotia».
Сенека в одну из своих злых минут (у него бывали такие, и тогда мир казался
ему скопищем одних пороков), вспомнив Аристотеля, назвал женщину «существом
диким и лишенным разума». Это «лишенное разума существо» окружено, однако,
большим уважением и не только в семейной жизни. Еще Иеринг заметил, что в
легендарной истории Рима ей отведена большая и благородная роль (несколько
раньше, правда, это увидел Ливии, вложивший в уста народного трибуна Л.
Валерия доводы, которыми он добивался отмены Оппиева закона: женщины
предотвратили войну между Римом и сабинянами; мать не пустила Кориолана войти
завоевателем в Рим). Римская религия высоко ставит женщину: благоденствие государства
находится в руках девственниц-весталок, охраняющих вечный огонь на алтаре
Весты. Никому в Риме не оказывают столько почета, сколько им: консул со
своими ликторами сходит перед ними с дороги; если преступник, которого везут на
казнь, встретил весталку, его освобождают. Культ Ларов, богов-покровителей
дома и семьи, находится на попечении женщин; в доме отца девушка следит за
тем, чтобы не потух огонь на очаге, и собирает цветы, которыми ее мать в
календы, иды и ноны и во все праздничные дни украшает очаг; первая жертва, ко-
НаЗвание это происходит не от этрусского города Фесцении, как думали раньше, а от fascinum
- phallus, которому приписывалась большая магическая сила, отвращающая колдовство и Злые
силы. Припевом к ним служило восклицание «talasse!», смысл которого не был вполне ясен и
современникам. Обычно его производят от имени рано Забытого италийского божества Таласса, или
Талассиона; Мерклин полагал, что это прозвище бога Конса, на празднике которого были
похищены сабинянки. Древние ставили его в связь с talaros - «корзинка для пряжи» и видели в этом
слове указание на будущую работу хозяйки в доме.
135
В некоторых местах Франции молодых осыпали орехами, иногда даже в церкви. Осыпание Зерном
при старых деревенских свадьбах у нас имело такое же Значение.
торую новобрачная приносит в доме мужа, эта жертва Ларам ее новой семьи. Как
flamen Dialis является жрецом Юпитера, так его жена, фламиника, является
жрицей Юноны, и предписания, которые обязаны выполнять оба, почти одинаковы.
Есть, правда, культы, в которых женщина не принимает участия, например культ
Геракла, но у них зато есть свои женские праздники, куда не допускают мужчин.
Они не смеют появляться на таинственном празднике в честь Доброй Богини (Bona
Dea), который ежегодно справлялся в доме консула. Когда в год консульства
Цезаря Клодий, влюбленный в его жену, проник, переодевшись женщиной, на этот
праздник, в городе поднялась буря негодования. Культ этой богини могли
справлять, конечно, только женщины; женщины были и жрицами Цереры.
Ларарий из Помпеи. К фамильным ларам обращались также
в связи с бракосочетанием.
До нас дошли две формулы, в которых грек и римлянин выразили свое отношение
к браку и свой взгляд на него. Грек женится, чтобы иметь законных детей и
хозяйку в доме; римлянин - чтобы иметь подругу и соучастницу всей жизни, в
которой отныне жизни обоих сольются в единое нераздельное целое136. К женщине
относятся с уважением и дома, и в обществе: в ее присутствии нельзя сказать
грязного слова, нельзя вести себя непристойно. В доме она полновластная
хозяйка, которая распоряжается всем, и не только рабы и слуги, но и сам муж
обращается к ней с почтительным domina. Она не сидит, как гречанка, в женской
половине, куда доступ разрешен только членам семьи; окружающий мир не закрыт
для нее, и она интересуется тем, что происходит за стенами ее дома. Она
обедает с мужем и его друзьями за одним столом (разница лишь в том, что мужчины
«Мы женимся, чтобы иметь Законных детей и верного сторожа нашего домашнего имущества», ср.
слова юриста Модестина: «consortium omnis vitae, individuae vitae consuetudo». «Я вышла За
тебя Замуж, - говорит Порция Бруту, - не только чтобы спать и есть с тобой, как гетера, но
чтобы делить с тобой и радость, и горе».
возлежат, а она и ее гостьи-женщины сидят), бывает в обществе, ходит вместе с
мужем в гости, и первый человек, которого видит посетитель, - это хозяйка
дома: она сидит в атрии вместе с дочерьми и рабынями, занятая, как и они,
пряжей или тканьем. У нее ключи от всех замков и запоров, и она ведет хозяйство
со всем усердием и старательностью, верная помощница и добрая советница мужу.
«В доме не было ничего раздельного, ничего, о чем муж или жена сказали бы:
„это мое". Оба заботились о своем общем достоянии, и жена в усердии своем не
уступала мужу, трудившемуся вне дома». Она принимает участие и в делах
общественных. В деле раскрытия Вакханалий много помогла консулу его теща,
обходительная и тактичная Сульпиция. Буса, «славная родом и богатством» гражданка
Канузия (город в Апулии), организовала помощь воинам, спасшимся после Канн.
На совещании, которое устроили Брут и Кассий и на котором решалась судьба
государства, присутствовали мать и жена Брута и жена Кассия. Стены домов в Пом-
пеях испещрены надписями, в которых женщины рекомендуют таких-то и таких-то
на муниципальные должности.
Портрет супругов. Первая половина I века, фреска из Помпеи.
Неоднократно говорилось о том, что нельзя доверять хвалебным эпитафиям; это
бесспорно, но бесспорно и то, что эти похвалы были подсказаны представлением
о том, что такое идеальная жена, а эти представления возникали на основе
реальной действительности, ею были подсказаны, в ней осуществлялись. Быть
домоседкой (domiseda), «обрабатывать шерсть» (lanam facere) означало то
рачительное попечение о хозяйстве, которое для римлянина было существенным и высоким
качеством. Но это далеко не все: те же надписи отмечают как высокую похвалу,
что умершая была univira (жена одного мужа), что, оставшись вдовой, она не
вышла вторично замуж, храня верность своему первому мужу137. Верность - это
качество не устают прославлять надписи; насколько оно ценилось в народном
сознании, об этом свидетельствует тот факт, что только женщинам, состоявшим в
одном браке, разрешалось свершение некоторых обрядов, например принесение
жертв в часовне богини Целомудрия (Pudicitia); только они могли входить в
храм Богини женской судьбы (Fortuna muliebris) и прикасаться к ее статуе; в
праздновании Матралий, справляемых в честь древней богини Матери Матуты
(богини рассвета и рождения), принимали участие только univirae. Второй брак -
это нарушение целомудрия и верности, оба понятия сливаются в одно. Почетную
роль pronuba (русское «сваха» совершенно не передает значения латинского
слова) может выполнять только univira. Трагедия Дидоны не только в том, что ее
покинул Эней: она расценивает свою новую любовь как вину; ее самоубийство -
это наказание, которое она сама налагает на себя, потому что «не сохранила
верности, обещанной праху Сихея».
Мы можем представить себе, как возникала и росла эта верность, хранимая до
конца жизни с твердым убеждением, что это долг, нарушить который преступно.
Девушку, почти ребенка, выдавали за человека, часто вдвое старше ее, и если
это был порядочный человек, то он, естественно, становился для своей юной
жены тем, чем просила стать влюбленного в ее дочь юношу умирающая мать: «мужем,
другом, защитником и отцом». Муж вводит ее в новую жизнь, знакомит с
обязанностями, еще ей неизвестными, рассказывает о той жизни, которая идет за
стенами их дома и о которой она почти ничего до сих пор не знала. Он заставляет
ее учиться дальше. Она смотрит на него, руководителя и наставника, снизу
вверх, ловит каждое его слово, слушается каждого распоряжения: можно ли не
послушаться его138, такого большого, такого умного! Восторженное преклонение,
с которым относится к Плинию Младшему его молодая жена, вызывает улыбку своей
наивностью. Следует, однако, помнить, что эти наивные девочки в страшное
время проскрипций и императорского произвола оставались непоколебимо верны своим
мужьям, шли за ними в ссылку и на смерть и умели умирать, соединяя
героическое мужество с самозабвенной нежностью любящего женского сердца139. При
императоре Тиберии Секстия, жена Мамерка Скавра, которому грозил смертный
приговор, уговорила его покончить с собой и умерла вместе с ним; Паксея, жена Пом-
пония Лабеона, перерезавшего себе вены, последовала его примеру. Когда Сенеке
Вот некоторые примеры надписей: «Виргинии Марий Виталий супруг, центурион легиона... жили 36
лет, безупречная перед мужем, на редкость послушная, жившая с одним мужем» («solo contenta
marito», - II в. н.э.). Авфидия Северина «целомудренная, трезвенная, не прелюбодейка,
простая и благожелательная, преданная одному своему мужу, не Знавшая других». «я, Марцеллина,
была очень любима своим мужем... единственным супругом моим был Элий». «Ты соединена была со
мной целомудренным союзом... ты сочла меня единственного достойным., и все одобряют, что все
доброе ты сохранила для единственного мужа» (368 г. н.э.). «Довольна одним мужем». «Чистая,
целомудренная, пристойная, преданная одному мужу». «Жила, довольная одним мужем». «Что
возможно , было супругой исполнено верной. Ложе твое разделить не было прав никому». «Получив
одного мужа, сохранила я целомудрие и стыдливость». Ср. Plaut. Merc: «женщина, если она
хорошая, довольна одним мужем» и Тег. Heaut: «женщинам положено весь век свой проводить с
одним мужем».
Послушание мужу считалось добродетелью; надписи ее нередко упоминают: «Мне приятно было
нравиться мужу своим всегдашним послушанием». Вергиния была «на редкость послушной» мужу.
«За послушание мужу Заслужила... эту гробницу». «Целомудрие, верность, доброта, послушание»
(перечислены качества доброй жены). «Я была почтительна к мужу и послушна ему». «Здесь
покоится Энния ФруктуоЗа, дорогая супруга, достойная хвалы За свое прочное целомудрие и доброе
послушание».
Надо сказать, что работа с надписями, посвященными памяти жен, по-настоящему проделана не
была, не была, прежде всего, проведена классификация (насколько она возможна) по сословно-
классовым признакам. Стоит, однако, отметить, что качества хорошей жены-аристократки и жены
скромного отпущенника совпадают. Муж, произнося похвальное слово над гробом жены (laud.at.io) ,
называет ее «доброй хозяйкой, целомудренной, послушной, приветливой, уживчивой».
был прислан смертный приговор, его молодая жена Павлина потребовала вскрыть
вены и ей, и осталась жива только потому, что Нерон приказал перевязать ей
раны и остановить кровь.
В рассказе об Аррии останавливаются обычно только на его трагическом
эпилоге . Плиний Младший начинает рассказ об Аррии с эпизода малоизвестного:
«...хворал Щецина Пет, ее муж, хворал и сын, оба, по-видимому, смертельно. Сын
умер; он отличался исключительной красотой и такой же душевной прелестью;
родителям он был дорог не только потому, что был их сыном, но в такой же
степени и за свои качества. Мать так подготовила его похороны, так устроила
проводы умершего, что муж ничего не знал; больше того, каждый раз, входя в его
спальню, она делала вид, что сын их жив и даже поправляется; очень часто на
вопрос, что поделывает мальчик, она отвечала: „Он хорошо спал, с
удовольствием поел". Когда долго сдерживаемые слезы одолевали ее и прорывались, она
выходила и наедине отдавалась печали; наплакавшись вволю, она возвращалась с
сухими глазами и спокойным лицом, словно оставив свое сиротство за дверями».
Эта сверхчеловеческая выдержка помогла ей спасти мужа, но в 42 г. его
арестовали на ее глазах в Иллирике за участие в восстании Скрибониана и посадили на
корабль, чтобы везти в Рим. «Аррия стала просить солдат, чтобы ее взяли
вместе с ним: „Вы же дадите консуляру каких-нибудь рабов, чтобы подавать ему на
стол, помогать ему одеваться и обуваться; все это я буду исполнять одна"». Ей
отказали; она наняла рыбачье суденышко и отправилась вслед за мужем.
Пет был приговорен к смерти, Аррия решила умереть вместе с ним. Ее зять,
Трасея, умолял ее отказаться от этого намерения: «Ты, значит, хочешь, если
мне придется погибнуть, чтобы твоя дочь умерла со мной?» - «Если она проживет
с тобой так долго и в таком согласии, как я с Петом, то хочу», - был ответ.
Когда пришел роковой час, «она пронзила себе грудь, вытащила кинжал и
протянула его мужу, произнеся бессмертные, почти божественные слова: „Пет, не
больно"». Плиний рассказал еще об одном случае героического самоотвержения
жены, которая, удостоверившись, что болезнь ее мужа неизлечима, уговорила его
покончить с собой и «была ему в смерти спутницей, нет, вождем и примером: она
привязала себя к мужу и вместе с ним бросилась в озеро».
Стоит рассказать еще об одной женщине, память о которой сохранилась в
длинной, но искалеченной эпитафии. Раньше считали, что это «похвала» Турий, жене
Лукреция Веспиллона, но вновь найденные отрывки надписи заставили отказаться
от этого предположения. Имя умершей, так же как и ее мужа, остаются
неизвестными; М. Дюрри, последний издатель этой надписи, заключил свою статью
прекрасными словами: «...трещина в камне сделала эту „похвалу" анонимной и
символической... Похвала неизвестной жене» - превратилась в восхваление римской
женщины" .
Надпись позволяет проследить ее жизнь. Ее обручили с молодым человеком,
который сразу же уехал вслед за Помпеем в Македонию: муж старшей сестры, Клу-
вий, уехал в Африку. Времена наступали страшные: начиналась гражданская
война; среди раздора партий и общего беспорядка нечего было рассчитывать на
защиту закона и безопасность. Шайки разбойников бродили по стране; элементы
недовольные, озлобленные, изверившиеся в возможности лучшей судьбы, поднимали
голову. Родители обеих сестер погибли от разбойничьей ли руки, от руки ли
собственных рабов, мы этого никогда не узнаем. Но обе сестры исполнили то,
что для древних было священным долгом: добились того, что убийцы были найдены
и наказаны. «Если бы мы находились дома, - вспоминает муж покойной, говоря о
себе и Клувии, мы не сделали бы больше».
Молодая девушка переселилась, стремясь «найти охрану своему целомудрию», в
дом будущей свекрови. Новая напасть ждала ее. Какие-то люди, притязавшие на
родство с ее отцом, объявили сделанное им завещание недействительным; если бы
им удалось доказать свою правоту, то девушка и все состояние оставшееся после
отца, оказались бы под опекой неожиданных претендентов, т. е. фактически в их
власти. Жених, которого отец сделал сонаследником дочери, и ее сестра,
которой выделена была тоже часть, не получили бы ничего. «Опираясь на истину, ты
защитила наше общее дело... твоя твердость заставила отступить [противников]».
До спокойной жизни было, однако, еще далеко. Цезарь запретил возвращаться в
Италию сторонникам Помпея; вернулся ли, нарушив этот запрет, жених и должен
был бежать, оставался ли он в изгнании, этого мы сказать не можем. Ясно одно:
невеста или уже молодая жена отказалась от всех своих драгоценностей,
обманула «стражей, поставленных врагами», снабдила всем необходимым изгнанника,
нашла ему могущественных покровителей среди цезарианцев; муж смог
беспрепятственно вернуться, но когда начались проскрипции 43 г. , его занесли в списки
проскрибированных. Жена «спасла его своими советами», спрятала, рискуя жизнью
(возможно, что в собственном доме), отправилась к Октавиану (его не было в
Риме) и вымолила у него прощение. С этим «восстановлением» она явилась к Ле-
пиду, распоряжавшемуся в Риме, но он отказался признать «благодетельное
решение» своего коллеги; в ответ на мольбы бедной женщины, бросившейся к ногам
Лепида, с ней «обошлись, как с рабыней», осыпали оскорблениями. Октавиан,
вернувшись в Рим, позаботился, видимо, о том, чтобы его распоряжение было
выполнено .
«Земля была умиротворена, государство успокоено; на нашу долю выпали,
наконец, спокойные и счастливые дни», но это счастье было омрачено тем, что у
супругов не было детей (умерли они или их вовсе не было, из текста неясно). И
тут жена подала мужу совет: в нем, как в фокусе, собрались лучи ее любви,
которой привычно было не искать своего и думать только о любимом человеке:
предложила мужу развестись с ней и жениться на другой. «Ты утверждала, что
детей, которые родятся от этого брака, ты будешь считать своими, что из
состояния, которым до сих пор мы владели сообща, ты не выделишь части для себя,
и оно останется в моем распоряжении... ты будешь относиться ко мне, как любящая
сестра и свекровь».
История сохранила память не только о тех римских женщинах, которые, говоря
словами Каркопина, «воплощают в себе все земное величие». Были и другие, и о
них сказано было много злого: Марциал и Ювенал постарались здесь вовсю, кое-
что добавил и Тацит. Чуть ли не на каждой странице у Марциала мелькает какой-
нибудь гнусный женский образ: вот развратница, даже не старающаяся скрывать
свой разврат; бессовестная мать, купившая мужа своим приданым и равнодушная к
тому, что ее три сына голодают; влюбленная старуха, осыпающая любовника
драгоценными подарками; женщины-пьяницы; жена, у которой в любовниках перебывало
семеро рабов; мачеха, живущая в любовной связи с пасынком; отравительница -
галерея страшная! Шестую сатиру Ювенала кончаешь читать с таким чувством,
словно, наконец, выкарабкался из выгребной ямы. Зарисовки женских типов, им
сделанные, конечно, карикатурны, но никакая карикатура невозможна, если для
нее нет опоры в действительном мире. Вот ученая женщина, которая, как только
все расположились за обеденным столом, начинает умный разговор, сравнивает
Вергилия с Гомером, извиняет самоубийство Дидоны, «ее слова несутся в таком
количестве, что кажется, будто вокруг тебя бьют в медные тазы и звонят в
колокольчики» ; болтунья и сплетница, которая знает, кто влюблен, как ведет себя
со своим пасынком мачеха, от кого и когда забеременела вдова, что делается в
Китае и во Фракии, она «подхватывает у городских ворот толки и слухи, а
иногда сама их выдумывает». Эти женщины кажутся вполне безобидными на том
страшном фоне, на котором они проходят. Какой стыдливости можно ожидать от
женщины, которая изменяет своему полу и в костюме гладиатора дырявит мишень и
обдирает ее щитом, проходя весь курс фехтования? В мечтах она видит себя уже на
арене амфитеатра. Устав от физических упражнений, она с великим шумом, в
окружении толпы прислужников и прислужниц, идет ночью в баню и, вернувшись, на-
брасывается на пищу и вино, которым упивается до рвоты.
Ужасны злобные мегеры, которые отправляют на крест раба, потому что им
этого захотелось: «Так хочу, так и велю; что разум? желание важно», — истязают
рабынь-прислужниц, потому что один локон лежит не так, как госпоже угодно;
проводят свое утро под свист бичей и розог; женщины, опускающиеся в бездну
самого страшного разврата; отравительницы, подносящие кубок с ядом
собственным детям; записные прелюбодейки, хитро и умело обманывающие своих мужей.
Тема прелюбодеяния звучит во всей сатире, это единственная скрепка,
сдерживающая очень рыхлую ее композицию. И звучит она недаром; здесь было больное
место римского общества. Жена бросала мужу лозунг бьернсоновских героинь,
только перевернув его: «Ты будешь делать все, что тебе хочется, а я не могу жить
по-своему! Кричи, сколько хочешь, переворачивай все вверх дном; я человек»; и
удержу в этой «жизни по-своему» часто не было. Семья рушилась, и законы
Августа , которыми он хотел укрепить и упорядочить семейную жизнь, не привели ни к
чему.
В старом Риме развод был неслыханным делом. В 306 г. до н.э. цензоры
исключили из сената Л. Анния, потому что он, «взяв в жены девушку, развелся с ней,
не созвав совета друзей». В 281 г. до н.э. Сп. Карвилий Руга развелся с
женой, объясняя развод тем, что жена по своему физическому складу не может
иметь детей. Год запомнили, как запоминали года грозных битв и великих
событий. Вероятно, еще в течение многих лет для развода требовались основательные
причины, которые обсуждались и взвешивались на семейном совете. Но уже во II
в. развод превратился в средство избавиться от надоевшей жены; причины,
которые приводились как основание для развода, смехотворны: у одного жена вышла
на улицу с непокрытой головой; у другого жена остановилась поговорить с
отпущенницей, о которой шла дурная слава; у третьего пошла в цирк, не спросив
мужнего разрешения (вероятно, из утерянной второй декады Тита Ливия). Брак
sine manu дал полную свободу развода и для женщины. Целий в числе прочих
городских новостей и сплетен сообщает Цицерону, что Павла Валерия развелась со
своим мужем без всякой к тому причины в тот самый день, когда муж должен был
вернуться из провинции, и собирается выйти за Д. Брута; не прошло и месяца, а
Телезилла выходит уже за десятого мужа. «Ни одна женщина не постыдится
развестись, - писал Сенека, - потому что женщины из благородных и знатных
семейств считают годы не по числу консулов, а по числу мужей. Они разводятся,
чтобы выйти замуж, и выходят замуж, чтобы развестись».
От всех этих заявлений нельзя отмахнуться: в них отражается подлинная и
жестокая правда. Мне хочется только напомнить умную русскую пословицу о
доброй славе, которая лежит под камнем, и о худой, которая бежит по дорожке.
Преступная мать, сделавшая сына своим любовником, женщина, сменившая пусть не
десять, а хотя бы троих мужей, преступница, которая хладнокровно подносит
отравленный кубок невинной жертве, - все эти фигуры давали и для светской
болтовни, и для злой эпиграммы, и для сатирического вопля материал гораздо более
благодарный, чем какая-то тихая женщина, о которой только и можно было
сказать, что она «сидела дома и пряла шерсть».
Мы не можем, конечно, установить числового соотношения между этими
скромными , неизвестными женщинами и героинями Ювенала. Можно, однако, не обинуясь,
сказать, что первых было больше. Не следует, во-первых, меркою Рима мерять
всю страну: во все времена и у всех народов жизнь в столице шла шумнее и
распущеннее, с большим пренебрежением к установленным правилам морали и
приличий , чем в остальной стране. Плиний, например, говорит о Северной Италии как
о таком крае, «где до сих пор хранят честность, умеренность и старинную
деревенскую простоту». А во-вторых, надо обязательно проводить границу между
богатыми аристократическими кругами, где праздность и отсутствие насущных
повседневных забот создавали атмосферу, в которой легко было сбиться с правого
пути, и слоями средне состоятельными и вовсе бедными, где на жене лежал весь
дом и от ее усердия и умения зависело благосостояние всей семьи. Ювенал,
рисуя женские типы, имеет в виду только Рим и сплошь женщин если не
аристократического, то богатого класса, а Сенека говорит о скандальных бракоразводных
историях именно в этой среде.
Мы располагаем документальными свидетельствами, к сожалению, больше всего
именно об этой среде: жены простых людей, небогатых, а то и вовсе бедных, не
обращали на себя внимания при жизни и уходили из нее незаметные и
незамеченные . Память о них оставалась в сердцах близких, но выразить эту любовь, свою
печаль и благодарность они умели только в истертых от бесконечного повторения
словах, которые подозрительному взгляду кажутся лишь трафаретом,
благопристойным и лживым.
Не надо, по существу говоря, никаких документальных данных, чтобы
представить себе жизнь замужней женщины в этой среде, - извечную женскую долю всех
времен и всех народов, полную незаметного труда и мелких хлопот, которые не
дают передохнуть с раннего утра и дотемна и которыми держится дом и семья.
Она, конечно, домоседка: куда же пойдешь, когда нужно сделать то то, то
другое, сготовить, убрать, починить. Она садится за прялку и, напряв ниток,
переходит к ткацкому станку, не потому что это освященная веками благородная
традиция, а потому что одежда, изготовленная дома, обойдется дешевле
покупной. Она высчитывает каждый асе, прикидывает, как бы подешевле купить и
хлеба, и овощей, и чурок для жаровни. Муж с рассвета возится в мастерской
(каменотес, столяр или сапожник), ребята постарше ушли в школу. Теперь пора
наводить чистоту: комнатенка за мастерской или полутемная низенькая мансарда
моется (за водой надо бегать на перекресток, что поделаешь!), чистится,
выскребается: чистота ее конек и пятно на полу приводит ее в ужас. Потом надо
подумать о завтраке для мужа и для детей; в соседней лавчонке хитрец-грек продает
палые маслины, выдавая их за лучший ранний сорт; ну ее-то, конечно, не
проведешь : она купит модий-другой по дешевке и дома их засолит и замаринует -
будет дешевле покупных и вкуснее. Старший сын является из школы с горькими
слезами: никак не выходили на дощечке две противных буквы, а потом он дернул за
хвост учительскую собаку - она и вцепись зубами! От учителя попало за все
разом. Мать перевязывает руку пострадавшему, учит, как надо обращаться с
животными, берет дощечку и грифель (она ведь тоже в родной деревне училась в
школе: и прочтет, и напишет, и сосчитает) ; оказывается все просто и легко -
только поведи рукой вверх-вниз, - непонятно, почему же не выходило в школе.
В воспитании детей в бедной трудовой семье на долю матери выпадает роль
более важная, чем отцу, который все время занят, работает в мастерской, обходит
с заказами клиентов, забегает в термы, проводит часок-другой в кабачке за
приятельской беседой. Дети были при матери; первые уроки доброго поведения,
подкрепляемые ее собственным примером, они получали от нее. Мать понимала не
только в домашнем хозяйстве: она знала жизнь: у нее был тот опыт, который
приобретается приглядыванием к окружающему и раздумьем над тем, что делается
вокруг. Сын на возрасте, не послушавшись раз-другой ее совета и ожегшись,
теперь внимательно вслушивался в эту тихую добрую речь и принимал эти советы к
руководству. Тацит оставил трогательную зарисовку семейной жизни: сын
воспитывается «не в каморке купленной кормилицы», а на материнском лоне, под
присмотром почтенной пожилой родственницы; в их присутствии «нельзя было сказать
мерзкого слова, совершить непристойный поступок», и как пример образцовых
матерей он привел Корнелию, мать Гракхов, Аврелию, мать Цезаря, и Атию, мать
Августа.
В то время, о котором идет речь, таких матерей надо было искать
преимущественно в простых бедных семьях. О них никто не знал, кроме семьи и соседей; не
нашлось писателя, который бы ими заинтересовался и о них написал; и мы можем
только по туманному облику вилики у Катона и по жене пастуха, кочующего со
своим стадом чуть не по всей Италии, образ которой на минуту мелькнул у Вар-
рона, до некоторой степени представить себе, чем были эти женщины. Усердные
помощницы своим мужьям, умевшие заботой и лаской скрашивать неприглядность
бедности и смягчать ее жестокость; хлопотуньи-хозяйки, державшие дом в уюте и
порядке; умные и нежные матери; добрые советницы и безотказные утешительницы
и в малой беде и в большом горе, всегда обо всех помнившие и только о себе
забывавшие, они всей своей жизнью оправдывали старинную пословицу, гласящую,
что два лучших дара, которые бог посылает человеку, это хорошая мать и
хорошая жена.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ.
ПОГРЕБАЛЬНЫЕ ОБРЯДЫ
В римских погребальных обрядах нашла выражение смесь самых разнообразных
чувств и понятий: древняя вера в то, что душа человека и после смерти
продолжает в подземном царстве существование, подобное тому, что и при жизни,
тщеславное желание блеснуть пышностью похорон, искренняя беспомощная скорбь и
гордое сознание своей неразрывной, неистребимой связи с родом, жизнь которого
была непрерывным служением государству. Все это еще осложнялось чисто
римской, часто непонятной нам потребностью соединять трагическое с веселой
шуткой, иногда с шутовством. Создавался конгломерат обрядовых действий, часть
которых церковь, как всегда осторожная и не разрывающая с древними обычаями,
укоренившимися в быту, ввела и в христианские похороны.
И у греков, и у римлян предать умершего погребению было обязательным
долгом, который лежал не только на родственниках покойного. Путник, встретивший
на дороге непогребенный труп, должен был устроить символические похороны,
трижды осыпав тело землей: «Не поскупись, моряк, на летучий песок; дай его
хоть немного моим незахороненным костям», - обращается к проходящему мимо
корабельщику тень выброшенного на сушу утопленника. Это обязательное требование
предать труп земле основано было на вере в то, что тень непогребенного не
знает покоя и скитается по земле, так как ее не впускают в подземное царст-
во
Вокруг умирающего собирались родственники; иногда его поднимали с постели и
клали на землю141. Последний вздох его ловил в прощальном поцелуе наиболее
близкий ему человек: верили, что душа умершего вылетает в этом последнем
вздохе. Изысканная жестокость Верреса подчеркнута тем обстоятельством, что
матерям осужденных не позволено было в последний раз увидеть своих детей,
«хотя они молили лишь о том, чтобы им позволено было принять своими устами
дыхание их сыновей». Затем умершему закрывали глаза (condere oculos, premere)
и громко несколько раз называли его по имени (conclamatio)142. Овидий жаловал-
Семья, один из членов которой не был подобающим образом Захоронен, должна была ежегодно
приносить в качестве искупительной жертвы свинью - porca praecidanea: «Так как умерший не
предан Земле, то наследник обязан совершать жертву Матери-Земле и Церере, Заколов свинью.
Без этого семья считается нечистой». Ср. у Феста: «Та овца называлась предварительно
Зарезанной (praecidanea), которую убивали раньше других животных. Так же называлась свинья,
которую приносил в жертву Церере тот, кто не совершил правильного погребения, т.е. не осыпал
умершего Землей». В обычай вошло воздвигать без вести пропавшим кенотафии (букв, «пустые
могилы») и совершать символическое посыпание Землей над этой пустой могилой.
Случалось, что у человека, находящегося в предсмертном Забытье, тайком стаскивали с руки
кольцо. Помимо ценности его как вещи, им можно было еще воспользоваться как печатью. Но что
сниманье кольца входило в состав похоронных обрядов, это опровергается уже тем фактом, что
множество колец найдено было именно в могилах.
142 Это был древний религиозный обычай, смысл которого в позднейшее время утратился.
Объяснение Сервия, что громкое взывание по имени к мертвому имеет целью пробудить к жизни мнимо-
ся в ссылке:
"... с воплем последним
Очи мои не смежит милая друга рука".
Покойника обмывали горячей водой: это было делом родственников умершего или
женской прислуги. Устройство похорон поручалось обычно либитинариям143, этому
римскому «похоронному бюро», находившемуся в роще богини Либитины (вероятно,
на Эсквилине) и включавшему в свой состав разных «специалистов»: от людей,
умевших бальзамировать труп, и до носильщиков, плакальщиц, флейтистов,
трубачей и хористов.
Так как труп часто оставался в доме несколько дней, то иногда его
бальзамировали, но чаще лишь натирали теми веществами, которые задерживали
разложение; это было кедровое масло, которое, по словам Плиния, «на века сохраняет
тела умерших нетронутыми тлением»; такую же силу приписывали соли, меду, амо-
му144. Затем умершего одевали соответственно его званию: римского гражданина в
белую тогу (герой третьей сатиры Ювенала одним из преимуществ жизни в
захолустном италийском городке считает то, что там люди облекаются в тогу только на
смертном одре), магистрата - в претексту или в ту парадную одежду, на которую
он имел право145. На умершего возлагали гирлянды и венки из живых цветов и
искусственные , полученные им при жизни за храбрость, военные подвиги, за победу
на состязаниях.
Умащенного и одетого покойника клали в атрии146 на парадное высокое ложе
(lectus funebris), отделанное у богатых людей слоновой костью или по крайней
мере с ножками из слоновой кости. Умерший должен был лежать ногами к выходу.
В рот умершему вкладывали монетку для уплаты Харону при переправе через
Стикс; этот греческий обычай был рано усвоен римлянами; находки показывают,
что он держался в течение всей республики и империи. Возле ложа зажигали
свечи, помещали курильницы с ароматами147 и канделябры со светильниками или с
зажженной смолой; ложе осыпали цветами. Перед входной дверью на улице ставили
большую ветку ели (Picea excelsa Link), которую Плиний называет «траурным
деревом» , или кипариса - «он посвящен богу подземного царства и его ставят у
дома в знак того, что здесь кто-то умер»148. Эти ветви предостерегали тех, кто
шел принести жертву, а также понтификов и фламина Юпитера от входа в дом,
который считался оскверненным присутствием покойника.
умершего, является позднейшим домыслом. Ливии рассказывает, что взывали таким же образом к
павшим на поле битвы в их родных домах; когда тело Германика провозили по улицам италийских
городов, его встречали такими же громкими обращениями к нему.
Профессия эта считалась для свободного человека Зазорной; Занимавшегося ею не допускали к
городским магистратурам. В храм Либитины сообщали о каждом смертном случае, и Здесь велась
их регистрация.
При бальзамировании и погребении Поппеи (65 г. н.э.) Нерон, по словам Плиния, издержал
столько ароматов, сколько Аравия не могла дать За целый год. При погребении Аннии Присциллы,
жены Флавия Абасканта, отпущенника и секретаря Домициана, воздух наполнили благоуханием дары
Аравии и Киликии, Индии и Земли сабеев - шафран, мирра и бальзам Иерихона.
Нет оснований сомневаться, что триумфаторов хоронили в той одежде, которую они надевали во
время триумфального шествия. По всей вероятности, tunica palmata и toga picta, в которые
облекали покойника, были копиями, дублетами подлинной одежды триумфатора, хранившейся в храме
на Капитолии: она была храмовой собственностью. Дорогие, шитые Золотом одежды часто находили
в гробницах; упоминаются они и в текстах. «Тела умерших, умастив ароматами и Завернув в
дорогие одежды, предают Земле». "Зачем Заворачиваете вы своих мертвецов в одежды, расшитые
Золотом? ". Цензора хоронили в пурпурной тоге.
146 То обстоятельство, что тело Августа находилось не в атрии, а было выставлено в прихожей
дворца, является исключением.
Это были маленькие переносные алтарики, на которых Зажигали ароматы. Назывались они
асеггае. Вергилий называет их «алтарем, где жгут ладан».
148«Кипарисы ставили перед домом умершего, потому что это дерево, однажды срезанное, не дает
побегов. Так и от умершего нечего ждать. Поэтому кипарис считается деревом отца Дита».
Число дней, в течение которых умерший оставался в доме, не было определено
точно; у Варрона убитого смотрителя храма собираются хоронить на другой день
после смерти; сын Оппианика, скончавшийся вечером, был сожжен на следующий
день до рассвета. В некоторых семьях покойника оставляли дома на более
продолжительное время; императоров хоронили обычно через неделю после смерти149;
за это время с мертвого снимали восковую маску, которой и прикрывали его
лицо .
Существовало два способа погребения: сожжение и захоронение. Римские ученые
ошибочно считали обычай захоронения древнейшим: «...сожжение трупа не было у
римлян древним установлением; умерших хоронили в земле, а сожжение было
установлено, когда, ведя войну в далеких краях, узнали, что трупы вырывают из
земли». Законы Двенадцати Таблиц знают обе формы погребения150; «многие семьи
соблюдали древние обряды; говорят, что никто из Корнелиев до Суллы не был
сожжен; он же пожелал быть сожженным, боясь мести, ибо труп Мария вырыли» (по
его приказу). В последние века республики и в первый век империи трупы обычно
сжигались, и погребение в земле начало распространяться только со II в. н.э.,
возможно, под влиянием христианства, относившегося к сожжению резко
отрицательно .
Торжественные похороны, за которыми обычно следовали гладиаторские игры,
устраиваемые ближайшими родственниками умершего, назывались funus indictivum
- «объявленными»151, потому что глашатай оповещал о них, приглашая народ
собираться на проводы покойного: «Такой-то квирит скончался. Кому угодно прийти
на похороны, то уже время. Такого-то выносят из дому». Эти похороны
происходили, конечно, днем, в самое оживленное время, с расчетом на то, чтобы
блеснуть пышностью похоронной процессии, которая превращалась в зрелище,
привлекавшее толпы людей. Уже законы Двенадцати Таблиц содержат предписания,
которые ограничивали роскошь похорон: нельзя было пользоваться для костра
обтесанными поленьями, нанимать больше десяти флейтистов и бросать в костер
больше трех траурных накидок, которые носили женщины, и короткой пурпурной
туники. Сулла ввел в свой закон (lex Cornelia sumptuaria от 81 г. до н.э.) тоже
ограничительные предписания (на него, видимо, намекает Цицерон), но сам же
нарушил их при похоронах Метеллы. При империи законы эти потеряли силу152.
Похоронная процессия двигалась в известном порядке; участников ее
расставлял и за соблюдением определенного строя следил один из служащих «похоронного
бюро», «распорядитель» (dissignator), с помощью своих подручных - ликторов,
облаченных в траурный наряд. Вдоль всей процессии шагали факельщики с
факелами елового дерева и с восковыми свечами; во главе ее шли музыканты: флейти-
Сообшение Сервия, что тело оставалось выставленным в атрии в течение семи дней, на восьмой
сжиралось и на девятый пепел предавался Земле, является ошибочным обобщением обычая,
принятого для лиц, Занимавших высокое общественное положение, так как в этом случае требовался
известный срок для изготовления масок.
150 В VIII в. до н.э. древнейшие обитатели Палатина и хоронили, и сжигали своих мертвецов; на
Эсквилине их только хоронили, а на Квиринале сжигали. Римские антиквары, считая Захоронение
древнейшей формой, ссылались на следующие факты: 1) и при сожжении лицо покойника посыпали
Землей; 2) каждый, наткнувшись на непогребенное тело, обязан был посыпать его Землей; 3) при
сожжении трупа у него отрезали палец и хоронили в Земле. Сожжение покойника сопровождалось
неизменно и погребением: урну с пеплом ставили в помещение, Заменявшее могильный холм.
Умерших детей, у которых еще не прорезались Зубы, всегда хоронили. Бедняков чаще хоронили, чем
сжигали; это было дешевле. Общее кладбище для бедных до Августа находилось на Эсквилине.
Одним из видов таких «объявленных» похорон были похороны, совершаемые по постановлению
сената За общественный счет (funus publicum) . Чести этой удостаивались люди, оказавшие большие
услуги государству.
152 За соблюдением этих Законов обязаны были следить эдилы, равно как и За поддержанием
порядка во время погребальной процессии, а также За тем, чтобы при сожжении не возникло опасности
пожара.
сты, трубачи153 и горнисты. За музыкантами следовали плакальщицы (praeficae),
которых присылали также либитинарии. Они «говорили и делали больше тех, кто
скорбел от души», - замечает Гораций; обливались слезами, громко вопили,
рвали на себе волосы. Их песни (neniae), в которых они оплакивали умершего и
восхваляли его, были или старинными заплачками, или специально подобранными
для данного случая «стихами, задуманными, чтобы запечатлеть доблестные дела в
людской памяти»154. В особых случаях такие песнопения распевали целые хоры: на
похоронах Августа эти хоры состояли из сыновей и дочерей римской знати. За
плакальщицами шли танцоры и мимы; Дионисий Галикарнасский рассказывает, что
на похоронах знатных людей он видел хоры сатиров, исполнявших веселую сикин-
ниду. Кто-либо из мимов представлял умершего, не останавливаясь перед
насмешками насчет покойного: на похоронах Веспасиана, который почитался прижимистым
скупцом, архимим Фавор, надев маску скончавшегося императора, представлял, по
обычаю, покойного в его словах и действиях; громко спросив прокураторов, во
что обошлись его похороны, и получив в ответ - «10 миллионов сестерций», он
воскликнул: «Дайте мне сто тысяч и бросьте меня хоть в Тибр».
Погребальная процессия в Риме.
За этими шутами двигалась самая торжественная и серьезная часть всей
процессии: предки умершего встречали члена своей семьи, сходящего в их подземную
обитель. В каждом знатном доме, члены которого занимали ряд курульных
магистратур , хранились восковые маски предков, снятые в день кончины с умершего.
Эти маски, снабженные каждая подписью, в которой сообщалось имя умершего, его
должности и подвиги, им совершенные, хранились в особых шкафах, стоявших
обычно в «крыльях» (alae) атрия. В день похорон эти маски, а вернее, их
дубликаты155, надевали на себя люди, вероятно, тоже из числа прислужников либити-
нария; облачившись в официальную одежду того лица, чья маска была надета, они
По словам римских антикваров, эти трубачи назывались «siticines», и трубы, которыми они
пользовались на похоронах, отличались от обычных. Слово это, во всяком случае, рано вышло из
употребления.
На похоронах Цезаря пели то, что могло возбудить сострадание к нему и ненависть к убийцам,
из «Суда об оружии» Пакувия: "и я их сохранил, чтоб пасть от их руки?", и из „Электры" Ати-
лия подобного же содержания».
155Бенндорф справедливо указал, что в масках, которые надевали, должны были иметься отверстия
для дыхания (нос, рот) и для глаз. В масках, хранившихся в атрии, их, разумеется, не было.
Сохраняли, следовательно, отлитую когда-то форму, по которой и изготовлялись новые слепки.
садились на колесницы или шли пешком156 в сопровождении ликторов. Чем больше
было число этих предков, преторов, консулов, цензоров, из которых многие были
украшены инсигниями триумфаторов, тем роскошнее были похороны. На похоронах
Юнии, сестры Брута, «несли двадцать портретов (imagines), принадлежавших
членам знаменитейших родов». Похороны Друза, сына Тиберия, были особенно
блистательны, потому что длинным рядом шли изображения предков: во главе Эней,
родоначальник рода Юлиев; все албанские цари; Ромул, основатель Рима, а затем
Атт Клавз и остальные представители рода Клавдиев. Если умерший прославился
военными подвигами, одерживал победы, завоевывал города и земли, то перед
носилками, на которых стояло погребальное ложе, несли, как и в триумфальном
шествии, картины с изображением его деяний, привезенной добычи, покоренных
народов и стран.
Носилки с ложем, на котором лежал умерший, в старину несли ближайшие его
родственники, чаще всего сыновья. Обычай этот соблюдался в некоторых случаях
и в более поздние времена: тело Цецилия Метелла Македонского несли четверо
его сыновей: один - цензорий, другой - консуляр, третий - консул, четвертый,
выбранный в консулы, но еще не вступивший в эту должность. Иногда носилки
несли друзья умершего, очень часто его отпущенники. За носилками шли
родственники покойного в траурной черной одежде (женщины в императорское время - в
белой)157 без всяких украшений и знаков своего ранга (сенаторы без туники с
широкими пурпурными полосами, всадники без золотого кольца), мужчины,
поникшие, с покрытой головой, женщины с распущенными волосами и обнаженной грудью,
рабы, получившие по завещанию свободу и надевшие в знак освобождения
войлочный колпак (pilleus). Женщины шумно выражали свою скорбь: рвали на себе
волосы, царапали щеки, били себя в грудь, рвали одежду, громко выкликали имя
умершего. Процессию еще увеличивали любители поглазеть, толпами сбегавшиеся
на похороны.
При похоронах знатных и выдающихся лиц процессия направлялась не прямо к
месту сожжения, а заворачивала на Форум, где и останавливалась перед
рострами. Покойника на его парадном ложе ставили или на временном помосте, или на
ораторской трибуне; «предки» рассаживались вокруг на курульных сиденьях.
Тогда сын или ближайший родственник умершего всходил на трибуну и произносил
похвальную речь (laudatio finebris), в которой говорил не только о заслугах
умершего, но и обо всех славных деяниях его предков, собравшихся вокруг
своего потомка; «начиная с самого старшего, рассказывает он об успехах и делах
каждого». В этих восхвалениях не все было, конечно, чистой правдой; уже
Цицерон писал, что они внесли в историю много лжи, того же мнения придерживался и
Ливии.
Первая хвалебная речь была, по словам Плутарха, произнесена Попликолой над
телом Брута. Сообщение это вряд ли достоверно; первым словом, произнесенным в
похвалу умершего, считается речь консула Фабуллина над прахом Цинцината и Кв.
Фабия (480 г. до н.э.). Этой чести удостаивались и женщины, в особенных,
конечно, случаях. По свидетельству Цицерона, первой женщиной, которой выпала
эта честь, была Попилия, мать Катула158.
Полибий говорит о том, что «предки» ехали на колесницах, но как долго удержался этот
обычай , мы не Знаем. Позднейшие писатели говорят уже о шествии пешком.
157 Объясняется это, по-видимому, тем, что в повседневном быту широкое распространение
получила пестрая женская одежда, и Замена ее простой белой была таким же свидетельством печали,
как раньше Замена светлой одежды темной.
По свидетельству Ливия, первые удостоились такой чести женщины, которые в тяжкую для
государства минуту (надо было платить дань галлам, а денег не было) снесли на Форум все свои
Золотые украшения в дар государству (390 г. до н.э.). О таком же подвиге римских женщин
рассказывает Плутарх, но по другому поводу: у города не было денег для уплаты дара оракулу
Аполлона в Дельфах, и женщины помогли в беде, пожертвовав государству свои уборы. Свидетель-
После произнесения похвальной речи процессия в том же порядке двигалась
дальше к месту сожжения или погребения, которое находилось обязательно за
городскими стенами. Разрешение на похороны в городе, не только в Риме, но и в
муниципиях, давалось редко, как особая честь и награда за выдающиеся
заслуги159 . Общее кладбище существовало только для крайних бедняков и рабов; люди
со средствами приобретали для своих могил места за городом, преимущественно
вдоль больших дорог, где царило наибольшее оживление, и здесь и устраивали
семейную усыпальницу. Место для погребального костра (ustrina) отводилось
часто неподалеку от нее (в надписях ustrina неоднократно упоминается как
место, находящееся возле могилы). Костер складывали преимущественно из
смолистых, легко загорающихся дров и подбавляли туда такого горючего материала,
как смола, тростник, хворост. Плиний рассказывает, как труп М. Лепида,
выброшенный силой огня с костра, сгорел на хворосте, лежавшем возле; подобрать
покойника и положить его обратно на костер было невозможно: слишком жарок был
огонь. Костер складывали в виде алтаря; у богатых людей он бывал очень высок,
украшен коврами и тканями. Плиний говорит, что «костры разрисовывались»;
очевидно , стенки костра раскрашивались в разные цвета. Вокруг втыкали в знак
траура ветви кипариса. Ложе с покойником ставили на костер, и туда же клали
вещи, которыми умерший пользовался при жизни и которые любил. Один охотник I
в. н.э. завещает сжечь с ним всю его охотничью снасть: рогатины, мечи, ножи,
сети, тенета и силки. К этому прибавляли всевозможные дары участники
погребальной процессии; тело изобильно поливали и осыпали всяческими ароматами,
ладаном, шафраном, нардом, амомом, смолой мирры и проч. Светоний
рассказывает , что когда тело Цезаря уже горело на костре, актеры представлявшие предков
и облаченные в одеяния триумфаторов стали рвать на себе одежду и бросать в
огонь; ветераны-легионеры начали кидать в костер оружие, с которым они пришли
на похороны, матроны - свои украшения, буллы и претексты детей. Перед
сожжением совершалось символическое предание земле: у умершего отрезали палец и
закапывали его.
Когда костер был готов и ложе с покойником на него установлено, один из
родственников или друзей покойного поджигал костер, отвернув от него свое
лицо . При сожжении крупных военачальников и императоров солдаты в полном
вооружении трижды обходили вокруг костра в направлении справа налево (decursio).
Когда костер угасал, горящие угли заливали водой160, и на этом погребальная
церемония собственно и кончалась. Участники процессии говорили последнее
«прости» умершему; их окропляли в знак очищения священной водой, и они
расходились, выслушав формулу отпуска: ilicet - «можно уходить». Оставались только
родственники, на которых лежала обязанность собрать обгоревшие кости. Обряд
этот подробно описан в элегии, ошибочно приписываемой Тибуллу. Вымыв руки и
воззвав к Манам покойного, начинали собирать его кости. Их полагалось облить
сначала вином, а затем молоком; потом их обтирали досуха полотном и клали в
урну161 вместе с разными восточными ароматами. Это собирание костей
ство Цицерона Заслуживает, конечно, большего доверия. Цезарь произнес похвальное слово над
своей теткой Юлией; это стало обычаем не только в императорской фамилии, но и среди Знати.
159 По Законам Двенадцати Таблиц внутри города нельзя было ни хоронить, ни сжигать умерших.
Правом погребения в городе пользовались весталки, а позднее - императоры. Честь погребения
на Марсовом Поле присуждалась особым разрешением сената; Здесь похоронены были Цезарь, Сул-
ла, консулы Гирций и Панса, погибшие при Мутине в 43 г. до н.э. Урна с пеплом Траяна была
поставлена в цоколе его колонны.
Делали это, конечно, водой, и только в случаях крайнего расточительства обливали
потухающие угли вином. По Законам Нумы этого нельзя было делать. Оба места, где говорится о
поливании вином, - относятся к окроплению собранных костей.
161 Погребальные урны были разной формы и делались из разного материала. Бедные люди покупали
обычно глиняные; в гробнице Неволей Тихе в Помпеях стояло три стеклянных урны, поставленных,
как в футляр, в свинцовую посудину соответственной формы. Были урны алебастровые и мрамор-
(ossilegium) совершалось в самый день похорон, и тогда же происходило
очищение семьи и дома покойного, оскверненных соприкосновением с мертвым телом:
устраивался поминальный стол у самой могилы, в «могильном триклинии», если он
был, а если его не было, то просто на камнях или на земле. Обязательным
кушаньем на этих поминках было silicernium, какой-то вид колбасы; могила
освящалась закланием жертвенной свиньи. Дома в жертву Ларам приносили барана.
Урна с остатками костей в свинцовой посудине из римского захоронения.
Девять дней после похорон считались днями траура; в течение их родственники
умершего ходили в темных одеждах; их ни по какому делу не вызывали в суд, и
возбуждать вопросы о наследстве в это время считалось неприличным. На девятый
день на могиле приносили жертву (sacrificium novendiale), состав которой был
строго определен: тут могли быть яйца, чечевица, соль, бобы. Дома устраивали
поминальный обед (cena novendialis), за который садились уже не в траурной
одежде (Цицерон очень упрекал Ватиния за то, что он явился на такой обед в
темной тоге); у Петрония Габинна приходит с поминального обеда «в белой
одежде... , отягченный венками; благовония стекали у него по лбу в глаза». Люди
знатные и богатые устраивали иногда в память своих умерших угощение для всего
города. Такой обед Фавст, сын Суллы, дал в память своего отца, а Цезарь - в
память своей дочери. Обычай этот отнюдь не ограничивался столицей; надписи
засвидетельствовали его для ряда городов Италии. Случалось, что вместо обеда
народу раздавались просто куски мяса (visceratio); Марк Флавий разослал
жителям Рима порции мяса на помин его матери (328 г. до н.э.) ; то же сделал Тит
Фламиний по смерти своего отца (174 г. до н.э.). При империи раздачу мяса
Заменили раздачей денег. Игры в память покойного (обычно гладиаторские) часто
устраивались тоже в этот самый день, почему и назывались ludi novendiales.
Умершего не забывали; память о нем свято соблюдалась в семье. Его
обязательно поминали в день рождения и смерти, в «праздник роз» (rosalia), в «день
фиалки» (dies violae), в праздник поминовения всех умерших (parentalia)162.
Поминали умершего иногда еще и в другие дни: все зависело от того, что
подсказывало чувство оставшихся. Римляне были вообще очень озабочены тем, чтобы
увековечить свою память: неоднократно встречаются надписи, в которых
говорится, что такой-то оставил определенную сумму денег, чтобы на проценты с них в
ные. Прах Траяна находился в Золотой урне. Чаще всего они имели форму высокого горшка,
суживающегося книзу; иногда их делали в форме сундучков.
162 Праздник роз справляли в память умерших: устраивали поминки на могилах, осыпали могилы
розами и раздавали их участникам поминок. Определенного числа для этого праздника не было; он
должен был только приходиться на сезон роз - на май или на июнь. Паренталии справляли в
феврале (с 13-го по 21-е число); по преданию, их установил Эней в память своего отца. Это был
праздник поминования di parentum, духов умерших предков, которые считались покровителями
семьи ; к ним обращались с молитвой. «Когда я умру, - писала Корнелия Гаю Гракху, - ты будешь
чтить меня (parentabis mihi) и взывать, как к божеству». Когда и каким образом этот семейный
праздник превратился в общегосударственный, мы не Знаем.
определенные дни устраивались по нем поминки. На могиле совершали возлияния
водой, вином, молоком, оливковым маслом, медом; клали венки, цветы, шерстяные
повязки; поливали могилу кровью принесенных в жертву, обязательно черных
животных. Созывался широкий круг друзей. Урс, первый, кто сумел играть
стеклянным мячом «при громком одобрении народа», приглашает собраться на свои
поминки игроков в мяч, любовно украсить его статую цветами и «совершить возлияния
черным фалерном, сетинским или цекубским вином». Доходы с одной части инсулы
определяются на то, чтобы ежегодно четыре раза в год - в день рождения, в
розарии, в день фиалки и в паренталии - поминали умершего, принося жертвы на
его могиле, а кроме того, ежемесячно, в календы, ноны и иды, ставили на его
могиле зажженную лампаду. Покойному ставили трапезу (cena leralis) из овощей,
хлеба, соли, бобов и чечевицы, а родственники устраивали тут же у могилы
поминальное угощение.
В надписях, высеченных на памятниках, часто встречается обращение к
проходящим мимо с просьбой остановиться и сказать приветственное слово. Авл Геллий
приводит эпитафию, которую сочинил для себя поэт Пакувий (220—132 гг. до
н.э.): «Юноша, хотя ты и торопишься, но этот камень просит тебя - посмотри на
него и прочти потом, что написано: „Здесь лежит прах поэта Марка Пакувия"; я
хотел, чтобы ты не оставался в неведении этого. Будь здоров». А вот еще
диалог между прохожими и умершим: «"Привет тебе, Виктор Фабиан". - „Да
вознаградят вас боги, друзья, и да пребудут они милостивы к вам, странники, за то,
что вы не проходите мимо Виктора Публика Фабиана, не обращая на него
внимания. Идите и возвращайтесь здравыми и невредимыми. А вы, украшающие меня
венками и бросающие здесь цветы, да живете долгие годы"». Чудаков вроде Пропер-
ция, который желал, чтобы его похоронили в лесной глуши или среди неведомых
песков, было немного. Гробницы были устроены вдоль всех дорог, шедших в
разных направлениях от Рима. На Аппиевой дороге находились памятник Цецилии Ме-
теллы, жены триумвира Красса, усыпальницы Сципионов и Метеллов, могила
Аттика , гробницы императоров Септимия Севера и Галлиена. На Латинской дороге был
похоронен Домициан; на Фламиниевой дороге в XVIII в. нашли высеченную в скале
семейную гробницу Назонов, особенно интересную своей живописью. Между
Аппиевой и Латинской дорогами открыто было несколько важнейших колумбариев. В Пом-
пеях могильные памятники тянутся вдоль всех дорог, вливающихся в город.
Дорога на Геркуланум производит впечатление правильно разбитой кладбищенской
аллеи .
т
L
Памятник с погребальной надписью с римской могилы.
Могилы устраивались самым различным образом. Место, где был похоронен один
человек, и которое только для него и было предназначено, отмечали двумя или
четырьмя каменными столбиками по углам могилы или плоской каменной плитой (в
середине ее часто проделывали углубление, в которое лили жидкости; сама плита
служила столом для поминальных трапез, почему «столом» - mensa и называлась).
Родовые и фамильные гробницы представляли собой часто большие сооружения с
несколькими комнатами; в одной стояли урны с пеплом или саркофаги; в другой
собирались в поминальные дни друзья и родственники покойного, и так как
поминки включали и угощение для живых, то нередко при могилах устраивались и
кухни, упоминаемые во многих надписях. Тримальхион желал, чтобы вокруг его
могилы (а памятник его занимал 100 римских футов в длину и 200 в ширину) были
насажены всевозможные плодовые деревья и лозы. Параллелью к этому месту может
служить цитата: упоминаемое здесь место, отведенное под погребение,
представляет собой настоящий сад, где насажены «всякого рода лозы, плодовые деревья,
цветы и разная зелень»163. Место погребения называется в надписях иногда
«огородом», иногда «именьицем»; упоминаются вино, овощи и цветы, с него
полученные. Такие участки обводились стеной; присмотр за могилой и за садом
поручался обычно отпущеннику умершего, который тут же и жил. «Я позабочусь, чтобы по
смерти не потерпеть мне обиды, - говорит Тримальхион, - поставлю охранять мою
могилу кого-нибудь из отпущенников, чтобы люди не бежали гадить на мой
памятник». Он желает украсить этот памятник разными рельефами и заказывает
изобразить корабли, плывущие на всех парусах, разбитую урну и над ней плачущего
мальчика, а посредине часы: «...кто ни посмотрит - хочешь - не хочешь, -
прочтет мое имя». Тут же будут стоять две статуи - его и Фортунаты (жены) с
голубкой в руках и песиком на сворке164.
Одна из сохранившихся римских гробниц.
Д. Цецилий Виндекс устраивает около могилы своей бабки сад, окруженный стеной. Около
калитки в стене находилось помещение для сторожа; ср. еще Завещание Флавия Синтрофа.
164 Все это подробности, Заимствованные из действительной жизни. На могиле Истацидиев в Помпе-
ях были поставлены статуи умерших; памятник Умбриция Скавра был украшен рельефами,
изображающими сцены гладиаторских игр; на памятнике Неволей Тихе изображен корабль, входящий в
гавань .
Похороны бедных людей лишены были всякой парадной пышности и происходили
обычно в ночное время. Умершего выносили или ближайшие родственники, или
наемные носильщики (vespillones). Труп клали в ящик, снабженный длинными
ручками (sandapila); в таком ящике носильщики вынесли тело Домициана. Несколько
свечей и факелов слабо освещали погребальное шествие; не было ни музыки, ни
толпы, ни речей. Совершенных бедняков, людей без роду и племени и «дешевых
рабов», хоронили в страшных колодцах (puticuli), куда трупы сбрасывали
«навалом» . Они находились на Эсквилине, пока Меценат не развел здесь своего парка.
В 70-х годах прошлого столетия найдено было около 75 таких колодцев: это
глубокие шахты, стены которых выложены каменными плитами (4 м в длину и 5 м в
ширину).
Состоятельные люди устраивали обычно гробницу не только для себя, но и «для
своих отпущенников и отпущенниц и для потомков их» (обычная формула в
надписях на памятнике). Если этих отпущенников было много, то патрон уделял в
своем могильнике место для наиболее близких ему; остальные должны были
позаботиться о месте для погребения сами. Если они не обладали такими средствами,
чтобы сделать себе отдельную гробницу, и не желали быть выброшенными в общую
свалку, то им надлежало обеспечить себе место в колумбарии. Члены
императорской семьи и богатые дома строили колумбарии для своих отпущенников и рабов.
Это были четырехугольные, иногда круглые здания со сводчатым потолком;
подвальная часть колумбария уходила довольно глубоко в землю, а верхняя
строилась из камня и кирпичей. По стенам в несколько параллельных рядов шли
полукруглые ниши вроде тех, которые устраивались в голубятнях, почему название
голубятни - columbaria - было перенесено и на эти здания. В полу каждой ниши
делали два (редко четыре) воронкообразных углубления, в которые ставили урны
с пеплом покойного таким образом, чтобы из углубления выдавались только
верхний край урны и ее крышка. Над каждой нишей находились дощечки, обычно
мраморные, с именами лиц, чей прах здесь покоился165.
Один из самых больших римских колумбариев, в котором могло поместиться не
меньше 3000 урн, был выстроен на Аппиевой дороге для рабов и отпущенников
Ливии, жены Августа. Он был найден в 1726 г.; в настоящее время от него почти
ничего не осталось, но сохранились его зарисовки и план, сделанные Пиранези.
Здание представляло собой прямоугольник, в котором имелись четыре полукруглых
углубления и четыре квадратных. Из одной такой ниши лестница вела во второй
этаж значительно меньших размеров. Другой колумбарий, найденный в 1840 г.,
служил местом погребения от времен Тиберия и до Клавдия. Посередине его
находился большой четырехугольный пилон, в стенах которого тоже были проделаны
ниши. Интересен еще один колумбарий времени Августа. Это прямоугольное здание
с абсидой - вдоль его стен идут часовенки разной величины с нишами,
расположенными в два или в три этажа. Фронтоны этих маленьких храмиков и колонны их
расписаны рисунками и орнаментами, иногда превосходными: видимо, каждый, кто
приобретал здесь место для себя или своих родных, стремился украсить его в
меру своих сил и возможностей. Потолок был расписан арабесками с растительным
орнаментом.
Оба этих колумбария находились первоначально за пределами города, на
развилке Аппиевой и Латинской дорог, но в III в. н.э. оказались внутри Аврелиа-
новой стены. Здесь же были колумбарии Марцеллы и сыновей Нерона Друза - тот и
другой от времен Августа и Тиберия. На Аппиевой дороге были выстроены
колумбарии Волузиев, Цецилиев, Карвилиев, Юниев Силанов; снаружи, над главным
входом помещалась мраморная доска с именем того, кому принадлежал колумбарий.
Колумбарии были Заимствованы римлянами, по-видимому, от этрусков. Во многих местах
Этрурии, в окрестностях городов, скалы покрыты рядами таких ниш; около Тосканеллы в стенах
скалистых гротов они идут сплошь параллельными рядами.
Недалеко от Пренестинской и Тибуртинской дорог находился колумбарий Статилиев
Тавров, построенный еще в конце республики. Многочисленные надписи из этих
колумбариев дают богатый материал для характеристики хозяйства богатых домов
и рабского населения, которое их обслуживало.
Хозяевами колумбариев оказывались иногда погребальные коллегии (collegia
funeraticia), которые покупали уже выстроенный колумбарий или сами строили
его для своих членов. Целью этих коллегий было доставить пристойное
погребение всем, кто входил в их состав: членами могли быть и свободные, и рабы, и
отпущенники; требовалось только аккуратно вносить месячный взнос, а при
вступлении уплатить определенную сумму. Желавшие вступить в такую коллегию в Ла-
нувии (теперь Лавинья) должны были внести при зачислении в члены 100
сестерций и уплачивать ежегодно взнос 15 сестерций (по 5 ассов в месяц). Деньги эти
составляли казну общества (area), и на них сооружался колумбарий; они шли
также на его исправное содержание, на похоронные издержки (funeraticium).
Члены коллегии делились на декурии (десятки); во главе каждой стоял декурион;
в коллегии был свой жрец, казначей, секретарь, рассыльный. Председатель,
избиравшийся на пять лет, именовался квинквенналом; он созывал общее собрание,
под его руководством и с его совета решались все важнейшие дела общества. Его
ближайшими помощниками были кураторы (curatores), ведавшие постройкой
колумбария и его ремонтом, а также тем, кому сколько ниш принадлежало и в каком
месте колумбария они находились. У коллегии были свои покровители-патроны,
помогавшие коллегии своим влиянием в официальных местах, дарившие ей землю
или крупные денежные суммы.
Колумбарий, выстроенный на средства коллегии, был собственностью всех ее
членов. Каждый из них получал по жребию известное число ниш, которыми он мог
распоряжаться по желанию: дарить их, продавать, завещать кому хотел. В
колумбариях имелись места, считавшиеся особенно почетными; это были ниши нижних
рядов, наиболее удобные для свершения всех церемоний погребального культа; их
коллегия постановляла дать людям, которые оказали ей особо важные услуги.
Была еще третья категория лиц, строивших колумбарии, - спекулянты, которые
составляли общество (societas), вносили свои паи, кто больше, кто меньше, а
когда на эти деньги был выстроен колумбарий, то в соответствии с величиной
пая каждый член получал по жребию определенное число ниш, которыми и торго-
Сохранившаяся часть колумбария.
вал, норовя, разумеется, получить возможно больший барыш.
Сохранившиеся погребения знатных римлян.
Колумбарии, могилы и могильные памятники были loca religiasa, т. е. такими,
которых самая природа их защищала от всякого осквернения. Не только тот, кто
выбрасывал прах покойника и разрывал могилы, рассчитывая ограбить их,
совершал тяжкое преступление; повинен в нем был и тот, кто ломал памятник, чтобы
использовать камень для стройки, сбивал с него украшения, вообще каким бы то
ни было образом портил его. За такие действия налагались тяжелые наказания,
иногда даже смертная казнь.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ.
ГЛАДИАТОРЫ
Гладиаторские игры возникли из тризны, которую устраивали по умершему в
убеждении, что он будет радоваться кровавому поединку. У этрусков такой
поединок был высокой честью, которую воздавали знатному покойнику; от них этот
обычай перешел и к римлянам. Заимствовали они его поздно, и первые
гладиаторские игры были очень скромны: в 264 г. до н.э. на поминках по Бруту Пере,
которые устроили его сыновья, билось три пары гладиаторов; ареной для них
послужил Коровий рынок. Вторично о гладиаторских играх мы услышим только
полвека спустя, в 215 г. до н.э. «в память М. Эмилия Лепида, дважды консула и
авгура, трое сыновей его дали на Форуме погребальные игры (ludi funebres); они
продолжались три дня и выступало на них двадцать две пары гладиаторов». Это
название «погребальные игры» определяет первоначальный характер гладиаторских
боев (так же как и другое название их: minus - «долг», «обязанность») : они
часть поминок; устраивают их в память о дорогом умершем люди к нему близкие.
Только в 105 г. до н.э. они введены в число публичных зрелищ, об устроении
которых обязаны были заботиться магистры. Это не исключало, однако, права
частных лиц устраивать их в качестве тризны. Цезарь дал их в память своего отца
в 65 г. до н.э. и своей дочери Юлии - в 45 г. (такая честь женщине оказана
была впервые), Август в 6 г. до н.э. - в память своего зятя и одного из луч-
ших своих помощников, Агриппы.
Зрелище пришлось по вкусу; Теренций вспоминал, как на первом представлении
его «Свекрови», когда прошел слух, что будут гладиаторы, то «народ полетел,
крича, толкаясь, дерясь за места». В конце республики дать блестящие
гладиаторские игры - значило привлечь к себе все сердца и обеспечить голоса на
выборах. В 63 г. до н.э. в консульство Цицерона и по его предложению был
проведен закон, запрещавший кандидату, искавшему звания магистрата, давать эти бои
в течение двух лет, предшествующих избранию. Закон этот на магистратов, уже
избранных, не распространялся: Цезарь, будучи эдилом, вывел 320 пар
гладиаторов , но, по словам Светония, он хотел дать зрелище более грандиозное, но ему
помешали: «...враги его перепугались при виде такого количества, набранного
отовсюду, поэтому было издано постановление, определявшее число гладиаторов,
превышать которое никому в Риме не разрешалось». Императоры косо смотрели на
право магистратов устраивать эти роскошные зрелища и поторопились его
ограничить: Август в 22 г. разрешил давать их только преторам дважды в год, причем
выпускать на арену не больше 120 человек; Тиберий либо подтвердил этот указ,
либо еще урезал количество гладиаторов. Клавдий отобрал от преторов это право
и дал его только квесторам, за которыми оно и было закреплено Домицианом.
Отныне квесторы обязаны были ежегодно в декабре устраивать в течение десяти
дней гладиаторские бои; иногда по просьбе народа Домициан выпускал на арену
еще две пары бойцов из своей гладиаторской школы; они выступали последними в
роскошных доспехах. Каждый римский гражданин (в том числе и магистрат, но в
качестве частного лица) мог устроить гладиаторские игры, причем каждый раз он
обязан был испрашивать специальное разрешение, которое давалось сенатским
постановлением; число гладиаторов и количество дней для игр регламентировалось.
Все это не распространялось, разумеется, на императоров, и тут в устройстве
этих страшных зрелищ меры не было. Август, перечисляя свои деяния, наряду с
победами и завоеваниями упоминает, что он восемь раз давал гладиаторские
игры, в которых участвовало около 10 тыс. человек. На празднествах, устроенных
Траяном в 107 г. после победы над даками и длившихся четыре месяца, выступало
10 тыс. гладиаторов, т. е. столько же, сколько за все царствование Августа.
Обычными поводами для устройства игр были какие-нибудь знаменательные
годовщины в императорском доме или открытие какого-либо общественного сооружения.
Устройством их ведали или императорские отпущенники, получавшие это
специальное задание, или особые «кураторы игр» (curatores munerum), обычно всадники,
которым и поручалась организация всего зрелища.
Можно было устраивать гладиаторские игры и ради дохода. В 27 г. н.э.
отпущенник Атилий построил в Фиденах деревянный амфитеатр, «предприняв это дело
ради грязной наживы»: он рассчитывал, что на гладиаторские бои в этом городке
соберется немалое число римских жителей, которых Тиберий этим зрелищем не
баловал (Фидены отстоят от Рима километрах в семи). Действительно, в первый же
раз собралась огромная толпа; наспех, кое-как сколоченные ряды сидений
рухнули, и 50 тыс. человек были убиты и перекалечены. После этого несчастья
сенатским постановлением запрещено было устраивать гладиаторские бои тем, кто не
имел всаднического ценза (400 тыс. сестерций), и строить амфитеатры без
предварительного обследования, «прочна ли почва». Вряд ли, однако, это
постановление соблюдалось по всей строгости; Вителлий продал своего любимца Азиатика
«бродячему ланисте», т. е. владельцу гладиаторов, который со своими
гладиаторами переходил из одного местечка в другое и, конечно, большими средствами не
обладал. Поэтому можно думать, что требование высокого ценза распространялось
только на людей, которые собирались строить амфитеатр, и не касалось тех, кто
пользовался уже выстроенным и был занят устройством только игр, а не места
для них (это тем более вероятно, что для гладиаторского поединка не
требовался обязательно амфитеатр: он мог состояться на городской площади, а то и где-
нибудь на городской окраине, было бы только ровное место).
Во времена республики многие богатые и знатные люди формировали из своих
рабов гладиаторские отряды: удобно было иметь в своем распоряжении (особенно
в последний век республики) эту вооруженную охрану. Если хозяин хотел
устроить игры, у него оказывались под рукой свои гладиаторы; их можно было и
предоставить какому-нибудь устроителю игр, получив с него за это деньги. Самая
старая из известных нам гладиаторских школ находилась в Капуе и принадлежала
Аврелию Скавру (консулу 108 г. до н.э.). Там же находилась школа Лентула Ба-
тиата, из которой в 73 г. до н.э. бежало 200 рабов со Спартаком во главе.
Аттик купил отряд хорошо обученных гладиаторов; Цицерон писал ему, что если он
даст их по найму для боя, то после двух представлений он вернет свои деньги.
Сулла держал гладиаторов; у Цезаря была гладиаторская школа в Капуе, и за
несколько часов до перехода через Рубикон он рассматривал план другой школы,
которую собирался построить в Равенне. По-видимому, Флавии запретили держать
кому бы то ни было гладиаторов в Риме, но на остальную Италию этот запрет не
распространялся. Существовала целая категория людей, для которых содержание и
обучение гладиаторов было профессией - их называли ланистами. Аттика его
коммерческие операции с гладиаторами ничуть не позорили, но ланиста, так же как
и сводник, считался человеком запятнанным, а занятие его - зазорным. Обойтись
без его услуг не мог, однако, ни магистрат, ни частный человек, дававший
игры . Ланиста покупал и опытных гладиаторов, и рабов, которые у него обучались
гладиаторскому искусству, продавал их и отдавал в наем устроителям игр.
Иногда такому ланисте отдавали в науку своих рабов несколько хозяев; у некоего
Сальвия Капитона их обучалось 19 человек, и только один был его
собственностью; остальные принадлежали разным хозяевам.
Состав гладиаторов был пестрый и по социальному составу (рабы, свободные от
рождения, отпущенники), и по нравственной окраске (были среди них люди
порядочные, были и преступники). К гладиаторскому званию можно было присудить,
как присуждали к каторжным работам в рудниках; только смертная казнь была
страшнее. Осужденного отправляли в гладиаторскую школу, где он обучался
обращению с оружием, после чего выходил на арену. Если по прошествии трех лет он
оставался жив, его освобождали от выступлений в амфитеатре, но он должен был
еще два года прожить в школе, после чего получал уже полное освобождение.
Биться на арену часто посылали военнопленных; после взятия Иерусалима Тит
отправил часть евреев в египетские каменоломни, а часть распределил между
амфитеатрами .
Хозяин мог отправить раба в гладиаторскую школу и за вину и без вины - воля
его была тут полной. Адриан ограничил этот произвол166: с этого времени нельзя
было сделать раба гладиатором без его согласия; оно не требовалось только,
если раб совершил преступление, за которое хозяин наказывал его гладиаторской
школой.
Были среди гладиаторов и люди свободные. Ученики риторских школ часто
писали сочинения на тему о благородном юноше, который, жертвуя честью и добрым
именем, нанимался в гладиаторы, чтобы помочь другу или предать отцовский прах
честному погребению. Подобные случаи в действительности встречались крайне
редко; свободный человек становился гладиатором обычно по соображениям
житейским, по расчету чисто материальному. Бедняка, которому негде было преклонить
голову, гладиаторская школа соблазняла даровым кровом и готовой едой, манила
надеждой на удачу, на обогащение, на сытую жизнь в будущем. Удальцы, в
которых кипел избыток сил и которые не находили им честного применения, мечтали о
«...Запретил продавать раба ланисте, не представив причины»; очевидно, хозяин должен был
«представить причину» на суд магистрату, вероятнее всего префекту города, в чью компетенцию
входил разбор жалоб хозяина на раба и раба на хозяина.
блестящих победах и опьяняющей славе, ждущей их на арене. Гладиатор, существо
презираемое, зачисленное в разряд infames - «опозоренных»: он не может стать
всадником, быть декурионом в муниципии, выступать в суде защитником или
давать показания по уголовному делу; ему отказано, как самоубийце, в почетном
погребении. И в то же время он оказывался предметом восхищения и зависти: о
гладиаторах говорят на рыночных площадях и во дворцах; ими интересуется весь
Рим - от уличных мальчишек до Горация и Мецената; юноши из знатных семейств
приходят учиться у них фехтованию; сами императоры посещают гладиаторские
школы. Художники украшают памятники, дворцы и храмы картинами и мозаиками,
увековечивающими гладиаторов; на предметах повседневного обихода, на блюдах,
кубках, светильниках, печатках изображают гладиаторов и сцены из их жизни.
Богатые подарки, которыми осыпают победителя, сулят ему по благополучном
окончании гладиаторской карьеры обеспеченное существование. Все это
привлекало, заставляло забывать о темных и страшных сторонах гладиаторского
существования. Законодательство поэтому ставило перед человеком, по своей воле и
своему выбору обратившемуся к ланисте, ряд заслонов, которые заставили бы его
одуматься и остановиться. Доброволец должен объявить народному трибуну свое
имя, возраст и получаемую от ланисты сумму; трибун мог не согласиться на
заключение условия, если считал добровольца негодным для гладиаторского ремесла
по возрасту или по физическому складу и состоянию здоровья. При заключении
условия новобранец получал деньги ничтожные: не больше 2 тыс. сестерций по
закону. За эту жалкую сумму человек продавал свою жизнь и свою свободу - было
о чем подумать! И надо было еще произнести перед магистратом клятву, которой
новобранец формально отрекался от прав свободного человека, вручая своему
новому хозяину право «жечь его, связывать, бить, убивать железом».
Если ланиста и не пользовался этим правом, - формула, его утверждавшая,
имела скорее символическое, чем реальное содержание: убивать и калечить
людей, доставлявших ему заработок, ланисте было, конечно, невыгодно, но, во
всяком случае, дисциплина у них была жестокой. С них не спускали глаз;
императорские школы охранял военный караул; в карцере помпейской гладиаторской
школы были найдены колодки - орудие наказания страшное: это деревянная доска
с набитой на нее железной полосой, к которой прикреплены вертикально стоящие
кольца; сквозь них пропускалась железная штанга, наглухо закреплявшаяся с
обеих сторон замком. Ноги наказываемого клали между кольцами, продевали через
все кольца штангу и запирали замки: человек мог только лежать или сидеть и то
лишь в одном положении; это была настоящая пытка.
Ланиста был озабочен и тем, чтобы держать свою «фамилию» в строгом
повиновении, и тем, чтобы она была здорова и сильна. Гладиаторов кормили сытно
(большое место в пищевом рационе занимали бобовые), после упражнений их
массировали и натирали маслом, раненого гладиатора усердно лечили. Знаменитый
Гален был очень доволен, когда его еще молодым человеком пригласили врачом
при гладиаторской школе.
Мы можем представить себе план и внешний вид гладиаторской школы по
остаткам в Помпеях: большой прямоугольник двора окружен портиком (55 м длиной, 44
м шириной); в портик выходят комнатки двухэтажного Здания, открывающиеся во
двор (комнатки верхнего этажа выходили на галерею, обращенную тоже в сторону
двора) и без окон. Каморки в 4 м2; общее число их в обоих этажах, возможно,
равнялось 66, ив крайнем случае в каждой каморке можно было поместить на
ночь по два человека. Большой открытый двор служил местом для упражнений;
имелись большая кухня, открытая комната (экседра), откуда можно было следить
за тем, что делается во дворе (любителей поглядеть, как упражняются
гладиаторы, было немало), большая столовая рядом с кухней. Широкая лестница вела во
второй этаж, вероятно, в помещение ланисты и его помощников. Возможно,
правда, что здание было выстроено для временного размещения гладиаторов, которых
нанимали устроители игр167. Не исключена, однако, возможность постоянного
пребывания в городе гладиаторского отряда; в Пренесте такая школа была выстроена
для города одним из его граждан, и то обстоятельство, что в 67 г. н.э.
гладиаторы попытались оттуда бежать, а некий Филомуз завещал городу десять пар
гладиаторов, позволяет думать, что в некоторых италийских городах были свои
гладиаторы, которые и жили в этих специальных казармах.
Руины гладиаторской школы в Помпеях.
В Риме было четыре императорских школы. В Утренней школе (ludus Matutinus)
обучались гладиаторы, которые должны были сражаться со зверями. Школа
называлась так потому, что звериные травли происходили по утрам. Около Колизея
находилась Большая школа (ludus Magnus). Мраморный План позволяет довольно
отчетливо представить себе это здание. План его очень напоминает план помпей-
ской школы: тоже внутренний двор, окруженный колоннадой, на которую выходят
комнатки гладиаторов. Только во дворе устроена арена, в миниатюре
представляющая арену Колизея: гладиатора обучавшегося здесь, Колизей не должен был
испугать своим непривычным видом. Поблизости находились: spoliarium, куда
приносили с арены убитых, и samiarium - мастерская, где изготовляли и чинили
орудие и доспехи (в одной надписи упоминается manicarius - мастер, работавший
здесь над изготовлением железных нарукавников).
Все гладиаторское оружие хранилось в особом арсенале (armamentarium),
откуда и выдавалось только в дни игр. Ведал арсеналом императорский отпущенник -
praepositus. Во главе школы стоял прокуратор, имевший при себе помощника
(subprocurator); оба принадлежали к сословию всадников. Кроме них, надписи
упоминают «завхоза» (dispensator) Нимфодота, «раба Цезаря нашего», и курьера
- «бегуна Тигра».
Гладиаторы из императорских школ выступали не только на играх, устраиваемых
императором. Он мог любезно предоставить несколько человек магистрату, уст-
Или это было своего рода начальной гладиаторской школой.
роителю игр, мог через своих уполномоченных продавать их или отдавать в наем
устроителям игр в других городах. В Помпеях в одной надписи мурмиллон Мурран
называется «Нерониановым», а фракиец Аттик - «Юлиановым»: последний обучался,
по-видимому, в Капуе, в школе, принадлежавшей раньше Юлию Цезарю; первый
вышел из какой-то школы, устроенной Нероном. Гладиаторские школы в Риме и в
Италии, принадлежавшие императорам, были, конечно, обставлены и организованы
лучше, чем школа какого-нибудь даже богатого ланисты; подбирали туда молодца
к молодцу, обучали их тщательно, и, естественно, тем, кто устраивал игры,
хотелось заполучить оттуда хоть несколько бойцов. Гладиаторские школы были
хорошим источником дохода для императорской казны.
Новичок, пришедший в гладиаторскую школу, первоначально обучался фехтованию
и обращению с оружием разного вида: не все были вооружены одинаково, и
«техника боя» не для всех была одинаковой. Гладиаторы делились по своему
вооружению на несколько групп; по мере того как расширялось знакомство римлян с
другими странами и народами, на арене появлялись и гладиаторы с вооружением этих
народов, раньше всех с самнитским.
В 310 г. до н.э. римляне нанесли самнитам страшное поражение; кампанцы,
союзники римлян, «из гордости и ненависти к самнитам вооружили гладиаторов
самнитским убором и назвали их „самнитами"». «Убор» состоял из большого
продолговатого щита, поножи на левой ноге и шлема с высоким гребнем и султаном из
перьев. После Августа самниты исчезают; вместо них появляются секуторы и гоп-
ломахи168.
Имя секутора встречается впервые при Калигуле, у него вооружение самнита, и
противником его является обычно ретиарий, только шлем у него более плоский,
без султана и без широкого обода, которые давали бы возможность ретиарию
легко зацепить секутора сетью. Гопломах вооружен так же, как самнит, только щит
у него больше.
Бой ретиария и секутора. Фреска.
Ретиарий получил свое имя от главного своего оружия - сети (rete), которую
К императорскому времени от самнитов как самостоятельного племени ничего не осталось:
почти все они были уничтожены в Союзническую войну. Название «самнит» теперь ничего не
говорило , и его Заменили более понятными.
он набрасывал на противника, стремясь его опутать, лишить свободы движения и
затем повалить. У него нет ни щита, ни шлема, на левой руке надет кожаный
рукав и особой формы наплечник, который защищает руку до локтя и высоко
поднимается над плечом, так что может служить защитой и для головы. Кроме сети,
ретиарию дают трезубец (иногда копье) и кинжал.
Во время войн Суллы на Востоке в плену оказалось много фракийцев, служивших
в войске Митридата, и устроителям игр пришла мысль выпустить гладиаторов-
"фракийцев". У них был маленький щит, иногда круглый, чаще квадратный,
небольшая сабля с лезвием, изгибавшимся под тупым, а иногда и под прямым углом,
железный нарукавник на правой руке, поножи на обеих ногах, а иногда еще и
ремни, защищавшие ногу выше колена. Шлем носили они очень разной формы:
иногда это просто металлическая шапочка с ободом, но без забрала, иногда забрало
закрывало все лицо, и чтобы можно было видеть, в нем пробивали множество
отверстий .
«Фракиец» боролся обычно с гопломахом или с «галлом», другим названием
которого стало впоследствии «мурмиллон». По мнению одних, «галлы» появились на
арене после завоевания Галлии Цезарем; по мнению других, - значительно
раньше, со времени знакомства с цизальпинскими галлами. Первоначально между их
вооружением и вооружением мурмиллона была какая-то неизвестная нам разница,
возможно, столь незначительная, что оба названия уже в I в. н.э. стали
синонимами . Слово «мурмиллон» происходит от имени морской рыбы (murma, mormyros,
mormyllos), которая изображалась на их шлеме. Противниками мурмиллонов часто
были ретиарии. «Не тебя ловлю, а рыбу; убегаешь зачем, галл?» - поет ретиарий
вслед увернувшемуся от его сети мурмиллону: кровавая схватка представлялась в
виде мирной рыбной ловли.
Бой мурмиллона и ретиария. Фреска.
Следует назвать еще пегниариев (от греческого paignion - «игра»). Эти люди
не боролись насмерть: оружие у них было невинное - палка или кнут; после
поединка оба противника уходили, конечно, в синяках и ссадинах, но без тяжелых
ран". Пегниарий из Большой школы дожил до 90 лет - случай для настоящих
гладиаторов неслыханный. Костюм у пегниариев, судя по мозаике из Неннига (около
Трира), был очень своеобразный: или длинные штаны, прихваченные ниже колен
обмотками, или нечто вроде современного комбинезона, перехваченного поясом. В
левой руке у них был продолговатый посох, в другой - палка или кнут.
Выпускали пегниариев на арену обычно в полдень; их поединок был как бы интермедией
между двумя бойнями: охотой, которая происходила в амфитеатре утром, и
гладиаторскими боями во второй половине дня169.
Сражались на арене всадники и колесничники (essedarii); бои на колесницах
вошли в обиход амфитеатра после похода Цезаря в Британию.
Доспехи гладиаторов состояли, как мы видели, из наручей, поножей, шлема,
ременных обмоток; ни у кого из них нет панциря, спина и грудь совершенно
обнажены, живот прикрыт только матерчатыми трусами, перехваченными широким
поясом, на котором часто имеются железные пластинки. Гладиатор мог закрыться
только щитом, и если он не сумел или не смог этого сделать, то все кончено, -
жизнью гладиатора не дорожили, как жизнью солдата, и его смерть для зрителей
- только источник развлечения.
Юноша, поступивший в гладиаторскую школу, проходил курс обучения,
специальный для каждого вида оружия; ретиария обучали иначе, чем фракийца или
мурмиллона. В надписях упоминаются учителя («доктора») секуторов, мурмиллонов, гоп-
ломахов и фракийцев, которые, по всей вероятности, были сами раньше
гладиаторами. Под их руководством новичок обучался фехтованию: ему давали деревянный
меч и щит, сплетенный из ветвей ивы; мишенью служил деревянный кол высотой 6
футов (римский фут - 29.57 см), крепко вбитый в землю. Ученик должен был
выучиться, во-первых, тому, чтобы никак не раскрываться, а во-вторых, умению
точно и быстро наносить удары в те места кола, на которых были отмечены
голова и грудь противника. Иногда для этих упражнений выдавалось оружие более
тяжелое , чем то, которым ему придется действовать на арене: пусть укрепляет
свои мускулы. Настоящее, железное, острое оружие гладиаторы получали только
перед выступлением на арене.
Гладиаторские игры начинались парадным шествием гладиаторов по арене; затем
часто разыгрывался мнимый поединок, в котором сражающиеся показывали только
свою ловкость и умение фехтовать, так как бились «игрушечным орудием»
(деревянным - arma lusoria); затем на арену вносили настоящее оружие, и тот, кто
давал игры, проверял его качество. Один из застольников Тримальхиона с
восторгом ожидает игр, которые будут длиться на праздниках три дня: «...наш Тит...
оружие даст превосходное; убежать - это шалишь - бейся насмерть; пусть весь
амфитеатр видит». Раздавался звук трубы или рога, и сражение начиналось.
Гладиаторы бились чаще всего один на один, но бывало и так, что один отряд
выходил против другого. Зрителей эта бойня захватывала; на оробевшего гладиатора
обрушивалась буря негодования: «...народ в гневе, ибо считает для себя обидой,
что человеку не хочется гибнуть»; робких гнали в бой огнем и бичами. «Бей
Были и другие виды гладиаторского костюма и вооружения, реже встречавшиеся и о которых мы
осведомлены плохо. О scissor'е («резателе») мы ничего не Знаем; он только раз упомянут в
надписи; по поводу андабатов высказано только предположение, что на них была надета длинная
кольчуга, но сражались они с Завязанными глазами. Лаквеарий упомянут только у Исидора Се-
вильского; судя по его изображению, он был одет как ретиарий, а оружием ему служило лассо
(laqueus - «петля»), которое он накидывал на убегающих. Может быть, главным местом его
выступлений был не амфитеатр, а школа; когда во время фехтования друг с другом один из
гладиаторов , теснимый противником, обращался в бегство, лаквеарий набрасывал на него лассо и валил
на Землю. Это был наглядный урок, убеждавший в бесполезности бегства при сражении.
его! Жги! Почему так трусит он мечей? Почему не хочет храбро убивать? Почему
не умирает с охотой?».
Если гладиатор не падал мертвым на арене, но был ранен так тяжело, что
сражаться дальше уже не чувствовал сил, то он мог, бросив оружие, поднять кверху
палец левой руки или всю руку, это был жест, которым он просил о пощаде
(«отпустить» - mittere). Теперь жизнь его зависела от устроителя игр и еще больше
- от расположения зрителей. Если он понравился толпе, возбудил ее
сострадание, амфитеатр оглашался криком «missum!»; люди махали платками или поднимали
кверху пальцы. Гладиатора, не угодившего толпе, она приказывала добить,
обращая большой палец книзу (pollicem vertere) с криком «iugula!» («добей!»);
победитель всаживал нож в горло побежденного.
Случалось и так, что противники оказывались равны в силе и ловкости;
поединок длился, а победа не приходила ни к одной стороне. Тут опять могли
вмешаться зрители и потребовать, чтобы оба борца были «отпущены». О них
говорилось, что они stantes missi, т. е. избавлены от смерти тогда, когда еще,
«стояли на ногах» и могли продолжать бой. Это было меньше, чем победа, но
здесь не было и позора поражения. Победителю вручали пальмовую ветку, с
которой он обходил арену; на памятнике «фракийца» Антония Эксоха изображено
несколько таких ветвей. Кроме этой официальной награды, он получал значительные
денежные подарки; иногда его осыпали золотыми монетами, и зрители громко
считали, сколько монет упало, а иногда подносили деньги на дорогих подносах,
которые тоже шли в дар победителю. Нерон одарил мурмиллона Спикула домами и
землями.
Сколько времени оставался гладиатор в распоряжении ланисты, мы сказать не
можем: по всей вероятности, это определялось условием, по которому он вступал
в школу. Раб или выкупался на свободу, или получал ее по требованию зрителей.
Могло случиться и так, что он освобождался от обязанности выступать в
амфитеатре, но продолжал жить в школе, чаще всего на положении учителя фехтования.
В знак его нового положения ему давали деревянный тонкий меч (rudis), вроде
того, с которым упражнялись гладиаторы.
Кроме гладиаторских боев, в амфитеатре устраивались и звериные травли.
Впервые в 186 г. до н.э. «устроена была охота на львов и пантер» М. Фульвием
Нобилиором; Ливии пишет, что по обилию зверей и разнообразию зрелищ она почти
не уступала тем, которые устраивались в его время. При империи эти травли
достигли грандиозных размеров; на тех, которые давал Август, одних львов и
пантер было убито около трех с половиною тысяч, на играх, устроенных Траяном
в 107 г., - 11 тысяч. В Риме одна из императорских гладиаторских школ -
«Утренняя» - готовила специалистов-охотников. Иногда на растерзание зверям
бросали преступников; жестокость этой казни еще усугублялась неким театральным
ее оформлением. Страбон, например, рассказывает, как был казнен на его глазах
в Риме предводитель восставших рабов Селур, которого называли «сыном Этны»:
был сооружен высокий помост, на который, будто на Этну, взвели Селура; помост
вдруг рухнул и развалился, и несчастный упал прямо в клетку с дикими зверями,
поставленную под помостом. Разбойника Лавреола распяли на кресте и напустили
на него медведя; «с живых растерзанных членов кусками падало мясо»; другого
заставили играть роль Муция Сцеволы и положить руку на пылающий очаг.
Главной поставщицей диких зверей была Африка, и привозили их оттуда во
множестве. Существовало какое-то старинное сенатское постановление, налагавшее
запрет на этот ввоз, но для травли (которую до постройки амфитеатра
устраивали в цирке) сделано было исключение. М. Эмилий Скавр, будучи курульным эдилом
(58 г. до н.э.) , «вывел» 150 пантер или леопардов, Помпей - 410, а Август -
420. Сулла выпустил 120 «львов с гривами», т. е. самцов; они не были связаны,
и охотники, которых Сулле прислал мавританский царь Бокх, устроили на них
настоящую охоту. Ловлей этих животных занято было множество людей, перевозка их
была делом трудным; требовались прочные железные клетки, подходящий
транспорт , корма в количестве огромном - тысячи пудов мяса: львов и пантер свеклой
и салатом не накормишь. К сожалению, авторы наши этих вопросов почти совсем
не касаются; из позднего источника мы узнали только, что города, через
которые проезжал транспорт зверей, предназначенных для игр, устраиваемых
императором, должны были доставлять этим зверям корм, и задерживаться транспорту в
городе больше недели не полагалось.
О гладиаторских играх сообщалось заранее в «афишах» - надписях на стенах
домов и общественных зданий. Вот образцы таких надписей (они хорошо
сохранились в Помпеях): «Гладиаторы Н. Попидия Руфа будут биться с 12-го дня до
майских календ; будет звериная травля» или «Гладиаторы эдила А. Суетия Церта
будут драться накануне июньских календ».
Гладиаторские игры давались не только в Риме, но и в целом ряде италийских
городов, в которых имелись свои амфитеатры: в Нации их было, по крайней мере,
14, в Кампании - 9. Лучшим средством приобрести популярность в каком-нибудь
городке Италии было устройство гладиаторских игр. Их часто дают в
благодарность за избрание, из желания закрепить за собой доброе расположение горожан.
В Помпеях их устраивали квинквеннал Нигидий Май, эдил Суеттий Церт, фламин
Децим Валент. Луцилий Гамала, член одной из самых видных Остийских семей,
«дал гладиаторские игры». В Фастах города упоминаются и звериные травли, и
гладиаторские бои. В маленьком Ланувии эдил Марк Валерий (тот самый, который
отремонтировал мужские и женские бани) «дал гладиаторов»; в Габиях жрица Агу-
сия Присцилла «устроила изрядное зрелище игр о здравии императора Антонина
Пия, отца отечества, и детей его».
Гладиаторские бои происходили обычно в амфитеатрах. Развалины одного из
самых старых амфитеатров, помпейского, сохранились до нашего времени. Он был
построен в первой четверти I в. до н.э. Квинктием Валгом и Марком Порцием на
собственные средства в благодарность за избрание их в квинквенналы. Рассчитан
он на 20 тыс. зрителей; это амфитеатр средней величины. Большая ось всего
Здания равна 135.7 м, малая - 104 м; большая ось арены - 66.7 м, малая - 35
м. Снаружи он имеет обычную для амфитеатра форму эллипса и кажется скромным и
приземистым, потому что арена и ряд сидений расположены ниже уровня земли. Во
избежание расходов на слишком высокую стену была выкопана яма в форме очень
большой глубокой миски; дно ее служило ареной, а склоны - местом, где
устроили сиденья. Круглая каменная стена, поддерживаемая снаружи рядом аркад,
служила опорой только для третьего и отчасти для второго яруса.
При устройстве амфитеатра надо было подумать, как избежать толкотни и давки
при входе и выходе, и строители разрешили задачу, остроумно используя
внутренние коридоры и наружные лестницы. Входов было шесть; два из них (каждый
шириной 5 м) вели на арену; через них, кроме зрителей, входили гладиаторы и
через них выпускали зверей. С той стороны, с которой амфитеатр подходил
слишком близко к городской стене (с западной), вход сделали не прямо на арену, а
повернули его под прямым углом в сторону. Параллельно этому колену в той же
стороне проделали два узких прохода, которые вели в коридор, идущий вокруг
всего здания и проделанный под нижними рядами второго яруса; два таких же
прохода устроили с противоположной, восточной стороны. Коридор этот не был
сквозным: против середины большой оси с обеих сторон его перегородили глухой
стеной. Те, кто сидел на западной стороне слева, могли пользоваться только 1-
м и 3-м проходами, сидевшие справа - 4-м и 2-м; толпа, таким образом,
разбивалась на два потока: влившись в коридор, она расходилась по местам первого и
второго ярусов, куда из коридора («тайника», как называли его античные
архитекторы) вели лестницы. В третий ярус можно было подняться из второго по
лестницам, делящим ярусы на отдельные отсеки, «клинья», но гораздо удобнее было
спускаться сюда с верхней террасы, откуда вниз шли лестницы: две двойных и
две простых. Был еще один вход, узкий и темный, прямо с арены наружу: это
«смертная дверь», через которую выносили тела павших гладиаторов. Крыши над
амфитеатром не было; ее заменял тент, который натягивали в жару или в дождь и
о котором особо сообщалось в объявлениях об играх: «будет тент» (vela erunt).
Руины амфитеатра в Помпеях.
Самым большим из италийских амфитеатров был Колизей, одно из самых
замечательных зданий во всем мире; его первоначально называли «Флавиевым» по имени
строителей; название Колизея, правильнее - Колоссея, получил он не раньше XI
в. или за свои огромные размеры, или потому, что рядом стоял колосс Нерона.
Он был построен в ложбине между Велией, Эсквилином и Целием, в том месте, где
раньше находился пруд, устроенный при Золотом Доме Нерона. Постройку его
начал Веспасиан; Тит добавил третий и четвертый этажи и отпраздновал открытие
амфитеатра гладиаторскими играми и звериной травлей, которые тянулись сто
дней. Окружность Колизея равна 524 м, большая ось - 187.77 м, малая - 155.64
м; большая ось арены - 85.75 м, малая - 53.62; высота стен - от 48 до 50 м.
Он построен из крупных травертиновых блоков, соединенных железными скрепами:
для внутренней отделки брали туф и кирпич. Снаружи здание представляет три
яруса аркад; к пилястрам, на которые опираются арки, примкнуты полуколонны, в
нижнем ярусе - дорического ордера, в среднем - ионического и в верхнем -
коринфского. Над последним аркадным ярусом поднималась сплошная стена
четвертого этажа, расчлененная коринфскими колоннами на компартименты; в середине
каждого компартимента было по небольшому четырехугольному окну. Зрители входили
из-под арок нижнего этажа, помеченных цифрами от I до LXXVI, и поднимались к
своим местам по лестницам, которых было тоже 76.
Вокруг всей арены шел, в защиту от зверей, забор; за ним был узкий проход,
вымощенный мрамором. Над этим проходом находился подий (podium) - широкая
платформа, поднимавшаяся на 4 м над ареной; здесь стояли мраморные кресла для
наиболее почетных зрителей. Дальше шли ряды каменных скамей, облицованных
мрамором; их было три яруса (maeniana), и они отделялись один от другого
низким парапетом и узким коридором, который шел за парапетом. Самые верхние
места отведены были для женщин.
Пол арены, деревянный, лежал на высокой субструкции, стены которой шли:
одни параллельно большой оси, а другие - по кривой эллипса; высота их была от
5.5 до 6.08 м. Входили сюда подземными ходами, расположенными на линии осей.
Здесь стояли клетки для зверей и разные механизмы, с помощью которых на арену
выдвигали животных, людей и разные декорации.
Колизей перед Храмом Рима и Венеры.
Утверждение регионариев, что в Колизее могло разместиться 87 тыс.,
оказалось сильно преувеличенным. Гюльзен вымерял сидячие места; пространство, ими
Занимаемое, равно 68 750 римским футам (около 23 тыс. м) . Сидеть могло не
больше, чем 40-45 тыс. человек; в портике верхнего этажа могло стоять 5 ты-
170
сяч
Первый каменный амфитеатр в Риме был построен в 2 9 г. до н.э. Статилием Тавром, вероятно,
в южной стороне Марсова Поля. По-видимому, в нем было много дерева, потому что он сгорел в
64 г., и Нерон построил другой на том же самом месте. Судя по словам Тацита, Здание это не
представляло ничего Замечательного. Регионарии называют еще amphiteatrum castrense -
«амфитеатр , принадлежащий императорскому двору». Относят его ко времени Траяна. Это было большое
Здание обычной для амфитеатров эллиптической формы с осями в 88.5 и 78 м, построенное
целиком из кирпича и opus caementicium, облицованного кирпичом. Внешняя стена состояла из трех
этажей открытых аркад. При постройке Аврелиановой стены амфитеатр этот был использован в
системе укреплений.
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ.
ЦИРК
В глубокой и узкой долине между Авентином и Палатином со времен
незапамятных справлялся в честь бога Конса, охранителя сжатого и убранного хлеба,
веселый сельский праздник, существенной частью которого были бега лошадей и
мулов , находившихся под особым покровительством Конса, ибо это были животные,
свозившие урожай. Надо полагать, что рысаков между ними не имелось; бега были
не праздным развлечением, а религиозной церемонией, и ударение лежало именно
на этом; кто победит, было не так уж важно. Эти бега оказались тем зерном, из
которого развились «цирковые игры». Место, где происходили конские бега,
римляне называли «цирком», имея в виду форму этого места (circus обозначает
всякую фигуру без углов, будь то круг или эллипс)171.
Лощина между Палатином и Авентином была словно самой природой создана для
бегов: эта низинка по размерам своим (600 м длиной, 150 м шириной) вполне
годилась для конских ристаний, а склоны холмов были естественным амфитеатром,
на котором стоя и сидя располагались зрители. Предание приписывало то ли Тар-
квинию Старшему, то ли Тарквинию Гордому (существовало две версии) выбор
этого места для бегов (за ним навсегда утвердилось название Большого Цирка) и
превращение склонов Авентина и Палатина в некоторое подобие настоящего
амфитеатра. Первые, однако, точные сведения об этом цирке датируются 329 г. до
н.э. Ливии рассказывает, что в этом году на одной из открытых сторон долины
впервые были выстроены стойла (carceres), из которых выезжали колесницы, и
Энний, писавший лет сто спустя, сравнивал напряженное внимание, с каким
товарищи Ромула и Рема ожидали исхода их гадания, с жадным интересом зрителей, не
спускавших глаз с раскрашенных ворот этих стойл (они были, следовательно,
деревянные) , откуда вот-вот вылетят лошади.
Большой Цирк перед Дворцом Императоров.
Было пять «родовых» римских праздников (Римские игры, Плебейские, в честь Цереры, в честь
Аполлона, в честь Матери богов), которые включали в свой ритуал бега в цирке. Включены они
были в праздник Марса, установленный Августом 12 мая, а также в ludi augustales: праздник в
честь возвращения Августа с Востока. День рождения Августа (23 сентября) также сопровождался
цирковыми состязаниями. Кроме того, бега бывали на праздниках, устраиваемых по поводу
какого-нибудь счастливого события. Так, консул 101 г. Аррунтий Стелла отпраздновал великолепными
играми окончание войны с сарматами. В первом веке империи консулы, вступая в должность,
устраивали игры.
Долина цирка в какие-то очень отдаленные времена была центром аграрных
культов; здесь стояли жертвенники и святилища разных божеств, покровителей
земледелия. Во время бегов эти храмики обносили деревянной загородкой, вокруг
которой и неслись колесницы. В начале II в. до н.э. арену разделили пополам
продольной каменной площадкой (spina), на которую подняли эти алтарики и
часовенки и поставили еще изображения различных божеств. В 182 г. до н.э.,
накануне праздника Парилий (21 апреля, день этот считался днем основания Рима),
«почти в середине дня поднялась жестокая буря... и в Большом Цирке перевернуло
статуи и колонны, на которых они стояли». Прошло, однако, целых восемь лет,
прежде чем занялись поправкой и устройством цирка. Текст Ливия, где говорится
об этом, испещрен пропусками, но ясно, что были отремонтированы или отстроены
заново стойла, сооружен своеобразный «аппарат» для счета туров; с обоих
концов площадки (spina) поставлены тумбы (metae), вокруг которых заворачивали
колесницы, и устроены клетки для зверей (в цирке иногда бывали звериные
травли) . В 55 г. до н.э., например, Помпей устроил в цирке сражение со слонами; с
ними должен был биться отряд гетулов (африканское племя). Двадцать огромных
животных, взбесившись от боли, непривычной обстановки и воплей толпы,
повернули и "попытались убежать, сломав железные решетки (они отделяли арену от
рядов, где сидели зрители, - М. С.) не без вреда для народа". Цезарь, чтобы
обезопасить зрителей, велел прокопать вокруг арены широкий ров, который
наполнялся водой.
Окончательное устройство Большой Цирк получил при Августе, который, может
быть, только довершил то, что осталось незаконченным после Цезаря. К этому
времени (7 г. до н.э.) относится описание его у Дионисия Галикарнасского. На
обеих длинных сторонах и на одной короткой, полукруглой, были устроены в три
яруса сиденья для зрителей; в нижнем ярусе они были каменные, в двух верхних
- деревянные. Вокруг цирка шла одноэтажная аркада, где помещались различные
лавки и мастерские и где в толпе сновало много подозрительных фигур,
рассчитывавших на поживу; среди них не последнее место занимали дешевые
предсказатели - «астрологи из цирка», как их пренебрежительно обозвал Цицерон и к бор-
мотанью которых не без интереса прислушивался Гораций во время своих праздных
и счастливых прогулок по Риму. Крыши над этим огромным пространством не было,
но в защиту от солнца можно было натягивать над зрителями полотно. Против
полукруглой стороны расположены были по дуге carceres: двенадцать стойл, из
которых выезжали колесницы и которые открывались все разом. Посередине между
стойлами находились ворота, через которые входила торжественная процессия
(ротра; отсюда porta Pompae), а над воротами была ложа для магистрата,
ведавшего устройством игр; он же и давал знак к началу бегов, бросая вниз белый
платок. С обеих сторон за стойлами возвышались башни с зубцами, создававшие
впечатление крепостной стены, ограждавшей город, почему эта сторона и
называлась oppidum - «город». Напротив Ворот Помпы находились Триумфальные, через
которые выезжал возница-победитель; в 81 г. н.э. их заменила арка,
воздвигнутая в честь Тита, покорителя Иудеи. Платформа - spina (длина ее равнялась 344
м) была теперь облицована мрамором и, судя по барселонской мозаике (самому
хорошему изображению римского цирка), уставлена алтарями, храмиками, фигурами
зверей и атлетов (они, может быть, символизировали игры, которые давались в
цирке); были еще колонны со статуями Победы наверху, Великая Матерь богов,
сидевшая на льве, и два «счетчика» для счета туров: возницы должны были
объехать арену семь раз. Первый «счетчик» представлял собой как бы отрезок
колоннады: на четырех колоннах, поставленных квадратом, был утвержден архитрав, и
в него вставлено семь деревянных шаров («яиц»); после каждого тура специально
приставленный к этому делу человек поднимался по лестнице к архитраву и
вынимал одно «яйцо». В 33 г. до н.э. Агриппа, бывший в этот год эдилом, поставил
на другом конце платформы для удобства зрителей, сидевших в этой стороне,
второй «счетчик»: семь дельфинов. После каждого тура одного дельфина или
снимали, или поворачивали хвостом в противоположную сторону. Главным украшением
платформы были два египетских обелиска: один поставлен Августом, другой,
гораздо позже, - Констанцием172. У обоих концов spina стояли высокие тумбы,
напоминавшие по форме половину цилиндра, разрезанного вдоль, и на каждой из них
- по три конусообразных столбика (meta); первой метой (meta prima) называлась
стоявшая со стороны Триумфальных ворот, так как во время бегов она была
первой, которую должен был обогнуть возница173.
Страшное бедствие древнего Рима - пожары - не щадило и цирка; пожар 64 г.
начался как раз с юго-восточной его части и охватил его целиком. Горел цирк и
до этого: в 36 г. до н.э. огонь уничтожил всю его авентинскую сторону, но ее,
видимо, быстро отстроили, так как Калигула вскоре дал в цирке игры,
обставленные с чрезвычайной роскошью: арена была усыпана суриком и малахитовым
порошком . Императоры вообще очень заботились о цирке и его убранстве. Клавдий,
по свидетельству Светония, облицевал мрамором стойла (деревянных стойл давно
уже не существовало, их сменили сложенные из туфовых квадр) и поставил вместо
деревянных мет бронзовые, позолоченные; Нерон, чтобы увеличить количество
мест, велел в 63 г. засыпать ров, окружавший арену; для защиты от диких
зверей поставлен был по парапету между ареной и зрителями вращавшийся деревянный
вал, облицованный слоновой костью: зверям не за что было уцепиться и не на
чем удержаться. Плиний называл Большой Цирк одним из великих сооружений.
Наибольшего великолепия достиг цирк при Траяне. Он восстановил обе его стороны,
уничтоженные пожаром при Домициане, использовав для этого камень, которым был
выложен огромный пруд, устроенный Домицианом для потешных морских сражений,
значительно увеличил число мест для зрителей, - «сделал цирк достаточным для
римского народа», и сломал ложу, из которой Домициан, не видный зрителям,
смотрел на игры. Плиний Младший считал заслугой Траяна, что теперь «народу
дано видеть не императорскую ложу, а самого императора, сидящего среди
народа». О количестве мест в цирке много спорили: сомнения вызывали слова и
Дионисия (150 тыс. мест при Августе), и Плиния Старшего (250 тыс.). Гюльзен
полагал, что при Августе цирк вмещал 55-60 тыс. зрителей, а при Константине -
180—190 тыс. Цифра Плиния считается наиболее вероятной, но окончательно
вопрос не решен и посейчас.
Цирковым играм предшествовала торжественная процессия, в значительной мере
напоминавшая триумф: была она отголоском тех времен, когда конские бега
являлись частью религиозного празднества. Уже в последний век республики среди
многотысячной толпы, наполнявшей цирк, вряд ли были люди, помнившие об этом.
Август привез этот обелиск из Гелиополя; высота его 23.7 м. В IV в. он исчез и был найден
только в XVI в., разбитым на три части. Он был поправлен и сейчас стоит на piazza del
popolo. Другой обелиск стоит теперь перед Латераном. Он был поставлен в XV в. до н.э. Тутмо-
сом III перед храмом Аммона в Фивах. Август думал привезти его в Рим; Константин решил это
сделать, но довез обелиск по Нилу только до Александрии. Аммиан Марцеллин описывает его
доставку в Рим и установку в цирке при Констанции. Обелиск этот из красного гранита, высотой
32.5 м; в XVI в. его нашли разбитым и ушедшим в Землю на 7 м. Папа Сикст v извлек его и
поставил на его нынешнее место.
173 В Риме было еще два цирка. Фламиниев цирк построил цензор Г. Фламиний Непот в 221 г. до
н.э. в южной части Марсова Поля на Фламиниевом лугу. Он был настолько велик (400x260 м) и
производил такое впечатление, что по нему стали называть весь район и местонахождение других
Зданий определяли - «у цирка Фламиния». Насколько велика была его арена, можно судить по
тому , что во 2 г. до н.э. Август велел превратить ее на некоторое время в огромный пруд, куда
было пушено 36 крокодилов: народ мог смотреть на эту диковину. После открытия Августова
форума крокодилов перебили. Цирк Гая и Нерона устроил Калигула в садах Агриппины, на правом
берегу Тибра. Это было любимое место Нерона, где он упражнялся в искусстве править лошадьми
и устраивал свои оргии.
и -
Цирк Адриана, где будет построен Ватикан.
Процессия спускалась с Капитолия на Форум, пересекала Велабр и Коровий
рынок, вступала через Ворота Помпы в цирк и обходила его кругом. Во главе шел
магистрат, устроитель игр (если это был консул или претор, он ехал на
колеснице, запряженной парой лошадей), одетый, как триумфатор: в тунике, расшитой
пальмовыми ветвями, и пурпурной тоге, с жезлом слоновой кости с орлом
наверху. Государственный раб держал над его головой дубовый золотой венок; его
окружала толпа клиентов в белых парадных тогах, друзья, родственники и дети; за
ними шли музыканты и те, кто принимал непосредственное участие в играх:
возницы, всадники, борцы, а дальше в окружении жрецов и в облаках ладана несли
на носилках изображения богов или их символы, которые везли в открытых
часовенках, помещенных на особых двухколесных платформах, запряженных четверней
(колесницы эти назывались tensae и стояли на Капитолии в особом сарае). До
нас дошли монеты с изображениями этих тенс: в одной часовенке сидит сова
(птица Минервы), в другой - павлин (птица Юноны), в третьей находятся молнии,
атрибут Юпитера - вся капитолийская триада присутствует на празднике,
совершавшемся в ее честь. Тенсы были роскошно отделаны серебром и слоновой костью;
лошадьми должен был править мальчик, у которого отец и мать были в живых
(puer patrimus et matrimus) . Он шел рядом с колесницей, зажав в руке вожжи;
если они падали на землю, это считалось злым предзнаменованием; следовало
начать шествие сызнова от самого Капитолия. Юлий Цезарь удостоился чести еще
при жизни видеть свое изображение в этой торжественной процессии.
Впоследствии в процессии неизменно несли изображение умершего обожествленного
императора и членов императорской семьи, пользовавшихся народной любовью. Иногда в
тенсу впрягали четверню слонов; Светоний рассказывает, что Клавдий
распорядился, чтобы изображение Ливии везли именно слоны.
Помпа была процессией торжественной и пышной, но иератическая медленность
ее движения, в конце концов, утомляла; и зрители, приветствовавшие ее
появление криками и аплодисментами, радовались, что эта вступительная часть
закончилась и сейчас начнется главное - бега.
Выезжало обычно четыре колесницы, но бывало и по 6, и по 8, и даже по 12.
Полагалось объехать арену семь раз; победителем считался тот, кто первым
достиг белой черты, проведенной мелом, напротив магистратской ложи. Колесницы
чаще всего были запряжены четверней (на паре выезжали только новички); тройки
выезжали реже; особого искусства требовало управление большой упряжкой - от 6
до 10 лошадей. Число заездов (missus) еще в начале империи было не больше 10-
12, но оно все увеличивалось и увеличивалось. На играх при освящении храма в
память Августа, которые в 37 г. устроил Калигула, Заездов было в первый день
20, а во второй - 24. Последнее число стало обычным, но иногда и оно
превышалось (один тур равнялся 568 м, следовательно, Заезд - missus - равнялся 568x7
м - почти 4000 м, 10 заездов - 40 км, 20 - 80 км), и бега продолжались с
раннего утра и до солнечного заката.
Первоначально поставкой лошадей для беговых состязаний ведало государство,
отдававшее ее на откуп. Общества этих откупщиков постепенно развились в
предприятия, совершенно самостоятельные и ведавшие всем, что требовалось для
скачек; они содержали конюшни и целый штат, который их обслуживал; тут были
специалисты, объезжавшие лошадей и обучавшие юношей, избравших карьеру возниц,
различные ремесленники - сапожники, портные, ювелиры, мастера, изготовлявшие
колесницы, - врачи, ветеринары, кладовщики, хранившие имущество общества,
люди, занятые заготовкой кормов и наблюдавшие за их распределением, казначеи
(квесторы), которые вели все денежные дела общества, ведали приходами и
расходами. Штат бегового общества насчитывал в своем составе сотни людей. Очень
вероятно, что обществам принадлежали и некоторые из конских заводов,
находившихся в Апулии, этом центре италийского коневодства. Техническим названием
таких беговых обществ было factio - «партия»; ее глава и хозяин назывался
«господином партии» (dominus factionis). В республиканское время таких
«партий» было две, и чтобы победителя на бегах было видно сразу, «партии» стали
одевать своих возниц в разные цвета: возницы одной появлялись в туниках
белого цвета (factio albata - «белая партия»), а другой - в красных (factio
russata - «красная партия»). При империи появилось еще два общества -
«голубые» (veneta) и «зеленые» (prasina), сразу выдвинувшиеся вперед;
впоследствии, при поздней империи, две прежних «партии» или прекратили свое
существование, или слились с новыми: «белые» с «зелеными», а «красные» с «голубыми»;
в IV в., например, упоминаются только эти последние.
Что люди увлекались и увлекаются бегами, это понятно: красота лошадей,
борьба за первенство, искусство возниц - есть на что посмотреть и чему
подивиться. Естественно было, из раза в раз бывая в цирке, особенно
заинтересоваться какими-то лошадьми, каким-то возницей, «болеть» за них, радоваться их
победе. В римском цирке, однако, случилось другое. Люди связали свои интересы
с определенной «партией», переживали ее успехи и неудачи, как личные,
собственные; «любили тряпку, благоволили к тряпке, и если в самый разгар
состязаний состязающиеся могли бы обменяться своей цветной одеждой, то зрители
обменяют и предмет своей горячей приязни и сразу покинут тех возниц и тех
лошадей, которых они узнают издали, чьи имена они выкрикивают». Плиний искренне
удивлялся этому: «Я чувствую некоторое удовольствие от того, что нечувствите-
лен к их удовольствию». Привязанность к «тряпке» действительно с первого
взгляда вызывает удивление вполне естественное. С первого взгляда только
Плиний, с удовольствием подчеркивавший несоизмеримость между своей умственной
культурой и уровнем интересов и вкусов «толпы», не захотел вглядеться в
сущность любви к «тряпке» и не попытался определить, на чем она зиждется. Причин
этой странной привязанности было много - прежде всего, конечно, материальная
заинтересованность. У нас, к сожалению, нет документов, которые позволили бы
ближе ознакомиться с хозяйством и постановкой финансового дела в беговых
компаниях, но мы знаем, что в составе их были дельцы большого стиля, ворочавшие
миллионами, и «господин партии» был только ее представителем, «первым среди
равных». Сколько людей входило в состав такого общества? Сколько других были
косвенно связаны с его делом? Владельцы конных заводов, у которых общество
покупало лошадей, естественно, принимали к сердцу успех свежих скакунов, если
даже и не участвовали в прибылях. Те, кто держал пари на лошадей данного
общества, получал выигрыш часто немалый174. Ряд людей был кровно заинтересован в
успехе данного общества, был сцеплен с ним крепкими связями денежной выгоды.
А с этими людьми было связано множество других, которые оказывались на
стороне этой «тряпки», потому что к ней благоволили их патроны, друзья, родные или
люди, чью благосклонность им хотелось приобрести. Может быть, какую-то для
нас неуловимую, к сожалению, роль играли определенные политические симпатии и
настроения. Может быть, оппозиция была не только в сенате, но и на конном
дворе и в конюшне? Известно, что и Калигула, и Нерон, и Домициан
покровительствовали одному из беговых обществ, и это покровительство воспринималось
остальными, конечно, как незаслуженное оскорбление. Зависть, обида, боязнь,
негодование - эти чувства в разных оттенках и с разной силой жили в сердцах
тысяч и тысяч. Нельзя ли думать, что эта эмоциональная оппозиция была, пожалуй,
страшнее идеологической, сенатской; и смерть троих императоров не была ли в
какой-то мере подготовлена этим «цирковым недовольством»?
Людей собирало в цирке многое. Прежде всего, захватывающим было зрелище
стремительно несшихся, сшибавшихся, обгонявших одна другую квадриг;
прекрасные лошади, лихие возницы, смертельная опасность этих состязаний - этого было
бы достаточно, чтобы глядеть на арену, не отрывая глаз, затаив дыхание. А тут
присоединились еще веселая толпа, в которой пестрота своевольных женских
костюмов выделялась яркими пятнами на фоне сверкающей белизны обязательных тог,
возможность завязать легкое, ни к чему не обязывающее знакомство, - Овидий
рекомендовал цирк как самое подходящее для этого место, - присутствие самого
императора, богатое угощение после игр и, может быть, счастливая тессера175 ...
Мы не Знаем, как был организован античный «тотализатор», но немыслимо представить себе
Заключение пари и выплату ставок без какого-то организующего и надзирающего «бюро», где
Записывались пари и принимались ставки. Представим себе, как происходит дело: А держит пари За
«Зеленых» и ставит на них 100 сестерций, Б держит За «синих» и ставит 200. Кто проверит их
наличность? Кто удостоверит их готовность уплатить в случае проигрыша? Так как пари
Заключали многие, и суммы собирались большие, то вряд ли нашелся бы честный человек, согласившийся
распутывать все счета и производить по ним уплату. Конечно, была какая-то «организация», на
глазах которой Заключались пари, и которая принимала деньги и уплачивала выигрыши.
Организация эта была связана с «партиями»: Б вносил деньги в «бюро синих», и в случае проигрыша
«бюро» выплачивало его А, оставляя себе некоторую долю «За обслуживание». Если Б выигрывал, то
он получал деньги из «бюро Зеленых», вычитавших таким же образом какую-то сумму в свою
пользу. Пари бывали иногда безумными: Ювенал говорит о дерзких пари - audax sponsio. Ставка на
определенных лошадей и возниц, Заинтересованность именно в них создавала тесную связь между
каким-то кругом Зрителей и определенной «партией».
После некоторых игр (римских и плебейских) обязательно устраивалось торжественное угощение
(epulum), а кроме того, Зрителей щедро осыпали подарками, которые должны были у проигравших
несколько смягчить боль утраты; Агриппа в Заключение данных им игр велел разбросать с
верхнего яруса по цирку особые жетоны, тессеры, по которым можно было получить одежду, еду или
определенную сумму денег (своего рода «беспроигрышная лотерея»). Выигрышами по тессерам, ко-
Главными действующими лицами в дни цирковых игр были возницы. Эта профессия
чаще всего переходила от отца к сыну; иногда опытный кучер обучал юнца (за
это дело следовало браться смолоду; Кресцент, победитель в сотнях состязаний,
выехал на арену в тринадцатилетнем возрасте), и ученик хранил благодарную
память о своем воспитателе. Он рос среди конюхов и возниц, ловил их рассуждения
и рассказы, их интересы заполняли его душу. Он знакомился с их мечтами,
мыслями и желаниями в те годы, когда впечатления окружающего мира и его уроки
врезываются в душу неизгладимо и на всю жизнь. Победа в цирке представляется
ему пределом человеческих достижений; он не знает на земле славы
ослепительнее, чем слава возницы-победителя. Конюшня для него - и родной дом, и школа
жизни, и университет: здесь он изучает все тонкости и хитрости своего
нелегкого ремесла, усваивает технический жаргон цирка и его идеалы. Они ограничены
цирковой ареной: на беговой дорожке его ждет все, чем красна ему жизнь, -
победный венок, неистовые рукоплескания многотысячной толпы, богатство, громкое
имя, которое перекатится, может быть, даже за пределы Италии176. Он ведет счет
своим победам и наградам с точностью ученого педанта и увековечивает в
длинных надписях виды упряжек, количество заездов, имена своих лошадей177. Он упо-
торые бросали присутствовавшим в цирке Нерон и Домициан, служили одежда, серебряная посуда,
драгоценные камни, картины, вьючные животные, ручные Звери, рабы и, наконец, суда, доходные
дома и поместья.
Марциал рассчитывал, что его станут читать только тогда, когда устанут от разговоров о
Скорпе - вознице, и об Инцитате - коне. Рим был уставлен статуями Знаменитых возниц, которые
стояли рядом со статуями богов; Марциал чувствовал иногда раздражение оттого, что «всюду
сверкает Золотой нос Скорпа», но он же посвятил Знаменитому вознице стихи, полные
неподдельного сожаления о гибели юноши: «Сломай, опечаленная Победа, идумейские пальмовые ветви...
брось в жестокий огонь, скорбная Слава, волосы и венки, украшавшие их. О Злая судьба! Скорп,
ты погиб, не изжив ранней молодости; так скоро пришлось тебе Запрягать вороных коней [в под-
Земном царстве]. Стремительно огибал ты всегда мету - почему и для жизни твоей оказалась она
столь близка». И он вкладывает в уста самого Скорпа краткую эпитафию: «Я Скорп, слава цирка,
полного криков. Ты осыпал меня рукоплесканиями, Рим, но недолго ты радовался на меня. Злая
Лахесис похитила меня на 27-м году; сочтя мои победы, она решила, что я старик». Плиний
говорит , что возниц сопровождала всегда толпа их почитателей; он же рассказывает, что один из
поклонников Феликса, возницы «красных», был в таком отчаянии от его смерти, что бросился в
его костер и сгорел вместе с ним.
177 Таких надписей сохранилось несколько, и они позволяют понять и «технику бегов», и Знакомят
нас в некоторой доле с профессиональным языком возниц. Приведем одну из наиболее интересных
- надпись испанца Диокла. Он начал свою карьеру у «белых» в 122 г. н.э., Затем перешел к
«Зеленым», а от них - к «красным», у которых и остался (беговые общества прилагали, видимо,
всяческие старания к тому, чтобы переманить к себе искусного возницу). Он одержал всего 1462
победы при самых разных обстоятельствах, а в состязаниях принимал участие 4257 раз, в 1351
случае оказался побежденным, остальные 1444 раза приходил вторым или третьим. Чаще всего
каждая «партия» выставляла по одной колеснице, Запряженной четверней, по две и по три
колесницы - Значительно реже; победа в состязании только четырех колесниц считалась наиболее
почетной. Диокл получил 92 «больших премии», общая сумма которых равнялась 3 млн. 770 тыс.
сестерций: 32 раза по 960 тыс. сестерций, 28 раз - по 40 тыс., 29 раз - по 50 тыс. и 3 раза по
60 тыс. Откуда эти суммы? Их вносил магистрат, устроитель игр? Мы Знаем, как дорого
обходилось устройство игр, какие огромные суммы на них тратились. В 51 г. н.э. установлены были
суммы, которые государство выдавало устроителям вдобавок к их расходам: на Плебейские игры,
например, 600 тыс. сестерций, на игры в честь Аполлона - 380 тыс. Может быть, «премии»
выдавались из этих сумм? А может быть, происходило иначе: сторонники «красных» держали пари с
другой «партией» в общей сложности на 30 тыс.; проигравшие «Зеленые» эту сумму им
выплачивали , и Диокл ее и получал. Часть ее Диокл, надо думать, обязан был отдать в кассу «партии»,
но часть оставалась ему. Диокл расстался с цирком, собрав состояние почти в 36 млн.
сестерций ; состояние ста адвокатов не превышает средств одного циркового возницы из партии
«красных» , - писал Ювенал; Марциал, сравнивая судьбу бедного клиента с судьбой возницы,
негодовал, что он За целый день получит «сотню медяков, а Скорп победитель За один час унесет
пятнадцать мешков сверкающего Золота» - 15 тыс. сестерций. Понятно, что некоторые из возниц
становились «господами партии», т. е. главарями беговых обществ. Состязания для Диокла
проходили по-разному: 815 раз он occupavit et vicit, т. е. с самого начала Занял первое место и
до конца удерживал его За собой; 67 раз он successit et vicit - первоначально оказался на
ен не только славой и успехом, он пьянеет от риска и опасности. Каждый раз,
выезжая на арену, он выезжает на встречу со смертью178; и его победа - это
очередное торжество над ней. Гордость собой, удаль и молодечество переполняют
его существо; он чувствует себя выше обычных людей и выше законов, которые
для них, простых смертных, обязательны179. Его нравственные понятия очень
невысоки: чувство товарищества ему незнакомо и недоступно; товарищ по профессии
для него только соперник, у которого надо вырвать победу, и он не
задумывается над средствами, с помощью которых он ее вырвет, - собственная хитрость180
или помощь злых сил - не все ли равно? Важно победить181.
втором месте, но Затем вырвался вперед; 36 раз он praemisit et vicit - нарочно пропустил
вперед противника и Затем обогнал его; 42 раза он победил разными способами; 502 раза
eripuit et vicit - когда надежды на победу, казалось, уже не было, «прорвался и победил»
после трудной и жестокой борьбы. Большой честью считалось победить: 1) а ротра, когда возница
должен был принять участие в состязаниях с усталыми лошадьми сразу же после утомительной
процессии, и 2) на лошадях, которые выезжали в цирке первый раз (equi anagones); а
совершенно исключительным трюком был тот, который могли себе позволить только очень опытные возницы:
они менялись лошадьми с другой «партией». О Диокле надпись сообщает, что он одержал 134
победы alieno principio - «с чужим главным [конем]», т. е. пристяжным, шедшим слева. При
упряжке, четверней две средних лошади, два коренника, шли под ярмом (introiugi); справа и
слева находились пристяжные (funales). От выучки левой пристяжной, которая оказывалась всегда у
меты, Зависела не только победа, но и жизнь возницы. Диокл принадлежал к возницам-
"тысячникам" (miliarii), т. е. к таким, кто одержал тысячу побед и больше. Скорп, оплаканный
Марциалом, насчитывал 2048 побед, Помпей Мусклоз - 3559, какой-то неизвестный - 1025.
178 Особенно страшным был момент, когда возница огибал мету: стремясь выиграть время и
сократить пространство, он старался проехать к ней как можно ближе, и тут стоило чуть ошибиться
самому в расчете, стоило дернуться влево чуть больше, чем было нужно, левой пристяжной
(почему такой важной и была ее роль) - и колесо на всем скаку налетало на каменную тумбу,
разлеталось вдребезги, и хорошо было, если возница выходил из этой переделки только
искалеченным. Опасность подстерегала его во время всего состязания: каждый возница старался, как
только мог, выиграть на пространстве и поэтому, обгоняя соперника, держался к нему возможно
ближе; угроза столкновения висела над обоими. Самый костюм возницы свидетельствовал об
опасности его профессии: на голову он надевал круглую кожаную шапку с клапанами, напоминающую
шлем танкистов; туника его была плотно обмотана ремнями до самых подмышек, чтобы За что-либо
не Зацепиться (поэтому и лошадям подвязывали хвосты как можно короче); За ремни был Заткнут
короткий острый нож - в случае падения возница перерезал им вожжи, которые обычно Закидывал
себе За спину: одной рукой он правил, в другой держал бич. Ременные обмотки покрывали ноги
от сандалий до колен; иногда возница надевал гетры, которые Закрывали почти целиком бедра.
Возницы погибали обычно молодыми: Аврелий Полиник умер 30 лет, Скорп - 27, Кресцент - 22,
Аврелий Тациан - 21 года, Цецилий Пудент - 18. Диоклу, когда он оставил карьеру возницы,
было 42 года - случай редкий.
Дион говорит, что не было дерзости, которую возницы не считали бы себе позволенной.
«Шутки» возниц состояли в том, что «по укоренившемуся попустительству они, бродя по городу,
Забавлялись тем, что обманывали и обкрадывали людей». Три века спустя Аммиан Марцеллин писал:
«...если кто Заметит, что его кредитор настойчиво требует уплаты долга, то он прибегает к
цирковому вознице, нагло готовому на все, и тот устраивает так, что против кредитора
возбуждается дело об отравлении».
180 У возниц были «технические приемы», с помощью которых они преграждали своим соперникам
дорогу к победе. Один из них состоял в том, что возница внезапно поворачивал свою колесницу
наискось, так что следовавшие За ним на нее налетали: образовывался в лучшем случае Затор, в
худшем - колесницы сшибались, и не обходилось без увечий и ранений. Общее Замешательство
давало возможность выиграть переднему.
181 На Аппиевой дороге найдено было несколько десятков свинцовых табличек с Заклинаниями и
молитвой к подземным божествам погубить противника и его лошадей. Росси относил их ко II в.
н.э., Вюнш - к IV в. Вот конец одной из этих табличек: «...свяжите, обвяжите: помешайте,
поразите, опрокиньте, споспешествуйте мне, погубите, убейте, изломайте возницу Евхерия и его
лошадей в Завтрашний день в римском цирке. Да не выедет хорошо из ворот, да не состязается
сильно, да не обгонит, не прижмет, не победит, не обогнет счастливо мету, не получит
награды» . Хорошую параллель к этому Заклятию представляет табличка из Карфагена: «...остановите их,
свяжите, Заберите от них всю силу; пусть они не смогут переступить ворот, сделать шаг по
арене, а что до возниц, парализуйте их руки; пусть не смогут они увидеть вожжей, не смогут
В облике этого лихого и злого удальца есть одна трогательная черта:
отношение к лошадям, на которых он ездит. Людское общество складывается для него из
двух категорий: товарищей-возниц и восторженных поклонников, осыпающих его
подарками и похвалами; он дышит воздухом этого восторга, собирает их подарки
и скапливает богатство, но в глубине души презирает эту толпу. Разве кто-
нибудь из них отважится на то, что для него совершенно обычно? И если счастье
отвернется от него, разве они не отвернутся тоже? Товарищи? Они так же
хладнокровно погубят его, как и он их. Подлинные друзья, на которых можно
положиться , которые не подведут и не обманут, - это кони; они опора и помощь; от
них зависит и победа, и самая жизнь; и возница неизменно делится с ними тем,
чем дорожит больше всего, - своей славой182.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ.
КЛИЕНТЫ
Утро влиятельного и знатного человека начиналось в Риме с приема клиентов.
Мы не можем сказать, какую часть городского населения составляли эти люди,
но, судя по тому, что и Ювенал, и Марциал, и Сенека говорят об их «толпах»,
судя по тому, какое внимание уделяет им литература I в. н.э., сословие это не
было малочисленным и в жизни римского общества того времени являлось
элементом необходимым и очень характерным.
Клиентела развилась из древнего обычая (римские антиквары приписывали его
установление Ромулу) ставить себя, человека мелкого и бессильного, под
покровительство могущественного и влиятельного лица. Покровителя и отдавшегося под
его защиту связывали узы такие же священные в глазах древних, как узы
родства; первый помогал своему клиенту советом, влиянием, деньгами; клиент
поддерживал покровителя в меру своих сил, чем только мог. К I в. н.э. отношения эти
в значительной степени утратили этот старинный характер: клиенты превратились
просто в прихлебателей своего покровителя, который держал их возле себя,
потому что этого требовал «хороший тон» римского общества: знатному человеку
неудобно и неловко было показаться на улице или в общественном месте без
толпы провожатых - клиентов.
Писатели I в. н.э. оставили красочные описания клиентской жизни; в ней не
держать их. Сбросьте их с колесницы, ударьте оземь; пусть растопчут их копытами собственные
лошади. Не медлите, не медлите; сейчас, сейчас, сейчас!»
Имена лошадей, на которых Кресцент одержал свою первую победу, упомянуты в почетной
надписи, поставленной ему после смерти; названы также лошади Диокла. Какой-то возница (имя не
сохранилось ) составил список левых пристяжных, на которых он выезжал в цирке и на которых
одержал победу, с упоминанием их масти и того, кто их объезжал. Жеребец Аквилон и его сын
Гирпин (оба, видимо, ходили в левой пристяжке и оба одержали больше 200 побед) удостоились
почетной надписи. Цирковые рысаки пользовались в Риме широкой известностью: их качества, их
вид, все их особенности служили темой горячих обсуждений. Марциал рассчитывал, что его
«изъеденные молью эпиграммы» возьмут в руки, устав от разговоров о Скорпе и Инцитате. Он,
Марциал , «известный племенам и народам», не был известнее жеребца Андремона; светский человек
считал обязанностью Знать родословную цирковых скакунов. Одна лошадь из Африки удостоилась
даже эпитафии: Песков гетульских детище, Завода честь гетульского, Ветров в бегу соперница,
Во цвете лет погибшая, Ушла, Спевдуса, к Лете ты. Лошади, одержавшие сто побед, назывались
«centenarii». Беговые общества приобретали лошадей на конных Заводах в Апулии и Калабрии; об
этих Заводах рассказывает Варрон и в своем «Сельском хозяйстве»; схолиаст к Ювеналу пишет,
что Тигеллин, обзаведясь пастбищами в тех областях, устроил там конный Завод и объезжал
лошадей для цирковых состязаний. Очень ценились «гирпинцы» - лошади из области гирпинов в
Самими . Сын жеребца Аквилона получил имя Гирпина или по месту рождения, или За свои
превосходные качества. Колумелла говорит о выведении рысистых лошадей, и экстерьер лошади, который он
дает, - это экстерьер рысака. Плиний в восхвалении Италии, Заканчивающем его «Естественную
историю», среди всех благ, которыми Италия одарена, называет рогатый скот и лошадей: «лучше
их нет в тройках». В большой чести были лошади из Испании и Африки.
было труда, но было много беспокойства и досыта унижения. День клиента
начинался с раннего утра: он должен был облечься в тогу, этот официальный мундир,
мучительно неудобный, и в темноте, по грязным римским улицам, часто с другого
конца города идти к своему «господину» приветствовать его с добрым утром.
Марциал уверял, что он покинул Рим, чтобы, наконец, отоспаться и наверстать в
родном, тихом городке Испании все, что он не доспал за тридцатилетнюю жизнь
клиента, во время которой он «с глухой полуночи, в тоге» готовился терпеть
«свист резкого аквилона, ливень и снег». Приходилось торопиться: в прихожей
затемно собиралась целая толпа; ожидали, когда впустят в «горделивый атрий».
Случалось, что пускали не всех; иногда пробивались силой, отталкивая более
слабых. «Посмотри на дома людей могущественных, на этот порог, у которого
шумят и ссорятся клиенты! Много получишь ты обид, чтоб войти, еще больше, когда
войдешь». Входа добиваются лестью и заискиванием перед рабом, ведавшим
впуском, а он иногда «не удостаивал и ответить на вопрос, что делается внутри
дома». Бывало и так, что не солоно хлебавши уходили все: «Мало ли таких,
которые велят прогнать клиентов, потому что хотят спать, предаются разврату или
просто по бесчеловечности? Мало ли таких, которые в притворной спешке
пробегут мимо людей, измученных долгим ожиданием? Мало ли таких, которые не пойдут
через атрий, набитый клиентами, и скроются через черный ход? разве не более
жестоко обмануть, чем вовсе не принять?» Прием часто бывал не лучше отказа:
«Мало ли таких, которые в полусне, отяжелев от вчерашней попойки, едва
пошевелят губами, чтобы произнести с презрительным зевком тысячу раз подсказанное
имя этих несчастных, которые прервали свой сон, чтобы наткнуться на чужой!».
Если патрон был в добром настроении или придерживался старинных обычаев, то
на дружное «ave!» клиентов он отвечал, пожимая каждому руку и целуя его, но
уже в I в. н.э. такое обращение было редкостью. Один из гостей Тримальхиона
вспоминает с восторгом одного магистрата времен своего детства: «...как ласково
отвечал на привет, каждого-то назовет по имени, будто свой человек нам!». Уже
во II в. н.э. клиенты здороваются с патроном, целуя ему руку, а то и
кланяются в ноги.
По окончании утреннего приема, если патрон куда-нибудь шел, клиенты обязаны
были его сопровождать, идти "в самую грязь за его носилками или, забежав
вперед, расталкивать толпу. Если патрон произносил речь в суде или читал свое
произведение перед слушателями, они громко выражали свое одобрение -
«красноречив не ты, Помпоний, а твой обед», - вразумлял Марциал доверчивого патрона,
- потом провожали его в баню: «...усталый иду я за тобой в 10-м часу, а то и
позже, в Агрипповы термы, хотя сам моюсь в банях Тита», - жаловался Марци-
ал
Клиентская служба не ограничивалась этим утомительным хождением и
бесцельной тратой времени. Марциал остро чувствовал, что он теряет в ней свое
достоинство и растрачивает свое дарование: «Ты лжешь - я верю, читаешь плохие
стихи - хвалю, поешь - пою, пьешь - пью, хочешь играть в шашки - проигрываю».
Клиентом может быть тот, кто совершенно обезличился и желает только того,
чего хотят «его цари и господа». «Пока я хожу за тобой и сопровождаю обратно
домой, слушаю твою болтовню и хвалю все, что ты делаешь и говоришь, сколько
могло бы родиться стихов!» - вздыхал Марциал. Вместо себя он посылает патрону
с утренним приветом книгу: «...каковы бы ни были мои писания, создать их не мог
бы человек, которому надо ходить с утренним приветствием!»184.
Летом в 5 часов дня, Зимой в 3 часа: Агрипповы термы и бани Тита находились на
противоположных концах города.
184 Патрон мог потребовать, чтобы клиент сопровождал его в путешествии: Марциал оказался в
Байях по желанию своего патрона и жаловался, что в этом очаровательном и роскошном месте он
может только голодать на ту жалкую сумму, которая выдается ему как клиенту.
За все услуги клиента патрон расплачивался скупо: он мог всем и каждому
твердить о благодеяниях, которые он оказал и оказывает клиенту, но клиент
никак не может выбиться из горькой бедности: ходит в жалкой потертой тоге,
живет в темной комнатушке где-то «под черепицами»; в кошельке его только один
жалкий грош на баню; по мнению Марциала, не было разумного основания жить
такой жизнью, но ею жили и продолжали жить, «крича, грозясь и проклиная»,
тысячи людей, в том числе и сам Марциал. Клиентская служба давала пусть скудные,
но все-таки какие-то средства к жизни: клиент не жил в сытости, но ему не
грозила опасность умереть с голоду. В Риме для человека, не владевшего
никаким ремеслом и не желавшего ему выучиться, единственным, пожалуй, способом
просуществовать было положение клиента. Еще в I в. до н.э. патрон обедал
вместе со своими клиентами; позднее патрон приглашал к столу трех-четырех
человек, а прочим выплачивал весьма скромную сумму (sportula)185 в 25 ассов, на
которые «несчастным надо купить капусты и дров» и вообще жить. На
патетический вопрос Ювенала: «Что будут делать люди, которым надо из этого приобрести
тогу, башмаки, хлеб и топливо для дома», - ответить трудно. И эту жалкую
сумму клиент получал не всегда; если патрон заболел или притворился больным, то
спортула «протягивала ноги» - и клиент уходил ни с чем. Иногда, правда, ему
давали больше: Марциал получил от Басса три динария за то, что с раннего утра
был уже у него в атрии и сопровождал его в своей старой дешевой тоге целый
день по крайней мере к тридцати старухам. В день своего рождения патрон
иногда раскошеливался и раздавал клиентам по 300 сестерций. Луп подарил Марциалу
подгородное имение, вызвавшее у поэта бурю негодования: «...у меня на окне
большее имение... я предпочел бы, чтобы ты угостил меня обедом». Положение
Марциала в клиентской среде было, конечно, исключительным: трудно было и не
оценить его блестящего таланта и не убояться его язвительных эпиграмм; язык у
него был «острее острой стали». По одной из этих причин, а может быть, и по
обеим он получил от своих патронов (клиент мог иметь нескольких патронов) в
дар и пару мулов, и дом на тихом Квиринале, и землю под Номентом, которая
давала пусть и небольшой, но все же доход, а кроме того, возможность не видеть
тех, кого поэт не хотел видеть, и наслаждаться досугом и отдыхом. Клиентская
служба, на которую Марциал так жаловался, дала ему безбедное житье, и это был
единственный для него путь достичь известной обеспеченности. О существовании
того, что ныне называется авторским правом, в древнем Риме и не подозревали.
Книга, вышедшая в свет, принадлежала всем; томики и свитки Марциала
продавались в двух лавках: у Секунда и у Атректа; и любой покупатель, если у него
были рабы-переписчики, мог отдавать его стихи в переписку и продавать эти
экземпляры кому хотел и за сколько хотел. Стихи Марциала распевали в Британии,
но его кошелек «ничего об этом не знал». Книгопродавец мог купить у автора
его произведение, чтобы издать его первым, но так как с появлением книги на
прилавке кончалось и право собственности на нее, то, конечно, о хорошем
литературном заработке не могло быть и речи. Поэт-бедняк при всей своей
талантливости должен был идти в клиенты, каким бы унижением ни казалась для него кли-
Спортулой в собственном смысле называлась корзиночка, в которой участники жертвоприношения
уносили домой куски жертвенного мяса. На публичных угощениях, которые устраивали в Риме для
народа император, магистраты или частные лица обычно на Форуме (устраивались они и по другим
городам Италии), участники пира или ели За столом (cena recta), или уносили в корзиночке
выданную им порцию. Выдачу «натурой» все чаще стали Заменять денежным подарком. Тоже изменение
произошло и в оплате клиентских услуг; угощение Заменено было деньгами, но эта денежная
выдача сохранила название спортулы. При Домициане старинный обычай угощать клиентов на какое-
то время возродился, но вскоре опять вывелся (Марциал говорит об отмене денежной спортулы
только в III книге, написанной между 84 и 88 гг. ; в остальных книгах опять идет речь только
о денежной спортуле), и, вероятно, к удовольствию клиентов, которые, получая на руки сумму
жалкую, имели все-таки возможность хоть кое-как покрывать текущие расходы.
ентела.
Марциал издевается над голодным клиентом, который, попав на обед к патрону,
по нескольку раз отведывает от одного и того же блюда и уносит с собой, по
существовавшему в Риме обычаю, все остатки, которые только удалось захватить.
Сам он, однако, признается, что хотя ему и совестно, но он «гонится, да,
гонится за твоим обедом, Максим». Как же должны были «гоняться» за хорошим
обедом его «голодные друзья»-клиенты!
Эту погоню за чужим обедом, упоминанием о которой полна литература того
времени, склонны объяснять охотой пожить за чужой счет и чревоугодием. Это
объяснение будет верно только отчасти. Дело в том, что по своим жилищным
условиям клиент сплошь и рядом вынужден был питаться всухомятку, и обед у
патрона был для него единственной возможностью получить горячую пищу. В самой
жалкой деревенской хижине был очаг; бедняк Симил пек хлеб у себя дома. В
многоэтажной инсуле нигде никакого очага не было, и быть не могло, готовить на
жаровне в тесноте маленькой многолюдной квартиры было неудобно, а подчас и
просто невозможно. «Жирные харчевни» Горациева времени вынуждены были, по
указам Клавдия, Нерона и Веспасиана, свести ассортимент своих кушаний к одним
вареным бобам; даже получить горячую воду, которой обычно разбавляли вино,
было невозможно. Оставались только уличные разносчики, торговавшие горячими
кушаньями. Но всюду ли они бродили и всегда ли удавалось их поймать? И в
Риме, кроме того, климат вовсе не такой райский, чтобы всегда приятно и удобно
было есть на улице.
Торговля лепешками на улице. Фреска.
Обед у патрона, о котором мечтал клиент, часто превращался для него в
источник горького унижения. По скупости ли, по пренебрежению ли к этим людям,
которых пригнала к нему нужда и которые покинут его сейчас же, как только
найдут кого-нибудь более щедрого и участливого, но патрон устраивал два очень
разных обеда: один для себя и другой для клиентов. «Я оказался на обеде у
совершенно постороннего человека, - пишет Плиний, - и ему и нескольким гостям в
изобилии подавались прекрасные блюда; остальных угощали плохо и мало. Вино
хозяин разделил по трем сортам... одно предназначалось для него и для меня,
другое для друзей пониже, третье для своих и моих отпущенников. Мой ближайший
сосед заметил это и спросил меня, одобряю ли я такой порядок за столом. Я
ответил отрицательно. „А какой обычай у тебя?" - спросил он. - „Всем подается
одно и то же: я приглашаю людей, чтобы угостить их обедом, а не опозорить, и
уравниваю во всем тех, кого сравняло мое приглашение"». Поведение Плиния было
скорее исключением, чем правилом. Пятая сатира Ювенала содержит очень
красочное описание того, что ест патрон, и того, что дают его гостям-клиентам.
Марциал подтвердил это описание: патрон ест лукринских устриц, шампиньоны,
камбалу, прекрасно зажаренную горлицу; клиенту подают съедобные ракушки, «свиные
грибы», маленького леща и сороку, издохшую в клетке. У Лупа (вероятно, того
самого, который подарил Марциалу имение, меньшее, чем подоконник) его
любовнице подают хлеб из первосортной пшеничной муки, а сотрапезнику-клиенту - из
черной, последнего качества; она пьет сетинское вино, а он - «темный яд из
этрусского бочонка» (вина из Этрурии считались плохими). День несчастного
клиента начинался с унижений и унижением заканчивался.
ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ.
РАБЫ
Без раба, его труда и умения, жизнь в древней Италии замерла бы. Раб
трудится в сельском хозяйстве и в ремесленных мастерских, он актер и гладиатор,
учитель, врач, секретарь хозяина и его помощник в литературной и научной
работе. Как разнообразны эти занятия, так и различны быт и жизнь этих людей;
ошибкой было бы представлять рабскую массу как нечто единое и единообразное.
Но что знаем мы об этом быте и этой жизни?
Хуже всего осведомлены мы о жизни раба-ремесленника. Археологические
находки, фрески, изображения на памятниках и саркофагах познакомили нас с
устройством различных мастерских и с техникой разных ремесел. Но ни эти находки, ни
надписи ничего не говорят о быте рабов-ремесленников. Организация же работ в
мастерских, их управление, соотношение рабского и свободного труда,
управление всем производством - все эти вопросы требуют специальной разработки и
выходят за рамки настоящего труда.
Лучше осведомлены мы о жизни сельскохозяйственных рабов (общим названием
для них было - familia rustica); о них писали и Катон, и Варрон, и Колумелла.
Жизнь этих рабов проходит в неустанной работе; настоящих праздников у них
нет; в праздничные дни они выполняют только более легкую работу. «В дождливую
погоду поищи, что можно бы сделать. Наводи чистоту, чтоб не сидели сложа
руки. Сообрази, что если ничего не делается, расходу будет нисколько не
меньше». Пусть раб трудится до упаду, пусть он в работе доходит до той степени
изнеможения, когда человек мечтает об одном: лечь и заснуть. «Раб должен или
трудиться, или спать»; спящий раб не страшен. И два века спустя Колумелла
наказывает вилику выходить с рабами в поле на рассвете, возвращаться в усадьбу,
когда смеркнется, и следить, чтобы каждый выполнил заданный ему урок.
О пище и одежде рабов уже говорилось. А каково было их жилье?
Катон в числе помещений, которые должен выстроить в усадьбе подрядчик,
упоминает «комнатки для рабов». О них говорит и Колумелла, советуя устроить их в
той части усадьбы, которая зимой залита солнцем, а летом находится в тени. В
сельских усадьбах, раскопанных под Помпеями, неизменно есть комнатушки для
рабов; они невелики (6-8-9 м2) ; жило в них, вероятно, человека по два, а
может , и по три. Найти их в комплексе строений легко: голые стены без всякой
росписи, простой кирпичный пол, обычно даже не залитый раствором, который
сделал бы его ровным и гладким. На стене, грубо оштукатуренной, а то и вовсе
без штукатурки, иногда хорошо оштукатуренный квадрат величиной 1 м2: это
своеобразная записная книжка, на которой раб выцарапывает гвоздем какие-то
свои заметки.
Утварь в этих каморках, судя по найденным остаткам, очень бедна: черепки
дешевой посуды, куски деревянного топчана. Судя по инвентарю маслинника,
составленному Катоном, в распоряжении его 11 рабов имелось 4 кровати с
ременными сетками и 3 простых топчана. Как размещались 11 человек на 7 кроватях, это
сказать трудно; ясно одно: раб не всегда располагает таким элементарным
удобством, как отдельная кровать.
Общим помещением, предназначавшимся для всей «сельской семьи», была
«деревенская кухня», где рабы могли отогреться и отдохнуть; здесь готовилась пища
и здесь же рабы обедали. В долгие зимние вечера и утрами до рассвета они тут
же работают: вьют веревки, плетут корзины и ульи (их иногда делали из
прутьев) , обтесывают колья, делают рукоятки для хозяйственных орудий. Почти во
всех найденных под Помпеями усадьбах есть такая кухня с печью для выпечки
хлеба и с очагом. Хозяин был, конечно, заинтересован в том, чтобы раб не
проводил во сне всю зимнюю ночь, и поэтому устраивал в усадьбе это единственное
теплое помещение (не считая хозяйской половины), где рабы, отогревшись,
работали и были под надзором (жаровен, которыми обогревались комнаты хозяина, в
каморках у рабов не было).
Кроме «развязанных рабов», т. е. тех, которые ходили без цепей и жили по
своим комнатенкам, бывали в усадьбе еще и закованные. У Катона они составляли
постоянный контингент; Колумелла пишет, что в винограднике работают обычно
колодники. Для них устроено особое помещение - эргастул: это глубокий подвал
со множеством узких окошек, пробитых так высоко, что до них нельзя дотянуться
рукой; сажали туда и провинившихся рабов. Колумелла рекомендовал позаботиться
о том, чтобы подвал этот был как можно более здоровым: видимо, условие это не
всегда помнили.
Эргастул.
Особое положение среди сельскохозяйственных рабов занимал вилик. По мере
того как хозяин, занятый государственной службой и разными городскими делами,
все меньше уделял заботы своей земле, вилик становился настоящим хозяином
имения и, конечно, использовал свою должность к выгоде для себя. По своему
положению он пользовался рядом законных преимуществ. Один из героев Плавта,
объясняя, почему он хочет выдать прислужницу жены за вилика, говорит: «... будут
у нее и дрова, и горячая вода, и пища, и одежда»; Горациев конюх завидует ви-
лику, который распоряжается и дровами, и скотом, и огородом. И еда, и
помещение были у него, конечно, лучше, чем у остальных рабов. А кроме того, вилик
умел находить еще разные источники дохода: перепродажу скота, утаивание
семян, предназначенных для посева. Все это, конечно, строго запрещалось, но
вилик превосходно умел обходить все запреты.
Что касается «городской семьи» (familia urbana), то здесь люди умственного
труда занимали положение иное, чем лакей или повар. Известный умственный и
культурный уровень поднимал раба в глазах хозяина, а если этот раб делался
для него близким человеком, то жизнь его становилась совершенно иной, чем
жизнь остальных рабов (Тирон, секретарь Цицерона и друг всей его семьи; его
врач Алексион; Алексий, правая рука Аттика, Мелисс, раб Мецената, ставший ему
любимым другом). Эти интеллигентные люди в рабской «семье» составляли,
конечно , малую группу, хотя и вообще в III и II вв. до н.э. количество домашней
челяди было невелико. У Марка Антония, консуляра, было только восемь рабов; у
Карбона, человека богатого, одним меньше. За Манием Курием (победитель Пирра)
следовало в походе два конюха. Катон говорил, что, отправляясь проконсулом в
Испанию, он взял с собой троих рабов. В I в. н.э. такой простоты в обиходе
уже не было. Милон и Клодий окружили себя свитой вооруженных рабов; когда
произошла их трагическая встреча, Клодия сопровождало 30 рабов, а Милон ехал
с большим их отрядом. Горацию за столом, на котором стоит дешевая глиняная
посуда и на обед подаются блинчики, горошек и порей, прислуживают три раба. У
Марциала, неустанно повторявшего, что он бедняк, были вилик и диспенсатор, а
это означает, что в его номентанской усадьбе были рабы, которыми вилик
распоряжался, и было хозяйство, расчетную часть которого вел диспенсатор. В
богатом доме были рабы разных категорий: привратник, в старину сидевший на цепи;
лакеи-"спальники" - cubicularii, прислуживавшие лично хозяину и
пользовавшиеся иногда весом; Сенека по крайней мере говорит о «гневе и гордости
(supercilium) лакея»; лектикарии, несшие носилки; номенклатор, подсказывавший
хозяину имена нужных ему людей; pedisequus, который сопровождал хозяина на
обед, в гости и стоял сзади за ним; «дворецкий» (atriensis), ключник, повар,
хлебопек, рабы, если можно так выразиться, без специальности, занимавшиеся
уборкой помещения, служившие на побегушках и т. д. Можно было обзавестись
собственным цирюльником, своим врачом, своей домашней капеллой.
Не иметь ни одного раба было признаком крайней нищеты; даже у бедняка Сими-
ла была рабыня. Люди богатые и не стесненные жильем приобретали рабов только
для того, чтобы придать себе пышности и блеску. Ливии писал, что «чужеземная
роскошь пришла в Рим с войском, вернувшимся из Азии», и в числе предметов
этой роскоши называл артисток, играющих на разных струнных инструментах, и
актеров. К ним же следует причислить и хоры домашних певцов (symphoniaci) ;
Сенека утверждал: «На наших пирушках теперь певцов больше, чем когда-то было
в театрах зрителей». Одни рабы ведали уборкой комнат, другие - гардеробом
хозяина, третьи - его библиотекой. У хозяйки были свои прислужницы, которые ее
одевали, убирали ей волосы, смотрели за ее драгоценностями. Как в нашем
аристократическом обществе XVIII в., так и в римском высшем свете I в. н.э.
распространена была любовь к дурачкам и карликам. Деньги за них платили большие.
Марциал шутливо возмущался, что он заплатил за дурачка 20 тысяч, а тот
оказался существом разумным. Дурочку своей жены Сенека называл «бременем, дос-
тавшимся по наследству». Он продолжает: «Мне лично противны эти выродки; если
я хочу позабавиться над глупостью, то мне не надо далеко ходить: я смеюсь над
собой». Рядом с дурачками стояли карлики и карлицы; «за эти уродливые,
некоторым образом зловещие фигуры иные платят дороже, чем за тех, которые имеют
обычный достойный вид». Проперций рассказывает об удовольствии, которое
доставлял зрителям такой уродец, танцевавший под звуки бубна.
Многолюдной челяди в богатых домах даже при жестоком хозяине жилось
относительно привольно: работы было мало. Толпа рабов, врывающаяся с раннего утра в
господскую половину с тряпками, губками и вениками, окончив уборку, была
свободна; цирюльник, подстригший и выбривший хозяина и его взрослых сыновей, мог
дальше располагать собой, как хотел; чтец был занят некоторое время за
обедом, а иногда еще и по утрам, пока хозяин не выходил к собравшимся клиентам.
В небогатых домах рабы были заняты больше, но и то не до отказа, насколько
можно судить по хозяйству Горация. Дав и его товарищи должны были превосходно
себя чувствовать на то время, когда хозяин предавался своим любимым одиноким
прогулкам или уезжал в «именьице, которое возвращало его самому себе». Сенека
называл городских рабов бездельниками и противопоставлял их рабам сельским.
Рабу, входившему в состав familia urbana, жилось несравненно легче, чем рабу,
занятому в сельском хозяйстве, и недаром Гораций грозил Даву за его смелые
речи отправкой в сабинское поместье. Раб в поместье трудился от зари до зари
и не видел настоящего отдыха; городской сплошь и рядом вел полупраздное
существование. «Это беспечный, сонливый народ», - пишет Колумелла, настоятельно
советуя хозяину не ставить виликом раба из «городской семьи»: «они привыкли к
безделью, прогулкам на Марсовом Поле, к цирку, театрам, азартной игре,
харчевням и непотребным домам». Эта толпа, отравленная бездельем и городской
жизнью, обычно недовольная и имевшая основания быть недовольной, не могла не
внушать опасений.
Главным поставщиком рабов на италийский рынок являлась война, и период
больших завоевательных войн и территориальной экспансии Рима был как раз
временем, когда число рабов, все время пополнявшееся, достигло больших размеров.
Достаточно привести несколько цифр: за промежуток в четыре года (205 - 201
гг. до н.э.) Сципион отправил в Сицилию из Африки на продажу больше 20 тыс.
военнопленных; в 176 г. до н.э. после подавления Сардинского восстания было
убито и взято в плен около 80 тыс.; в 167 г. до н.э. по приказу сената из
семидесяти городов Эпира было продано полтораста тысяч. Т. Франк считает, что
За период от 200 до 150 г. до н.э. количество военнопленных, попавших в
Италию, доходило до 250 тысяч. К этому числу надо добавить еще отнюдь не малое
количество людей, похищенных пиратами и проданных ими в рабство (этим же
делом занимались и римские сборщики податей). Пополнялся рабский рынок в начале
I в. до н.э. и продажей детей, к которой приходилось прибегать жителям Малой
Азии, чтобы хоть кое-как справиться с уплатой налогов, установленных в 85-84
г. до н.э. Суллой. Большое количество военнопленных дали войны Цезаря в
Галлии: приблизительно 150 тыс. человек, продано было 53 тыс. из племени эдуату-
ков, все племя венетов; после осады Алезии каждый солдат получил пленного.
Положение резко изменилось при империи, когда прекратились большие войны, и
было уничтожено пиратство. Продажа большого количества пленных «оптом» стала
событием редким. В 25 г. до н.э. Август продал в рабство все племя салассов:
44 тыс. человек; после взятия Иерусалима и окончания Иудейской войны было
взято в плен 97 тыс. человек, из которых большая часть была продана. Теперь
продают главным образом рабов, рожденных дома (vernae), своих детей,
выброшенных и подобранных детей, осужденных в рабство по суду. Иногда привозят
рабов соседние варварские племена: даки, сарматы, германцы.
Приказ о продаже пленных отдавался военачальником. В его власти было
перебить их, оставить в качестве государственных рабов, раздать, хотя бы частич-
но, солдатам, как это сделал Цезарь после взятия Алезии, или продать с
аукциона . Продажа могла происходить или поблизости от того места, где пленные
были взяты (Август распродавал салассов в Эпоредии), или в Риме. Пленных
продавали , надев им на голову венки, - откуда и выражение: Sub corona vendere;
продажей ведал квестор, и вырученные деньги шли обычно в государственную
казну.
При империи торговлю рабами вели преимущественно частные лица; один из
таких mango, Тораний, был особенно известен во времена Августа; занятие это
считалось презренным, но давало, видимо, неплохой доход.
Жан-Леон Жером. Невольничий рынок в Риме. 1884.
Невольничий рынок находился около храма Кастора; людей продавали с
аукциона, и глашатай (ргаесо) выкликал достоинства продаваемых, сопровождая свою
речь шуточками и прибаутками, обычными у людей этой профессии. Рабы стояли на
вращающемся помосте (catasta) или на высоком камне (отсюда выражение: «de
lapide comparari; de lapide emere - покупать с камня»). У рабов, привезенных
с чужбины, ноги смазывали мелом - «таким видели люди на катаете Хризогона»
(любимец Суллы, пользовавшийся при нем большим влиянием). Покупатель
приказывал рабу раздеться, осматривал его со всех сторон, щупал его мускулы,
заставлял соскакивать вниз, чтобы посмотреть, насколько он ловок и проворен.
Красивых юношей-рабов «хранили тайные катасты»: их прятали от глаз толпы в задней
части лавок Цезарева базара (Saepta Iulia). За продажей следили курульные
эдилы; существовал их особый указ «о продаже рабов»; продавец должен был
повесить на шею раба табличку (titulus) и в ней указать, не болен ли раб какой-
либо болезнью, нет ли у него физического порока, мешающего работе, не повинен
ли он в каком преступлении, не вороват ли и не склонен ли к бегству.
Работорговцы считались обманщиками первоклассными и, надо думать, превосходно умели
скрывать болезни тех, кого они продавали. Руф из Эфеса, врач, современник
Траяна, в своем трактате «О покупке рабов» давал советы, каким образом
обнаруживать те скрытые болезни, о которых продавец умалчивал в надежде, что
покупатель ничего не заметит. В табличке указывалась и национальность раба: «мы
покупаем дороже того раба, который принадлежит к лучшему народу»;
«...национальность раба обычно или привлекает покупателя, или отпугивает его».
Галлы считались прекрасными пастухами, особенно для конских табунов; рослых,
здоровенных каппадокийцев покупали в богатые дома носить носилки; даки
годились в овчары; врачи, чтецы, учителя, вообще образованные рабы, чаще всего
были греками.
Цены на рабов в Риме в I в. н.э. были такие: 600 сестерций за рабыню
считалось дешевой платой. За своего Дава, который, пользуясь свободой Сатурналий,
отчитал своего хозяина, указывая ему на его недостатки, Гораций заплатил 500
драхм; способный юноша, рожденный дома и знающий греческий язык, стоил
вчетверо дороже; опытный виноградарь стоил столько же. Очень дороги были рабы,
которых покупали как некий предмет роскоши. За красивых юношей платили по 100
и 200 тыс.; рабыня, «купленная на Священной Дороге», стоила 100 тыс. Цезарь
заплатил однажды за молодого раба такие деньги, что постеснялся внести эту
сумму в свои приходо-расходные книги.
Как распределялось это количество рабов? Значительная часть работала в
сельском хозяйстве, значительная - в различных мастерских; часть входила в
состав «городской семьи» или становилась собственностью государства. В
усадьбах, где велось полевое, виноградное и масличное хозяйство, рабов было
относительно мало, судя по свидетельствам Катона и Варрона для времен республики,
по свидетельству Колумеллы для I в. империи. Имения, о которых пишут и Катон,
и Варрон, не занимают огромной земельной площади. Катон, земли которого
находились в Кампании и Нации, владел виноградником в 100 и маслинником в 240
югеров (югер около 1/4 га); идеалом его является владение в 100 югеров, где
представлены все хозяйственные отрасли. В винограднике у него работает 14
человек, в маслиннике - 11 (не считая в обоих случаях вилика и его жены) . Они
выполняют в обоих имениях всю текущую работу и загружены ею до отказа; для
съемки винограда и маслин приглашаются люди со стороны; полевой клин сдается
издольщикам. Даже для того чтобы управиться с овечьим стадом в сто голов,
своих рук не хватает. Сто лет спустя Варрон, имевший в виду главным образом
Сабинию (и, вероятно, Умбрию), считает нормальным имение в 200 югеров;
«латифундии» представляются ему исключением. Такие работы, как уборка сена, жатва,
даже сбор колосьев производятся наемной силой (это вполне естественно: нет
смысла держать людей, которые будут загружены работой только в горячую пору;
римские хозяева обычно хорошо учитывали, что им выгодно). На «птицефермах», о
которых Варрон рассказывает, занято по нескольку человек. Сазерна (писатель
конца II - начала I в. до н.э.), у которого было имение в долине р. По, берет
в качестве нормы участок в 200 югеров, для обработки которого требуется 8
человек ; Колумелла при расчете рабочих дней имеет в виду как раз такое имение.
Раскопки под Помпеями познакомили нас с рядом хозяйств, у которых количество
земли редко доходило до 100 югеров, а число рабов до десяти.
Большого числа людей требовало кочевое скотоводство (а по климатическим
условиям Италии большие стада овец и крупного рогатого скота приходилось
перегонять с юга, из Апулии и Калабрии, где трава летом выгорала, в Абруццы, а на
зиму идти с ними обратно на юг) . По свидетельству Варрона, тысячную отару
грубошерстных овец поручали 10 человекам, конский табун в 50 голов - двоим, а
таких отар и табунов бывало у одного хозяина по нескольку. Размах италийского
скотоводства был очень велик, и число пастухов в общей сложности исчислялось
тысячами; Ливии рассказывает, что в 185 г. до н.э. в Апулии не было житья от
пастухов, разбойничавших по дорогам и на пастбищах. Претору удалось поймать
около 7 тыс. человек, а многие убежали.
О многолюдных «городских семьях» уже говорилось. Ошибкой было бы, однако,
думать, что домашняя челядь обычно исчислялась в сотнях людей. Педаний
Секунд, префект Рима (61 г. н.э.), живший в особняке-дворце, мог держать 400
рабов; могли иметь сотни их и владельцы особняков, расположенных на городской
периферии. При наличии у них большой земельной площади можно было выстроить
для рабов отдельную казарму в два-три этажа; можно было разместить их в
какой-то части огромного дома. В таком доме, каким был Дом Менандра в Помпеях,
можно было отвести одну половину для хозяйственных нужд и для рабов. Но где
было поселить не то что несколько сотен, а несколько десятков рабов в таких
квартирах многоэтажной инсулы, в каких жило большинство римского населения?
Обычная квартира площадью около 100 м2 состояла из двух парадных комнат,
занимавших большую часть общей площади, и двух-трех спален значительно меньшего
размера, иногда еще одной небольшой комнаты-кухни и довольно узкого коридора.
Ни парадные комнаты, ни хозяйские спальни для рабов не предназначались.
Оставались кухня и коридор, в которых и десяти человекам было не повернуться.
Указаний на то, что рабы, прислуживающие по дому, селились отдельно от
хозяев, в каком-то специально для них нанятом или отведенном бараке, мы нигде не
найдем. Вопли Горация, взывающего к своим, не слишком проворным «парням»,
чтобы они помогли ему одеться и провожали на Эсквилин к Меценату, неожиданно,
уже поздно вечером, пригласившего поэта в гости, свидетельствуют, что Дав с
товарищами живут совместно с господином. При дороговизне римских квартир
снимать еще одно помещение для рабов человеку, даже хорошего достатка, было бы
накладно. Обитатели инсул вынуждены были ограничивать штат своей прислуги по
той весьма простой и весьма побудительной причине, что девать эту прислугу
было некуда.
Переселение из особняка в инсулу произвело целую революцию в быту не только
хозяина, но и его раба. В особняке была кухня, был очаг, на котором можно
было сварить еду; в инсуле имеется жаровня для хозяина и его семьи; раб пусть
кормится на стороне. Он получает «месячину»: по словам Сенеки, пять модиев
Зерна и пять динариев. Деньги раб мог употребить на покупку разной приправы к
хлебу: оливкового масла, соленых маслин, овощей, фруктов. Иногда хлебный паек
выдавался не помесячно, а поденно, и в этом случае, по всей вероятности, не
зерном, а печеным хлебом: ежедневно отвешивать зерно было бы чересчур
хлопотливо , а покупать стандартный хлеб одного и того же веса легко. Возможно, что
поденный паек выдавался просто деньгами.
Если жилищные условия у сельского раба были плохи, то у городского они были
еще хуже. В инсуле особого помещения для него не было; рабы притыкались где
придется, лишь бы найти свободное местечко. О кроватях нечего было и думать.
Марциал, укладывая раба на «жалкую подстилку», писал, видимо, с натуры.
Этот горький быт делала еще горше полная узаконенная зависимость раба от
хозяина - от его настроения, прихоти и каприза. Осыпанного милостями сегодня,
завтра могли подвергнуть жесточайшим истязаниям за какой-нибудь ничтожнейший
проступок. В комедиях Плавта рабы говорят о порке, как о чем-то обычном и
повседневном. Розги считались самым мягким наказанием, страшнее был ременный
бич и «треххвостка» - ужасная плеть в три ремня, с узлами на ремнях,
переплетенных иногда проволокой. Именно ее требует хозяин, чтобы отстегать повара за
недожаренного зайца. Эргастул и колодки, работа на мельнице, ссылка в
каменоломни, продажа в гладиаторскую школу - любого из этих страшных наказаний мог
ожидать раб, и защиты от хозяйского произвола не было. Ведий Поллион бросал
провинившихся рабов в пруд на съедение муренам: «только при такой казни он
мог наблюдать, как человека сразу разрывают на куски». Хозяйка велит распять
раба, предварительно вырезав ему язык. Случай был не единственный; о таком же
упоминает Марциал. Зуботычины и оплеухи были в порядке дня, и люди вроде
Горация и Марциала, которые отнюдь не были злобными извергами, считали вполне
естественным давать волю рукам и отколотить раба за плохо приготовленный
обед. Хозяин считает себя вправе не лечить заболевшего раба: его просто
отвозят на остров Асклепия на Тибре и там оставляют, снимая с себя всякую заботу
об уходе за больным. У Колумеллы мелькнули хозяева, которые, накупив рабов,
вовсе о них не заботятся; разбойник Булла говорит властям, что если они хотят
положить конец разбою, то пусть заставят господ кормить своих рабов.
Многое, конечно, зависело от хозяина, от его характера и общественного
положения. Раб, которого солдат в качестве военной добычи приводил к себе
домой, в свой старый крестьянский двор, сразу оказывался равным среди равных;
ел ту же самую пищу, что и все, и за тем же самым столом, спал вместе со
всеми в той же хижине и на такой же соломе; вместе с хозяином уходил в поле и
трудился наравне с ним. Хозяин мог оказаться злым на работу и не давать на
ней спуску, но он сам работал, не щадя сил и не жалея себя; он мог
прикрикнуть на раба, но также кричал он и на сына, и в его требовательности не было
ничего обидного или унизительного. В простой рабочей среде не было глупых
прихотей и злого самодурства, когда какой-нибудь сенатор требовал, чтобы раб
не смел раскрыть рта, пока его не спросят, и наказывал раба за то, что он
чихнул или кашлянул в присутствии гостей.
Были среди римских рабовладельцев не одни изверги; мы знаем и добрых, по-
настоящему человечных и заботливых хозяев. Такими были Цицерон, Колумелла,
Плиний и его окружение. Плиний позволяет своим рабам оставлять завещания,
свято выполняет их последнюю волю, всерьез заботится о тех, кто заболел;
разрешает им приглашать гостей и справлять праздники. Марциал, описывая усадьбу
Фаустина, вспоминает маленьких vernae, рассевшихся вокруг пылающего очага, и
обеды, за которыми «едят все, а сытый слуга и не подумает завидовать пьяному
сотрапезнику». У Горация в его сабинском поместье «резвые vernae» сидели за
одним столом с хозяином и его гостями и ели то же самое, что и они. Сенека,
возмущавшийся жестокостью господ, вел себя со своими рабами, вероятно,
согласно принципам стоической философии, которые провозглашал.
Мы не можем установить статистически, кого было больше, плохих или хороших
хозяев, и, в конце концов, это не так важно; и в одном и в другом случае раб
оставался рабом; его юридическое и общественное положение оставалось тем же
самым, и естественно поставить вопрос, как влияло рабское состояние на
человека и какой душевный склад оно создавало. Какие были основания у Тацита и
Сенеки говорить о «рабской душе» (ingenium ser vile)?
Чужой в той стране, куда его занесла злая судьба, раб равнодушен к ее
благополучию и к ее несчастьям; его не радует ее процветание, но и горести ее не
лягут камнем на его душу. Если его забирают в солдаты (во время войны с
Ганнибалом два легиона были составлены из рабов) , то он идет не защищать эту
безразличную ему землю, а добывать себе свободу: он думает о себе, а не обо
всех. Люди отняли у него все, чем красна жизнь: родину, семью, независимость,
он отвечает им ненавистью и недоверием. Далеко не всегда испытывает он
чувство товарищества даже к собратьям по судьбе. В одной из комедий Плавта хозяин
дома велит своей челяди перебить ноги каждому соседскому рабу, который
вздумал бы забраться к нему на крышу, кроме одного, и этот один отнюдь не
обеспокоен судьбой товарищей: «плевать мне, что они сделают с остальными».
Объединение гладиаторов, ушедших со Спартаком, или тех германцев, которые, попав в
плен, передушили друг друга, чтобы только не выступать на потеху римской
черни , явление редкое - обычно другое: люди, которые живут под одной крышей,
ежедневно друг с другом встречаются, разговаривают, шутят, рассказывают один
другому о своей судьбе, своих бедах и чаяниях, хладнокровно всаживают нож в
горло товарищу. Цирковые возницы не остановятся перед любой хитростью,
обратятся к колдовству лишь бы погубить товарища-соперника. В мирной обстановке
сельской усадьбы хозяин рассчитывает на то, что рабы будут друг за другом
подглядывать и друг на друга доносить. Раб отъединен от других, заботится
только о себе и рассчитывает только на себя.
Раб лишен того, что составляет силу и гордость свободного человека, - у
него нет права на свободное слово. Он должен слыша не слышать и видя не видеть,
а видит и слышит он многое, но высказать по этому поводу свое суждение, свою
оценку не смеет. Перед его глазами совершается преступление - он молчит; и
постепенно зло перестает казаться ему злом: он притерпелся, обвык,
нравственное чутье у него притупилось. Да и чужая жизнь интересна ему только в той
степени, в какой от нее зависит его собственная; в этом мире единственное,
что есть у него, - это он сам, и его будущее зависит только от него. По
странной иронии судьбы этот человек, став «вещью», оказывается кузнецом своей
судьбы. Ему надо выбиться из своего рабского состояния, и он выбирает путь,
который кажется ему наиболее верным и безопасным: он опутывает душу хозяина
ложью и лестью - усердно выполняет все его приказания, повинуется самым
гнусным его прихотям; «что бы ни приказал господин, ничто не позорно», - скажет
Тримальхион. Умный и наблюдательный, он быстро подмечает пороки и слабости
хозяина, ловко потакает им, и скоро хозяин уже не может обойтись без него: он
становится его правой рукой, советником и наперсником, заправилой в доме,
грозой остальных рабов, а иногда и несчастьем для всей семьи (история Стация,
раба, а потом отпущенника Цицеронова брата Квинта). Он изгибается перед
хозяином: хозяин - сила, и высокомерно дерзок со всеми, в ком нет силы. Если
ему будет выгодно предать хозяина и донести на него, он предаст и донесет.
Моральные колебания ему неизвестны; законы нравственности его не связывают:
он не подозревает об их существовании. «Сколько рабов, столько врагов», -
поговорка возникла на основании опыта и наблюдения.
Не все рабы были, конечно, таковы. Были люди, которые не мирились со своей
рабской судьбой, но сбросить ее путем угодничества и пресмыкания не могли и
не умели. Жизнь их становилась сплошным протестом против законов злого и
несправедливого мира, который подчинил их себе. Протест этот мог выражаться
очень различно в зависимости от нравственного склада и умственного уровня.
Одни становились просто «отчаянными»: ни плети, ни колодки, ни мельница
ничего с ними не могли поделать; они пили, буянили, дерзили: это был их способ
выражать свою ненависть и свое презрение к окружающему. Другие умело эту
ненависть скрывали, копили ее в себе, ожидая своего часа, и когда он приходил,
обрушивали ее все равно на кого, лишь бы на сытых и одетых, на тех, кто
походил на человека, который ими помыкал и втаптывал в грязь. Они расправлялись с
хозяином, сбегали, уходили в разбойничьи шайки, жадно прислушивались, нет ли
где восстания. В войске Спартака было много таких.
Люди, более мирные и обладавшие малым запасом внутренней силы, мирились со
своей долей и старались только устроиться так, чтобы рабское ярмо не слишком
натирало им шею. Они прилаживались к дому и всему домашнему строю и жили со
дня на день, не заглядывая дальше сегодня, потихоньку ловчась и выгадывая
себе хоть крохотный кусочек жизненных удобств и удовольствий. Полюбоваться на
гладиаторов, забежать в харчевню и поболтать с приятелем, съесть кусочек
мяса, отведать жирной лепешки, зайти к дешевой продажной женщине, - бедный,
ограбленный людьми человек ни о чем больше не мечтал. Если он попадался на
какой-нибудь не очень невинной проделке, вроде подливания воды вместо отпитого
вина или на краже нескольких сестерций, и извернуться никак не удавалось, он
мужественно терпел побои: неприятностей в жизни не избежать, и умение жить
заключается в том, чтобы проскользнуть между ними, не очень ободрав себе
кожу. Комедия любила выводить таких рабов; Плавт без них почти не обходится.
Раб отомстил хозяину, и рабские восстания были, пожалуй, наименее страшной
формой этой мести. Его жизнь была обезображена - он сделал безобразной жизнь
хозяина; его душа была искалечена - он искалечил хозяйскую. С детских лет
хозяин привык, что его желаниям нет преграды, и все его поступки встречаются
только одобрением - контроль над собой утрачивается, голос совести замолкает.
В его власти находится толпа этих бесправных, безгласных людей, он может
делать с ними все, что хочет, - и страшные темные инстинкты, живущие в его
душе, вырываются на волю: он наслаждается чужими страданиями, и в атмосфере,
которая не отравлена жестокостью и произволом, ему уже нечем дышать. Он
презирает рабов, и уважение к человеку и к самому себе незаметно умирает в его
душе; в ней, как в зеркале, отражается «рабская душа»; хозяин становится
двойником своего раба: он пресмыкается и лжет, он дрожит за свою жизнь и свою
судьбу, он труслив и нагл. Сенатор ведет себя с Калигулой или Нероном, а
свободный клиент со своим патроном ничуть не лучше, чем ведет себя с господами
их самый подлый раб.
Нельзя было не видеть этого растлевающего влияния рабской среды.
Квинтилиан, умный, прекрасный педагог, предупреждал родителей об опасности для детей
«общения с дурными рабами»; Тацит считал главной причиной падения нравов то
обстоятельство, что воспитание детей его современники поручают рабам, и
ребенок проводит свое время в их обществе.
Была, однако, еще категория рабов, которых хозяева в слепоте своего
рабовладельческого мировоззрения считали добрыми и верными рабами. Люди эти были
наделены большой долей здравого смысла, считали, что плетью обуха не
перешибешь, и не мечтали о царстве справедливости. В них не было героической
закваски их неукротимых товарищей, которые с голыми руками кидались на штурм
страшного римского государства. Они думали о себе, устраивали свою судьбу,
мечтали о свободе для себя и считали, что дорогу к ней они, скорее всего,
пробьют работой. Им претили окольные пути угодничества и низости, которыми в
рабской среде шли многие. Это были порядочные люди и добросовестные
работники, которые часто вкладывали в работу пыл творческого вдохновения. Эти
безыменные атланты, и в рабском состоянии, и став свободными, держали на своих
крепких плечах всю хозяйственную жизнь Рима. Слова Гомера «раб нерадив» к ним
не приложимы. Мы видели, какое количество специалистов насчитывало в Риме
«водное ведомство» (рабы - сплошь). Эти люди, от усердия и внимания которых
зависела жизнь громадного города, не заслуживают имени «нерадивых», равно как
и пожарники (отпущенники, т.е. вчерашние рабы), ревностно несшие тяжкую и
неблагодарную службу. Рабы строили дома и базилики, водопроводы и храмы,
остатки которых до сих пор вызывают изумление и восторг. Форум Траяна создал не
один Аполлодор: если бы в его распоряжении не было тысяч рабских прилежных и
умных рук, его замысел никогда бы не осуществился. Италийский плодовый сад
насчитывает в своем ассортименте десятки великолепных сортов. Кто их вывел?
раб-садовник. Кто создал превосходную апулийскую породу овец, реатинских
ослов , за которых платили десятки тысяч сестерций, прекрасных рысистых лошадей?
Кто вел в глуши отдаленных пастбищ эту терпеливую работу скрещивания,
наблюдения, выращивания молодняка? Раб-пастух. Не были «нерадивыми» мастера,
которые создали легкие помпейские столики, умело разбросали прелестный орнамент
по широкому полю картибула, потрудились над деревянным сундуком или бронзовой
жаровней, превращая скромную утварь в подлинное произведение искусства. С
почтительным восторгом относимся мы к Спартаку и его товарищам, но и об этих
незаметных, забытых тружениках думаешь с любовью и уважением.
Человеческая жизнь и человеческие отношения очень сложны и многосторонни;
они не застывают в единой, единообразной форме. Облик их меняется; идут годы,
с ними в жизнь вступает нечто новое; старое уходит вовсе или подвергается
переработке, медленной вначале, может быть, едва заметной. Так было и в отноше-
нии к рабу, - наряду со старым пробиваются ростки нового. Римское
законодательство признавало рабство узаконенным международным институтом (iure
gentium) и, тем не менее, считало его противоестественным (contra naturam).
Законодатели никогда не задумывались над тем, как согласовать это
противоречие, но зато никогда не провозглашали того положения, которое Аристотель
положил в основу своего учения о рабстве: существуют не только люди, но целые
народы, которые по самой природе своей, по всему душевному складу (?????)
предназначены к рабству и должны быть рабами. Для римского законодателя раб
был движимым имуществом, вещью (res), но когда эта «вещь» получала свободу,
она немедленно превращалась в человека и очень скоро в римского гражданина.
На опыте повседневных встреч и ежедневного общения римлянин должен был
признать, что эта «вещь» обладает свойствами, которые заставляют относиться к
ней иначе, чем к ослу или собаке, и которые иногда таковы, что обладателя их
никак уж не посчитаешь «вещью». Большинство выдающихся грамматиков, о которых
рассказывает Светоний, были отпущенниками: этих рабов хозяева отпускали на
свободу «За их дарования и образованность». Отпущенниками были Ливии
Андроник, основоположник римской литературы, и Теренций, признанный мастер
латинской комедии. «Вещь» ежеминутно могла обернуться человеком, и с этим нельзя
было не считаться. Это пришлось признать самому Катону, а у него по отношению
к рабам не было и проблеска человеческого чувства. Этот человек,
рассматривавший раба действительно только как доходную статью, вынужден был, однако,
записать совет: «пахарям угождай, чтобы они лучше смотрели за волами» (слово
«пахарь» не передает всего значения bibulcus: это был действительно пахарь,
но в обязанности его входила не только пахота, на нем лежал весь уход за
волами) . Мы можем проследить в одной области, а именно, в сельском хозяйстве,
как растет это внимание к рабу - человеку; мы располагали здесь
документальными сведениями от двух столетий: Катон (середина II в. до н.э.), Варрон
(конец I в. до н.э.) и Колумелла (вторая половина I в. н.э.). Катон
рассматривает раба только как рабочую силу, из которой надо выжать как можно больше;
никак нельзя допустить, чтобы расходы на эту силу превысили доход, который она
дает: поэтому больного и старого раба надо продать, поэтому, если раб
временно не может работать, ему надо на это время сократить его паек, поэтому и
дождливые, и праздничные дни должны быть, насколько возможно, заполнены
работой; работа должна быть выполнена во что бы то ни стало: никакие «объективные
причины» в расчет не принимаются. Интереса к рабу как к человеку, мысли о
том, что его работа и продуктивность ее зависят от каких-то человеческих
чувств, у Катона искать нечего.
Совершенно иное наблюдаем мы уже у Варрона: необходимость заинтересовать
раба в его работе сознается вполне отчетливо. Жизнь ставит всё большие
требования: нужны урожаи более щедрые, доходы большие, чем те, которыми
удовлетворялись деды. Богатство хозяина создается трудом раба, и хозяин начинает
думать над тем, что предпринять, чтобы труд раба стал продуктивнее, как создать
систему взаимоотношений, при которой «враги» («сколько рабов, столько
врагов») обратили бы свою энергию не на подрыв хозяйского благополучия, а
трудились бы над его созданием и преуспеянием. Хозяин начинает понимать, что
работа выполняется не только мускульной силой раба, что можно работать «с душой»
и что только такая работа и хороша. Вводятся поощрения и награды, рабу
разрешается иметь кое-какую собственность (peculium), дозволено обзавестись
семьей. Вилику приказано распоряжаться словом и волю рукам давать только в
крайнем случае. Катон в своем хозяйстве узаконил оплачиваемую проституцию, причем
ни ему, ни его будущим поклонникам не приходило в голову, что vir vere
romanus («настоящий римлянин») выступает здесь до некоторой степени в роли
сводника, торгующего своими рабынями. У пастухов, о которых рассказывает
Варрон, уже настоящая семья и, насколько это возможно в условиях кочевого быта,
настоящий домашний очаг с его пусть и нехитрым, но уютом и покоем. «Вещь»
обернулась человеком. Что было этому причиной? Обеднение рабского рынка
сравнительно со временем Катона, когда десятки тысяч военнопленных раз за разом
выводились на продажу? Вестерман, конечно, прав, приводя эту причину, но она
была отнюдь не единственной, как не единственными были и соображения
хозяйственные. Рабы успели ко времени, когда Варрон писал свой трактат о сельском
хозяйстве, проявить себя и в государственной жизни Рима, и в домашнем быту,
как силу, с которой нельзя было не считаться. Спартак дал урок, хорошо
врезавшийся в память. Сулла, освобождая 10 тыс. рабов, рассчитывал на них, как
на надежную гвардию телохранителей. Милона и Клодия окружает свита
вооруженных рабов, которые для них и охрана, и опора. После убийства Цезаря обе
стороны стараются обеспечить себе поддержку рабов; набирают их в свои войска и
обещают свободу. Тирон был добрым помощником Цицерону, Стаций - злым гением
его брата. Врач, секретарь, управитель хозяйством - рабовладелец каждую
минуту, на каждом шагу натыкался на раба и вынужден был силой обстоятельств
входить с ним в личные, близкие отношения. Все это приближало «вещь» к хозяину,
заставляло в нее вглядываться, настойчиво объясняло господам, чем может быть
«вещь». Объяснения запоминались. Колумелла пошел дальше Варрона: он
советуется с рабами о том, что и как делать, разговаривает и шутит с ними, поощряет
их наградами. Вилику запрещены телесные наказания: он должен действовать не
страхом, а своим авторитетом, его должны почитать, но не бояться. Нельзя
слишком напористо требовать работы: пусть даже раб прикинется на несколько
дней больным и отдохнет; тем охотнее возьмется он потом за работу. Усиленно
подчеркивается внимание, с которым нужно относиться ко всем нуждам раба - к
его здоровью, пище, одежде. Во всех предписаниях Колумеллы звучит отношение к
рабу, как к человеку: он требует от него не только работы, он хочет его
благожелательности, такого отношения к хозяину, которое заставит работать с
охотой, и продумывает целую систему отношений, которые эту благожелательность
обеспечат. Мало того, он идет на уступки, которые улучшат существование раба.
По букве закона раб не мог иметь никакой собственности: все, что у него
было, принадлежало хозяину. Жизнь внесла свою поправку в юридические нормы.
Хозяин быстро сообразил, какая для него выгода, если он позволит рабу иметь
что-либо свое: во-первых, раб будет охотнее и лучше работать, рассчитывая
набрать себе денег на выкуп, а во-вторых, то, что он приобретает для себя, все
равно останется в качестве выкупа в хозяйских руках. Только совсем уж
бессовестные хозяева накладывали руку на это рабское имущество (оно называлось
«peculium»), а собирал его раб «по унциям», по грошу, отрывая от себя
необходимое, часто подголадывая, лишь бы набрать нужную сумму. Варрон рекомендовал
«приложить старание к тому, чтобы у рабов был пекулий», и у пастухов, о
которых он рассказывает, имеется в хозяйском стаде несколько собственных овец.
Иногда рабы получали «на чай» от гостей или клиентов, иногда им удавалось
что-либо своровать и «тайком увеличить пекулий». Иногда хозяин давал рабу
деньги под проценты, и тот пускал их в оборот, выплачивая хозяину долг и
оставляя прибыль себе. Бывало и так, что раб вел дело от хозяина, действуя от
его лица, а хозяин или выплачивал ему определенное жалованье, или награждал
какими-нибудь подарками. Все это шло в пекулий. Раб, у которого не имелось
пекулия, считался подозрительным и негодным. «Ты хочешь отдать девушку этому
рабу, ничтожеству и негодяю, у которого по сей день нет пекулия и на медный
грош!» - возмущается старик-хозяин в «Казине» Плавта. Цицерон характеризует
Диогнота, городского раба, как бездельника - «у него нет вовсе пекулия».
Пекулий раба мог доходить иногда до такой суммы, что он получал возможность
приобретать «заместителей», собственных рабов (vicarii), которые помогали ему
выполнять его обязанности.
И семья, в которой закон отказывал рабу, фактически у него была, хотя, с
юридической точки зрения, это был не брак, а только «сожительство»
(contubernium). Хозяин понимает, что брачные отношения в рабской среде для
него выгодны: они привязывают раба к дому (недаром Варрон так настойчиво
рекомендовал женить пастухов, кочевавших по Италии с хозяйскими стадами: в
рабской среде пастухи были наиболее независимым и грозным элементом, и семья
была очень надежным средством держать этих людей в узде), делают его податливее
и послушнее, а дети, родившиеся от этих союзов, «доморощенные рабы» (vernae),
увеличивали рабскую familia и считались наиболее преданными и верными
слугами. В быту брак раба, особенно при империи, и признается, и уважается: по
закону нельзя разлучать членов семьи. На практике закон этот, случалось,
обходили, и поэтому в завещаниях часто подчеркивалась воля завещателя, чтобы дети
и родители оставались вместе.
В жизнь раба вмешивается и государство: появляется ряд законов,
ограничивающих права хозяина. Lex Petronia de servis (19 г. н.э.) запрещает хозяину
самовольно отсылать раба «на сражение со зверями» в амфитеатр; такое
наказание может наложить по рассмотрении хозяйской жалобы в Риме префект города, а
в провинции - ее наместник. По эдикту императора Клавдия больной раб,
Завезенный хозяином на остров Асклепия и брошенный там, получает в случае
выздоровления свободу; убийство старого или увечного раба считается уголовным
преступлением. Адриан «запретил хозяевам убивать раба; их могли приговорить к
смерти, если они ее заслуживали, только судьи. Он запретил продавать своднику
или ланисте раба или служанку... уничтожил эргастулы». За жестокое обращение с
рабынями он отправил одну римскую матрону на пять лет в изгнание. Раб мог
обратиться к префекту города, «если хозяин жесток, безжалостен, морит его
голодом, понуждает к разврату»; по рескрипту Антонина Пия жестокого хозяина
Заставляют продать своих рабов.
Не следует думать, конечно, что жизнь раба при империи в корне изменилась,
но некоторые перемены, несомненно, в ней произошли. Страстное негодование, с
которым Ювенал обрушивается на жестоких господ, размышления Сенеки над тем,
что высокая душа может жить не только в римском гражданине, но и в рабе,
поведение Колумеллы с его рабами, обдуманная система доброго обращения с рабом
у Плиния Младшего, едкие и гневные слова, брошенные Марциалом в лицо
хозяевам, тиранящим своих рабов, - все это свидетельствует о том, что в отношении
к рабу произошли какие-то сдвиги. Сдвиги эти были вызваны причинами разными:
были тут соображения и чисто хозяйственного порядка, и политического, и
морально-философского. Законодательство не вело за собой общества, оно выражало
его настроение.
ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ.
ОТПУЩЕННИКИ
Побуждения, по которым хозяин отпускал раба на волю, могли быть разные,
корысть и тщеславие были не из последних. Продать свободу рабу и получить от
него обратно, чистыми деньгами, стоимость того, что хозяин позволял ему
накапливать в годы рабства, было, конечно, делом выгодным. Хозяин учитывал
рыночную стоимость раба, размеры его пекулия, возможности его заработка в
дальнейшем - и назначал соответствующий выкуп. Обычная цена раба колебалась в начале
империи между 800 и 2400 сестерций, но один из гостей Тримальхиона выкупился
за 4 тыс. сестерций; стоимость виноградаря Колумелла определял в 8 тыс., и
хозяин, возможно, не пожелал бы сбавить эту сумму, отпуская на волю хорошего
работника. Глазной врач в маленьком италийском городке заплатил за свою
свободу 50 тыс. сестерций. На этом не кончалось: хозяин рассчитывал, и с полным
основанием, на те доходы, которые он получит в дальнейшем от своего
отпущенника ; о них речь пойдет ниже.
Весьма действенным побуждением к отпуску рабов было хозяйское тщеславие.
Обычай требовал, чтобы сенатор появлялся на людях в сопровождении толпы
клиентов. Если таковых оказывалось мало, то самым простым способом увеличить их
число было освобождение некоторого числа рабов, которые и пополняли собой в
качестве новых клиентов скромную свиту сенатора. Иногда хозяину хотелось
придать особую пышность своим похоронам: «некоторые завещают отпустить после их
смерти всех рабов на волю, чтобы прослыть прекрасными людьми и чтобы за их
погребальным ложем шла толпа отпущенников в своих колпаках»186.
Случалось, и не так уж редко, что хозяин отпускал раба из приязни к нему,
возникшей за долгие годы совместной жизни, и в благодарность за оказанные
услуги. Харидем, дядька Марциала, был несноснейшим ворчуном, который совал свой
нос всюду и у которого всегда был наготове запас упреков и наставлений, но он
качал еще колыбель поэта, охранял мальчика и ни на шаг не отходил от него, и
либо сам Марциал, либо отец его дали старому дядьке отпускную. Упоминания об
отпуске кормилиц, педагогов, секретарей, чтецов, врачей неоднократно
встречаются в надписях. Иногда талантливость и образование раба настолько поднимали
его над обычным рабским уровнем, настолько не вязались с его рабским званием,
что хозяин освобождал его: почти все известные грамматики, о которых пишет
Светоний, были отпущены на волю «за свои дарования и свою образованность».
Отпуск раба на волю мог совершаться двояким образом: формальным (manumissio
iusta) или без всяких формальностей, «домашним способом» (manumissio minus
iusta). Этот домашний способ носил общее название «освобождения в присутствии
друзей» (inter amicos). Имелось три его вида: хозяин уведомлял раба письмом,
что он свободен (per epistolam, - письмо составлялось, конечно, при
свидетелях, которые и удостоверяли своими подписями его подлинность); хозяин сажал
раба за стол, стирая таким образом разницу между его положением и положением
своим и остальных застольников (per mensam); он объявлял раба свободным перед
лицом нескольких человек, которые оказывались в роли свидетелей.
Этот способ освобождения раба (в любом из его трех видов) был в силу своей
простоты чрезвычайно популярен: тут не требовалось присутствия магистрата,
никуда не надо было идти; все совершалось в доме хозяина, а кроме того, при
такой форме отпуска не надо было платить установленного пятипроцентного
налога со стоимости раба, который вносился при формальном отпуске на волю.
Другая форма отпуска (manumissio iusta) была трех видов: «палочкой»
(vindicta), внесением в цензовые списки (censu) и по завещанию (testamento).
Раба отпускали на волю «палочкой» обычно в присутствии претора187. Хозяин
приходил к нему со своим рабом, и вся процедура представляла собой фикцию
тяжбы по вопросу о собственности. В подлинной тяжбе обе стороны, каждая с
палкой в руке (символ собственности) касались этой палкой спорного предмета,
объявляя его своим имуществом. Так как за рабом не признавалось никаких
юридических прав, то от его имени выступал или ликтор магистрата, или какое-либо
другое лицо, которое именовалось assertor libertatis («защитник свободы»). Он
касался своей палочкой раба и объявлял его свободным человеком. Хозяин,
естественно, не противоречил, и претор произносил решение в пользу «защитника
свободы». Хозяин брал тогда раба за руку, поворачивал его вокруг себя и давал
ему пощечину188. На этом вся церемония заканчивалась, и раб становился
свободна раба в Знак его освобождения надевали круглый войлочный колпак.
187 Кроме претора, официальными лицами, в присутствии которых можно было отпустить раба
формальным, узаконенным способом, были консул, проконсул, легаты цезаря и префект Египта.
О смысле этой пощечины спорят до сих пор. Дюканж ставил ее в связь с ударом меча при
посвящении в рыцари, но не подкрепил своего мнения никакими доказательствами. Высказаны были
еще следующие предположения: а) пощечина первоначально имела Значение оберега от Злого
Завистливого глаза; б) она должна была напомнить рабу, чтобы он в своем новом положении
свободного человека не Заносился; в) чтобы Запечатлеть в памяти освобождаемого момент освобожде-
ным человеком.
Второй способ, который можно было применить только однажды за пять лет,
заключался в том, что во время переписи, производимой цензорами, хозяин заявлял
им, что он освобождает таких-то и таких рабов и просит занести их имена в
списки римских граждан.
Отпуск по завещанию был чрезвычайно распространен (рабы, отпущенные таким
образом, назывались «orcini»: от Orcus). Воля завещателя должна была быть
выражена в строго определенных терминах: liber esto Stichus - «да будет Стих
свободен» или iubeo Stichum esse liberum - «приказываю: быть Стиху
свободным». Volo Stichum esse liberum - «желаю, чтобы Стих был свободен», такая
фраза уже не имела силы категорического приказа - это было fideicommissum,
исполнение которого и при республике, и в I в. империи зависело от
совестливости наследника. Раба можно было назначить по завещанию и наследником, но в
этом случае необходимо было определенное приказание его освободить: Stichus
liber et heres esto - «да будет Стих свободен и мне да наследует»189. Если
хозяин забыл слово liber, завещание не имело силы: имущество умершего со Стихом
вместе переходило к его другому наследнику, а если наследника не было, то в
императорскую казну.
Отношения отпущенника и его бывшего хозяина, теперь патрона, приравнивались
законодательством к отношениям отца и сына. Патрон, как добрый отец, должен
позаботиться о том, чтобы его отпущенник не оказался на пороге свободной
жизни без всяких средств к существованию: он предоставит ему место с
определенной оплатой, подарит некоторую сумму денег, а то даст небольшой участок земли
и поможет обзавестись хозяйством. Он не покинет его в нужде и беде, поддержит
словом и делом, но если с ним самим случится несчастье и ему придется туго,
то и отпущенник, как добрый сын, не замедлит со своей помощью. Если
отпущенник пал от руки убийцы, патрон обязан найти преступника и привлечь его к
суду: он должен действовать здесь так, как действовал бы, случись такое
несчастье с кем-либо из его кровных родных. Связанные взаимным вниманием и
участием при жизни, они не расстаются и после смерти: в своей семейной усыпальнице
патрон отводит место «своим отпущенникам, отпущенницам и потомству их». Если
отпущенник совершил преступление, за которое полагается ссылка или смертная
казнь, патрон не должен выступать обвинителем, и нельзя заставить его
свидетельствовать против своего отпущенника. И отпущенник не может быть
обвинителем своего патрона190, и нельзя принуждать его выступить со свидетельством
против него - «для отпущенника и сына особа отца и патрона должна быть всегда
почитаемой и священной»; отпущенник должен быть obsequens и officiosus к
своему патрону. История знает преданных и верных отпущенников. Веллей говорит,
что во время проскрипций перед установлением принципата наибольшую верность
проявили жены по отношению к своим мужьям; верность отпущенников своим
патронам он оценил, как «среднюю». Август «почтил всадническим достоинством»
одного отпущенника за то, что тот укрывал во время проскрипций своего патрона.
При Нероне был случай, что отпущенник принял на себя обвинение в убийстве,
чтобы спасти своего бывшего хозяина.
ния, важнейший в его жизни; г) пощечина как бы символизировала все оскорбления, которым мог
подвергнуться человек в своей рабской жизни; в будущем они ему уже не грозили.Вместо палочки
можно было коснуться раба соломинкой или стеблем травы. Когда-то это был символ Земельной
собственности, но Затем и соломинка, и травинка стали, так же как и палочка, символом
собственности вообще.
Освобождение по Завещанию сопровождалось иногда разными оговорками: через такой-то срок
после смерти Завещателя; после смерти такого-то или таких-то лиц; раб обязан уплатить
наследнику или другому лицу некоторую сумму денег; представить отчет по таким-то делам.
190 Исключение делается в случае преступления патрона против императора. Заговор ПиЗона был
раскрыт, так как отпущенник Милих явился к Нерону с доносом на своего патрона.
Понятия obsequium и officium никогда не были определены юридически: говорил
не закон, а обычай, предписывавший нормы поведения, подсказанные традицией и
нравственным чутьем. Для римлянина с его остро развитым чувством pietas во
всем, что касалось семейного уклада, немыслимо было представить себе сына,
который вчиняет гражданский иск против отца или возбуждает против него
уголовное дело. Не смеет этого и отпущенник. Только в случае последней
крайности, вынужденный безобразным поведением патрона или его детей, может он
обратиться в суд, но не иначе, как с разрешения претора - «претор говорит: отца,
патрона, детей и родителей патрона или патроны нельзя обвинять судебным
порядком без моего на то разрешения», а давалось это разрешение обычно с
неохотой, редко и действительно в случаях уже вопиющих. Очень любопытно в этом
отношении следующее указание Дигест: «Претор не должен обращать внимания, если
вчерашний раб, а с сегодняшнего дня свободный, пожалуется на то, что хозяин
его изругал, слегка толкнул или поучил; если же он плетью или ударами сильно
его поранил, тогда вполне справедливо претору за него вступиться». Если
отпущенник подавал на патрона жалобу без разрешения претора, то патрон мог
возбудить дело против жалобщика, и на отпущенника мог быть наложен крупный штраф;
был случай, когда отпущеннику пришлось заплатить 10 тыс. сестерций.
Officium состояло в выполнении ряда услуг, которые тоже не были установлены
и определены законом и были поэтому чрезвычайно многообразны; в силу этого
officium на отпущенника можно возложить любое дело, и он не смеет отказаться:
отправить его за границу с важным письмом, сделать учителем своих детей,
послать в имение проверить счета вилика, поручить закупку книг или статуй,
составление сметы на постройку нового дома, да мало ли еще что! Отпущеннику
надлежало строго выполнять обязанности officium и obsequium; их нарушение
грозило ему последствиями тяжкими. Клавдий обратил снова в рабство
«неблагодарных» отпущенников, на которых пожаловались патроны. И тут мы подходим к
вопросу, что терял хозяин, отпуская раба, и что приобретал от своего
отпущенника?
Рассмотрим, беря в грубой схеме, два случая (был, конечно, ряд
промежуточных) , разница которых обусловлена разницей в нравственном облике двух
патронов . В первом случае патроном будет хороший, совестливый человек, который
относится к отпущеннику действительно, как добрый отец к сыну. Он отпустил раба
без выкупа, - потерял, следовательно, деньги, которые когда-то за него
уплатил; пообещал отпущеннику, - и тот знает, что слово патрона крепко и
нерушимо, - что он не наложит руки на его наследство, и оно все перейдет к его
родным; не наложил он на отпускаемого никаких обязательств и, следовательно,
потерял право на его бесплатную работу в дальнейшем. Приобрел же он то, что ни
за какие деньги не покупается и никакими деньгами не оплачивается -
преданного человека, действительно члена семьи, принимающего к сердцу все ее печали и
нужды, верного помощника, на которого можно положиться, который не подведет и
не обманет. Фигуры таких отпущенников мелькают в переписке Цицерона; его
Тирон был лучшим их образцом.
Второй случай: патрон вовсе не злой и не плохой человек, но он не желает
отказаться от тех прав, которые предоставлены ему законом. Во-первых, он
может , отпуская раба, обязать его и в дальнейшем выполнять бесплатно некоторые
работы - они назывались орегае. Врач-отпушенник, например, продолжал лечить
не только своего патрона и его семью, включая рабов (это входило в officium),
- патрон брал с него клятву, что он будет лечить и его друзей. Архитектора
можно было таким же образом обязать построить один-другой дом сестре или
тетке патрона, искусного ювелира - заставить работать какое-то количество дней в
неделю в мастерской патрона. Смерть последнего не избавляла отпущенника от
этих орегае fabriles (полное их название) : он должен был нести их и для его
сына. Патрон получал тут от отпущенника меньше сравнительно с тем, чего мог
требовать от раба хозяин; он выгадывал на другом - на праве наследства.
При республике патрон имел право на половину имущества, оставшегося после
отпущенника; воспротивиться этому могли только дети умершего; жене, сестрам,
братьям, родителям покойного оставалось только смотреть на этот узаконенный
грабеж. По lex Papia Poppaea (9 г. н.э.) имущество отпущенника стоимостью в
100 тыс. сестерций переходит целиком к его детям, если этих детей трое; если
же их только двое или один, то все имущество делится в равных частях между
ними и патроном: на три части или пополам. Если прямых наследников вообще
нет, то патрон имеет право забрать себе, как и во времена республики,
половину всего. Имущество отпущенницы, находившейся всю жизнь под «опекой» (tutela)
патрона (для отпущенника она кончалась с наступлением двадцатилетнего
возраста) , неизменно пребывало в его ведении и переходило к нему, если он не
разрешал ей назначить себе другого наследника. Lex Papia Poppaea освобождал от
опеки отпущенницу только в том случае, если у нее было четверо детей, и
Клавдий распространил эту привилегию на тех отпущенниц, которые вкладывали свои
деньги в снабжение зерном римского рынка.
Пекулий раба, который после его смерти переходил к хозяину, только в
исключительных случаях доходил до 100 тыс. сестерций; отпущенник, по-видимому,
часто составлял себе стотысячное состояние: это обычная средняя сумма,
которая законом и принималась в расчет. Получить 50 тыс. сестерций или даже 33
тыс. , не шевельнув для этого пальцем, это был, конечно, очень удобный и
легкий способ обогащения. Можно смело сказать, что, отпуская раба на волю,
хозяин приобретал больше, чем терял. Кроме этих, законом признанных способов
обогащения за счет отпущенника, были другие, законом не упомянутые и бывшие в
ходу у беззастенчивых хозяев времен республики: можно было при отпуске
заставить отпущенника обещать патрону такую сумму денег, которую, было ясно, он
никогда не сможет выплатить191; можно было вынудить у него клятву на всю жизнь
остаться холостяком. В обоих случаях состояние отпущенника целиком переходило
к патрону, который, таким образом, на отпуске раба только выгадывал.
Августа принято считать убежденным врагом отпуска на волю и в
доказательство этого приводить два его закона, которые этот отпуск ограничивали: lex
Fufia Caninia от 2 г. до н.э. и lex Aelia Sentia от 4 г. н.э. Рассмотрим их
последовательно.
Lex Fufia Caninia устанавливал пропорцию, в которой хозяин мог отпускать
рабов по завещанию: если их у него было от двух до десяти, он имел право
освободить половину; если от десяти до тридцати - то одну треть. В домах,
располагавших количеством рабов от тридцати до сотни, можно было дать отпускную
только одной четверти этого состава; если это число колебалось между сотней и
пятьюстами, то отпустить можно было только одну пятую; больше ста рабов
отпускать на волю вообще не разрешалось.
Рассматривая этот закон как ограничительную меру, упускают из виду, что
ограничения эти касались только одного вида отпуска - отпуска по завещанию, а
не отпуска вообще. Дело было, следовательно, в каких-то особых причинах,
особых побуждениях, диктующих эту форму отпуска, и закон стремился ослабить силу
именно их. Что характерного было в этих побуждениях и что
противогосударственного и противообщественного усмотрел в них Август?
Дионисий Галикарнасский отметил, что посмертный отпуск рабов огулом часто
объяснялся голым тщеславием: блеснуть особой пышностью похорон, поразить
собравшихся видом нескольких сот отпущенников, оплакивающих своего патрона -
это было в чисто римском вкусе. Отпуск рабов по завещанию бывал актом
совершенно бездумным. Кончая свои счеты с жизнью, освобожденный от всяких
обязательств по отношению к своим отпущенникам, без размышлений о том, чем эти лю-
При империи такие обязательства считались не имеющими силы.
ди станут на свободе, и без страха перед тем, что они могут натворить, хозяин
вписывал в свое завещание одно имя за другим с пометкой - «да будет
свободен». Эта широкая щедрость ложилась тяжким бременем прежде всего на плечи
наследника . Представим себе конкретный случай отпуска на волю всей сотни рабов,
из которых три четверти стоят каждый по 800 сестерций, а остальные - каждый
по 2 тыс. Наследник обязан уплатить за каждого vicesima libertatis - налог,
взимаемый при отпуске раба, в размере 5% его стоимости, т. е. всего 5500
сестерций. Кроме того, он должен обеспечить каждому из этой сотни на первых
шагах его самостоятельной жизни возможность как-то устроиться. Он должен
приобрести новых рабов хотя бы и в меньшем количестве, чтобы вести хозяйство
дальше, Lex Fufia Caninia в первую очередь оберегал интересы наследника, которыми
пренебрег завещатель. Далее, ограничивая число отпускаемых, этот закон
заставлял выбирать среди рабов тех, кто был наиболее достоин свободы; если в
это число и попадали те, кого безопаснее было бы держать под замком и в
оковах, то во всяком случае их было меньше, и они не оказывались обязательно в
числе отпущенников, как это случалось при огульном отпуске на волю. Lex Fufia
Caninia ограничивал манумиссии только в одном случае и был внушен вниманием к
правам наследника-рабовладельца и тревогой за безопасность и спокойствие
государства .
Второй закон, lex Aelia Sentia, был также законом ограничительным: юноше,
который не достиг еще двадцатилетнего возраста, разрешалось отпустить раба
только в том случае, если причины, побуждавшие его к этому отпуску, были
одобрены специальной комиссией, состоявшей из пяти сенаторов и пяти всадников
(в провинциях эта комиссия должна была состоять из двадцати римских граждан).
Закон был продиктован вполне "основательными соображениями: юнец, не имевший
никакого жизненного опыта, не способный еще как следует разбираться в людях,
естественно оказывался игрушкой в руках умного и хитрого раба, который
обводил хозяина вокруг пальца и добивался всего, чего хотел. Юному хозяину не
отказывалось в праве отпустить тех рабов, с которыми он был связан
«справедливой приязнью»: если он замыслил освободить свою кормилицу, педагога, учителя,
препятствий к этому комиссия не чинила. Если юноша получал по завещанию
наследство и завещатель выражал в форме fideicommissa свое желание, чтобы
такой-то и такой-то рабы были освобождены, комиссия утверждала наследника в
решении выполнить это желание умершего. Больше того, если юноша хотел
освободить рабыню, чтобы жениться на ней, разрешение на отпуск давалось
беспрепятственно192. Таким образом, и lex Aelia Sentia только разумно ограничивал право
отпуска на волю, но отнюдь его не уничтожал. По этому же закону
недействительным признавался отпуск рабов, произведенный должником с целью обойти
своего кредитора и ничего ему не заплатить. Если, однако, хозяин, умирая
несостоятельным должником, освобождал по завещанию своего раба и делал его своим
единственным наследником, этот отпуск считался законным и действительным.
Август, естественно, заботился о хозяевах-рабовладельцах, но справедливая
оценка его законодательства в той части, которая касается отпущенников, вынуждает
признать, что он им покровительствовал и принял ряд мер к улучшению их
участи. Той же политики придерживаются и все императоры в дальнейшем.
Это было разумно и государственно необходимо. На опыте гражданской войны и
страшной разрухи последних десятилетий республики Август мог со всей яркостью
Немедленно давалось разрешение тому, кто желал освободить своих родных. Это относилось к
отпущенникам, родные которых находились еще в рабстве. Могло случиться так: члены одной
семьи были рабами в одном доме; хозяин, умирая, освободил только одного человека из этой
семьи, еще юношу, и оставил его своим наследником; отец и мать, братья и сестры оказывались
рабами своего сына и брата. Такой случай представлял собой нечто совершенно ненормальное, и
желание свободного юноши освободить родных было рассматриваемо, конечно, как вполне
Законное .
увидеть, какую грозную силу представляли рабы. Аллея крестов, которую Красе
когда-то поставил от Капуи до Рима, не сломала духа той ярости, которая
кипела в сердцах рабов и только искала удобного случая, чтобы обрушиться на
господ. Был единственный способ утишить эту ярость - дать рабу свободу. В тот
момент, когда преторский ликтор касался своей магической палочкой раба,
совершалось действительно чудо - между отпущенником и его вчерашними друзьями
по рабству разверзалась пропасть. Перед отпущенником открывается новая жизнь,
жизнь свободного человека с ее возможностями и задачами; он должен как-то
устроиться в этой жизни, подумать о будущности своих детей, о своих внуках, с
которых пятно рабского происхождения будет начисто стерто. Он свободный
человек. Что может его связывать с этой рабской толпой? Какие у него общие
интересы с ней? Отпущенник, примкнувший к рабскому восстанию или к шайке какого-
нибудь авантюриста, - это нечто немыслимое. Отпуск рабов на волю сохранял для
Римского государства сотни и сотни тысяч энергичных, дееспособных, часто
талантливых людей, вырывал у них в то же время жало ненависти, страшной для
общества и государства. Как предохранительный клапан не позволяет перегреться
котлу, выпуская излишнее количество паров, так институт отпущенников не
позволял «перегреваться» рабской массе, ежедневно выводя из нее обычно наиболее
сильных и даровитых и потому наиболее страшных ее представителей. Не
представляя себе возможности иного государства, кроме рабовладельческого, империя
постаралась ослабить те опасности, которые с этим рабовладением были связаны.
Август относился к отпущенникам так, как относилось к ним, в большинстве
своем, римское общество: с некоторым презрением и без симпатии; в своей
частной жизни он всегда держал их на расстоянии. Тем больше уважения внушает тот
государственный такт, та интересами государства предписанная
благожелательность к ним, которыми проникнуты его законы об этих людях. И дальнейшее
законодательство строго блюдет, словно завет основоположника империи, этот дух
благожелательности.
Первым по времени законом Августа об отпущенниках был lex Iunia, который
Дефф весьма убедительно относит к 17 г. до н.э.193 Чтобы понять его значение,
надо несколько вернуться назад и вспомнить об отпуске в форме manumissio
minus iusta.
Дело в том, что такой отпуск и был отпуском на волю, и не был им. Цицерон в
43 г. писал, что если раб не внесен в цензорские списки, не освобожден
«палочкой» или по завещанию, то он не считается свободным. У хозяина всегда
оставалась возможность раскаяться в своем великодушии и объявить
«освобожденному», что на самом деле он как был рабом, так и остается им. Обиженный имел
право жаловаться претору, но, во-первых у претора, по справедливому замечанию
Деффа, могли быть причины, побуждавшие его оказать любезность хозяину и стать
на его сторону, а во-вторых, многие ли рабы разбирались в римском праве и
знали, что они могут искать защиты у претора? Юниев закон объявлял всякую
manumissio minus iusta законной и необратимой: раб, освобожденный без всяких
формальностей только «в присутствии друзей», был свободен, и отобрать от него
эту свободу было нельзя.
Дефф считает этот закон также ограничительным: прежде чем отпустить раба,
хозяину следовало вспомнить, что сделанное будет бесповоротным, и задуматься,
стоит ли решаться на этот акт великодушия. Вряд ли это так. Если хозяин
освобождал своего раба спьяна, то тут Юниев закон, конечно, не был преградой;
если он желал блеснуть своей добротой и человечностью перед гостями, то желание
это могло пересилить все практические соображения. Да, кроме того, хозяин и
Гай Юлий Цезарь Октавиан Август стал принципатом (грубо говоря, императором) в 27 г. до
н.З. Его детство (пришеднееся на времена Юлия Цезаря) и отчасти юность хорошо показаны в
многосерийном фильме ВВС «Рим».
не всегда оставался в накладе194.
Рабы, освобожденные путем manumissio minus iusta, получали не права
римского гражданина, а те, которыми пользовались латинские колонисты - их так и
называли - latini Iuniani. Закон Элия Сентия присоединил к ним еще одну
категорию рабов - тех, которые были освобождены до тридцатилетнего возраста, и
которым упомянутая выше комиссия отказала в праве немедленного приобретения
римского гражданства. Сюда же относились рабы, которые, по эдикту Клавдия,
получали свободу, если хозяин во время их болезни отказывал им в уходе и
содержании195 .
Latini Iuniani имеют полное ius mancipationis, могут покупать и продавать
землю, скот, рабов, но в праве оставлять формальное завещание им отказано.
Они могут выразить свою волю только в форме fideicommissa, которые в течение
I в. н.э. обязательной силы законного принуждения не имеют. Они не могут
получать наследства, и по смерти их патрон может распорядиться всем их
имуществом, как ему заблагорассудится: забрать себе хоть все. Оказаться патроном ла-
тина было весьма выгодно, тем более что права патрона можно было продать,
подарить или завещать любому римскому гражданину (равно как и купить, и
получить по завещанию).
Предложив такую жирную добычу патрону в награду за его, может быть,
несколько опрометчивый шаг, - добычу, которую хозяин получал, конечно, не раз,
законодатель тут же начинает искать пути, каким образом эту добычу у него
вырвать. Что именно это было его целью, явствует из того относительно простого
и легкого способа, каким latinus iunianus мог стать полноправным римским
гражданином: если он женился на римской гражданке или на женщине, имеющей
латинское право, и у них родился ребенок, мальчик или девочка, все равно, то, как
только этому ребенку исполнялся год, все трое - муж, жена и дитя -
становились римскими гражданами. Первоначально этот способ приобретения римского
гражданства был действителен только для рабов, освобожденных до
тридцатилетнего возраста: Август превосходно учитывал, что хозяева с удовольствием
освободят ряд молодых рабов в расчете получить в будущем все их состояние, и
умело свел эти расчеты только к некоторой вероятности.
Дальнейшее законодательство идет по пути, указанному Августом. В 75 г. все
latini Iuniani получают римское гражданство после рождения первого ребенка от
жены римлянки или латинянки. Если латину не повезло с женитьбой, брак его
остается бездетным, если даже перспектива римского гражданства не смогла
осилить в его сердце старую любовь к отпущеннице-землячке, то перед ним открыты
другие пути. Со времени Тиберия мельник, намалывавший в течение трех лет
ежедневно по 100 модиев зерна; с 24 г. по lex Visellia пожарник после
шестилетней службы (вскоре срок этот был сокращен до трех лет); со времени Клавдия
Была еще одна группа отпущенников, Занимавшая среди них самое последнее место, так
называемые dediticii - «сдавшиеся» (lex aelia sentia, 4 г. н.э.). Рабы, осужденные За какое-либо
преступление, Закованные в наказание хозяевами или сосланные на мельницу, получая
освобождение, становились dediticii, и положение их приравнивалось к положению народа, побежденного и
сдавшегося на милость победителя. Они не были римскими гражданами, не могли делать Завещания
и получать наследство и им Запрещалось жить в Риме: они могли селиться не ближе ста миль от
города. Если они нарушали это постановление, их продавали в рабство, и они не могли больше
надеяться на освобождение. Что касается имущества, оставшегося после их смерти, то если раб
был освобожден «домашним способом», то патрон мог распорядиться им целиком по своему
желанию ; если он был освобожден с соблюдением всех формальностей, то патрон имел в его имуществе
такую же долю, как в имуществе отпущенников - римских граждан. Число, таких отпущенников
было всегда невелико.
195 Было в обычае отвозить Заболевшего раба на остров на Тибре, где находился храм Асклепия, и
оставлять его там на волю судьбы. Юстиниан пошел дальше Клавдия: по его постановлению раб,
покинутый хозяином во время болезни, не только освобождался из рабства, но и становился
римским гражданином; хозяин же терял по отношению к нему права патрона.
торговец, привозивший в продолжение шести лет на своем корабле по 10 тыс. мо-
диев зерна в Рим; владелец 200 тыс. сестерций, вложивший половину этого
капитала в постройку дома или домов в Риме, - все становились римскими
гражданами. Выбор деятельности был довольно разнообразен и, что называется, на все
вкусы.
Тенденция содействовать отпуску рабов на волю становится особенно заметной
во II в. н.э., когда был поставлен вопрос о fideicommissa, в которых
завещатель выражал свое желание, чтобы такой-то и такой-то рабы получили свободу. В
течение всего I в. fideicommissa не имеют силы законного принуждения; они
только накладывают на наследника моральное обязательство, и от его
совестливости зависит выполнить его или нет. Во II в. появляется ряд сенатских
постановлений и императорских указов, которые делают выполнение fideicommissa
обязательным: "Освобождению содействует сенатское постановление, составленное во
время божественного Траяна при консулах Рубрии Галле и Целии Гиспоне в
следующих словах (senatus consul turn 103 г. - М. С.) : если те, кому надлежало
предоставить рабу свободу, не пожелали явиться по вызову претора, то претор,
по рассмотрении дела, объявляет: рабы получают свободу на тех же основаниях,
как если бы они были освобождены самим хозяином". Наследник за свое
неповиновение воле завещателя терял права патрона. Это постановление имело силу для
всей Италии. Двадцать лет спустя оно было распространено на всю империю
(senatus consulturn Articuleianum 123 г.); наместник провинции, где скончался
завещатель, имел такое же право заставить наследника подчиниться воле
умершего, какое в Риме имел претор196. Senatus consulturn Iuneianum (127 г.)
уполномочивает претора выполнить fideicommissum, если оно даже относится к рабу,
который не включен в наследство, потому что к моменту смерти завещателя не
стал еще его собственностью: наследник обязан был, повинуясь fideicommissum,
отпустить на волю собственного раба, если он был назван в завещании, или если
раб принадлежал третьему лицу, купить этого раба и освободить197.
Еще Август сократил права патрона на орегае. По положению, высказанному в
lex Iulia de maritandis ordinibus (4 г. н.э.) и подтвержденному в lex Papia
Poppaea, отпущенник, имеющий двоих детей, освобождался от орегае. Патрон не
смел запретить ему жениться; клятва в безбрачии, вынуждаемая у него патроном
при отпуске и сохранявшая свою силу при республике, была объявлена при
империи недействительной.
Орегае бывали иногда для отпущенника несносной тяготой: он хотел работать
на себя, добиться хорошего положения для себя и для детей, а тут он был
прикован к одному месту и был обязан отдавать часть времени и работы патрону. Во
II в. некоторые отпущенники сразу же при отпуске откупаются от орегае, и
законодательство ограничивает здесь хозяйские требования, ибо, как выразительно
и неоднократно повторяют юристы, незаконно было, воспользовавшись случаем,
превратить отпущенника в пожизненного должника.
Римская империя, как мы видим, содействовала отпуску рабов, стремилась и
облегчить, и улучшить участь отпущенников и относилась к ним благожелательно
- и все же настороженно, с некоторой опаской и недоверием. Отпущенник не
входит , как равный, в общество искони свободных людей; ряд запретов лежит на
нем. Он может служить пожарником и матросом, но служба в легионах и городских
когортах, не говоря уже о преторианской гвардии, для него закрыта; он может
Около этого же времени было издано senatus consultum dasumianum, которое предусматривало
случай, когда наследник не выполнил fideicommissa завещателя не по Злому умыслу, а по
основательным причинам, помешавшим выполнению (болезнь, отсутствие). Претор, или соответствующий
магистрат, освобождал раба и в отсутствие наследника, но своих прав патрона тот не терял.
197 Чаще всего, конечно, Завещатель имел в виду раба, принадлежавшего его наследнику. Бывали,
однако, случаи, когда речь шла о чужом рабе. Если хозяин этого раба Запрашивал За него
безумную цену, то выполнение fideicommissum признавалось необязательным.
быть жрецом какого-нибудь чужеземного, восточного божества, Кибелы,
Фригийской матери богов, Изиды, Митры, но в культе почтенных исконных римских богов
выходец из рабской среды не может рассчитывать на жреческую должность; в
италийских и провинциальных городах ему закрыт доступ в городскую думу. Senatus
consulturn 23 г. н.э. отказывает во всадническом звании сыну отпущенника198;
только его внук может стать всадником. Брак, заключенный между отпущенником и
женщиной, свободной от рождения, признается законным, но члены сенаторских
семей не могут ни жениться на отпущенницах, ни выходить замуж за
отпущенников199; иначе вся семья теряет принадлежность к сенатскому сословию. Марк
Аврелий объявил такие браки вообще незаконными и недействительными. Сенатор мог
сделать отпущенницу своей наложницей - это вполне допускалось и не налагало
на него никакого пятна, но сделать ее своей законной женой - это был позор и
для него, и для всей его семьи. Для такого брака требовалось специальное раз-
200
решение императора, и давалось оно только в исключительных случаях
Был один пункт, который особенно четко напоминал отпущеннику его рабское
происхождение. Римского гражданина нельзя было подвергнуть пытке; под пыткой
допрашивали только рабов - и отпущенников. Она не допускалась лишь в том слу-
201
чае, если под судом оказывался патрон отпущенника . На двух случаях из
римской жизни I в. н.э. ясно видно, что государственная власть, так же как и
общество, никак не ставили отпущенников на один уровень с гражданами искони
свободными. Когда Отон оказался у власти, он сразу же расправился с двумя
приспешниками Гальбы, преступления которых вызывали всеобщее негодование.
Одного из них, всадника, префекта преторианцев, он побоялся казнить и отправил
его в ссылку (вдогонку ему был, правда, послан солдат, который его и
прикончил) ; «над Ицелом, как над отпущенником, казнь была совершена публично».
Второй случай произошел в царствование Тиберия. Приверженцы египетской и
еврейской религий стали вести себя столь предосудительно, что сенат решил принять
строгие меры. Свободнорожденным пригрозили высылкой из Италии, если они будут
упорно держаться своей новой веры и от нее не откажутся; с отпущенниками
разговаривать не стали: из них составили «бригаду» в 4 тыс. человек и отправили
в Сардинию бороться с тамошними разбойниками, которые уже давно делали жизнь
на острове невыносимой, и с которыми местная администрация не в силах была
справиться. Что ожидало высланных? Смерть от ужасного сардинского климата или
Клавдий отменил это постановление, но Нерон восстановил его.
199 На брак свободной женщины с ее отпущенником смотрели вообще косо: права патрона и права
мужа приходили Здесь в такое столкновение, что трудно было в них разобраться. Септимий Север
вообще Запретил их. Существовал еще Закон, подчеркивавший неполноправность отпущенника. Если
патрон Заставал его на месте преступления со своей женой, он мог прикончить его тут же на
месте; если обидчиком был патрон, отпущенник не имел права его убить. Приняты были меры и
против неверной жены, отпущенницы патрона: если она покидала его, она могла выйти Замуж За
другого только с разрешения покинутого мужа.
Феликс, брат Палланта, прокуратор Иудеи, женился с разрешения Клавдия на ДруЗилле, внучке
Антония и Клеопатры; Агаклиту Вер, его патрон, разрешил жениться на вдове Либона, сенатора и
двоюродного брата императоров.
В 57 г. н.э. было издано senatus consulturn claudianum, по которому рабы, получавшие
свободу по Завещанию, в случае убийства хозяина, объявлялись рабами; свободы они не получали. Это
постановление было еще усилено Траяном: если хозяин был убит, то все отпущенники (конечно,
только находившиеся в доме во время убийства) были допрашиваемы под пыткой. Известно, что
если убийцей хозяина был раб, то все рабы убитого подлежали казни; Закон этот был принят при
Нероне. В соответствии с senatus consulturn claudianum под этот Закон подходили и рабы,
которых по Завещанию убитого ожидала свобода. А как следовало поступить с отпущенниками,
которые, как и большинство рабов, к убийству были вовсе не причастны? Плиний рассказывает о
спорах в сенате, возникших после смерти Афрания Декстра, который не то сам покончил с собой, не
то был убит: часть сенаторов стояла За оправдание отпущенников, часть - За ссылку на остров,
часть - За смертную казнь. Плиний не говорит, чем окончилось дело: результат был известен
его корреспонденту; мы узнаем только, что сторонники смертной казни потерпели поражение.
гибель от разбойничьего ножа, уцелеет ли кто-нибудь из них или все они
перемрут - этими вопросами правительство себя не беспокоило: «невелика потеря» -
vile damnum.
Это вскользь брошенное, предельно откровенное замечание в точности выражает
отношение римского общества к отпущенникам. Были, конечно, исключения, но
исключения эти касались отдельных людей и отдельных случаев. Цицерон относился
к своему Тирону, как к родному и близкому человеку; в кружке Мецената никто
не помнил, что Гораций - сын отпущенника, но в общем римское общество
относилось к отпущенникам, как к целому сословию, с брезгливым высокомерием, как к
существам иной, низшей породы. Отпущенники это мучительно ощущают; рабское
происхождение ежеминутно пригибает их книзу, и от него никуда не деться,
никуда не спрятаться: оно кричит о себе самым именем отпущенника. Патрон дает
ему свое собственное и родовое имя; личное имя отпущенника превращается в
прозвище «содпотеп». Официальное имя Тирона было Marcus Tullius Marci
libertus (последние два слова обычно в сокращении М. 1.) Tiro202. Отпущенник
не может указать имени своего отца - это привилегия свободного человека, - не
может назвать своей трибы - он не принадлежит ни к одной. В официальных
надписях и документах его имя всегда связано с именем патрона, и дружеская рука
старается, если возможно, не запятнать хотя бы надгробия этими предательскими
буквами: М. 1., С. 1.
От прошлого, однако, не уйдешь: его нынешнее «содпотеп» - это то настоящее
имя, под которым его знает все окружение; чаще всего оно греческое, а если
латинское, то обычно это перевод его греческого имени. Как бедняга старается
от него отделаться! Марциал ядовито издевался над каким-то Циннамом,
переделавшим свое, явно греческое имя на латинское «Цинна». «Разве это не
варваризм, Цинна? - деловито осведомляется он у своей жертвы. - Ведь на таком же
основании тебя следовало бы, зовись ты раньше Фурием, называть Фуром» (fur -
«вор»;. Один из грамматиков, упомянутых у Светония, превратил себя из Пасикла
в Пансу: претензии обоих - и крупного грамматика, и неизвестного Циннама -
могли удовлетвориться только аристократическими именами.
Но и скромный ремесленник-отпущенник мечтает, как бы избавиться от этого
вечного напоминания о том, что он бывший раб; ему так хочется, чтобы хоть на
его детях не лежало этого пятна, чтобы они чувствовали себя римлянами,
равными среди равных. Пусть уж его имя остается, каким есть, но сын его будет
называться чисто римским именем: и вот Филодокс оказывается отцом Прокула, а у
Евтиха сын Максим. В третьем поколении не останется и следа рабского корня.
Говоря об отношении к отпущенникам, надо проводить границу, во-первых,
между Италией и Римом и, во-вторых, между тысячами тысяч скромных незаметных
отпущенников-ремесленников и теми не очень многочисленными, но очень приметными
фигурами, которые толпой стояли у трона и которым удавалось собрать сказочное
богатство. Литература занималась преимущественно последними, на них негодова-
Иногда в имени отпущенника упоминается имя его первого хозяина, от которого он попал к
другому, его освободившему. Так, Т. Flavius Aug. Lib. Phoebus Othonianus был рабом Отона и
вместе со всем его имуществом перешел во владение Веспасиана, от которого и получил свободу;
Carpus Aug. Lib. Pallantianus принадлежал раньше Палланту. Так как у женщин не было
praenomen, то в имени отпущенного пол его хозяйки обозначался двумя способами: либо mul.
lib. («отпущенник женщины»), либо по-другому (гораздо чаще): Gaius, одно из наиболее частых
римских собственных имен, было изменено в женском роде - Gaia и стало обычным обозначением
женщины в эпиграфике. Но так как g. 1. могло означать и «отпущенник Гая», и «отпущенник
Гайи», то в последнем случае букву с переворачивали: Sex. Fonteius Lib. Trophimus. Это
означало : «Секст Трофим, отпущенник Фонтеи». Могли быть и другие случаи: раб, отпущенный по
fideicommissum Завещания, мог взять собственное имя того, кто его освободил в
действительности , и родовое того, чьей посмертной просьбе он был обязан свободой. Когда Аттик освободил
Дионисия, он дал ему свое родовое имя Помпоний, но назвал Марком в честь Цицерона. Т.
Цецилий Евтихид, другой отпущенник Аттика, получил родовое имя по имени дяди Аттика.
ла, издевалась и хохотала преимущественно над ними.
Огромные богатства отпущенников203 кололи глаза многотысячному слою римского
общества, которое было бедным или казалось таким себе и окружающим. Когда
свободнорожденный бедняк, у которого тога светилась, а в башмаках хлюпала
вода, видел, как бывший клейменый раб сидит в первом ряду театра, одетый в
белоснежную тогу и лацерну тирийского пурпура, сверкая на весь театр
драгоценными камнями и благоухая ароматами, в нем начинало клокотать негодование.
Оставалось утешать себя преимуществами своего свободного рождения: «...пусть,
Зоил, тебе будет дано право хоть семерых детей; никто не сможет дать тебе ни
матери, ни отца"; в день рождения Диодора у него за столом возлежит сенат,
даже всадники не удостоены приглашением, "и все же никто, Диодор, не считает
тебя „рожденным"», т. е. имеющим определенного, законного отца204 . Раздражало
отсутствие вкуса и хвастливая наглость, с которыми это богатство выставлялось
напоказ. Кольцо Зоила, в которое вделан целый фунт изумрудов, гораздо больше
подошло бы ему для колодок: «такая тяжесть не годится для рук». Поведение
свободнорожденного и отпущенника совершенно различно в силу их разного
душевного склада. «Ты все время требуешь от меня клиентских услуг, - обращается
Марциал в своему патрону, - я не иду, а посылаю тебе моего отпущенника». -
«Это не одно и то же», - говоришь ты. "Гораздо большее, докажу я тебе. Я едва
поспеваю за твоими носилками, он их понесет. Ты попадешь в толпу - он всех
растолкает локтями; я и слаб, и воспитан (в подлиннике непередаваемое
выражение: «у меня благородный, свободнорожденный бок». - М. С). Ты что-нибудь
станешь рассказывать - я промолчу, он трижды прорычит: «великолепно».
Завяжется ссора - он станет ругаться во весь голос; мне совестно произносить
крепкие словца". Отпущенник груб, невоспитан, льстив. Десятки лет,
проведенные в рабстве, не могли не наложить на него своей печати, и печать эта не
могла исчезнуть вмиг, от одного прикосновения преторской палочки. Как это
обычно водится, Марциал, гнусно лебезивший перед Домицианом, возмущался
невинной лестью своего отпущенника и считал, что он, свободный от рождения, и
его бывший раб разделены пропастью.
Нельзя утверждать, однако, что римское общество в своем отношении к
отпущенникам было совершенно не право. В душе «вчерашнего раба» могли таиться
возможности страшные. И если он оказывался силен, богат и влиятелен, если тем
более он находился у трона и был в чести у императора, то он мог стать
грозной и разрушительной силой. Вырвавшись на свободу, дорвавшись до богатства и
власти, он уже не знает удержу своим страстям и желаниям; его несет волной
этого нежданного, негаданного счастья, подхватывает ветром захлестывающей
удачи. Он утверждает свое «сегодня» отрицанием своего «вчера»; он заставляет
себя поверить в этот настоящий день, выворачивая прошлое наизнанку: прежде он
не доедал, не досыпал, валялся, где придется, как бездомная собака, - теперь
он не знает предела своим гастрономическим выдумкам, своим прихотям и
капризам; он хорошо знал, что значит хозяйский окрик и хозяйская плетка, - пусть
Оно вошло в поговорку: libertinas opes. Состояние Деметрия, Помпеева отпущенника,
равнялось 4000 талантов; Г. Цецилий Исидор оставил (10 г. до н.э.) 4116 рабов, 3600 волов и 257
тыс. мелкого скота. «Имущество и душа отпущенника», - писал Сенека (См. описание бань
Клавдия Этруска, сына Тибериева отпущенника). Тримальхион изображен у Петрония колоссально
богатым человеком. Номий, отпущенник Тиберия, мог приобрести стол, стоивший миллион. Паллант и
Нарцисс обладали многомиллионными состояниями. У Каллиста триклиний был украшен тридцатью
колоннами из восточного алебастра. Плиний пишет, что два поколения назад четырех таких
колонн было бы достаточно для украшения целого театра.
204 Раб может оказаться сыном любого раба, любого случайного человека. Если он был разлучен в
раннем возрасте с матерью, то он не Знает и своей матери. Интересно, что в Англии первой
половины XIX в. человек без роду и племени считал, как считали и кругом, что на нем лежит
несмываемое пятно (см. историю мисс Уэйд в романе Диккенса «Крошка Доррит»).
теперь другие узнают, что значит его окрик и его плетка; он видел вокруг себя
произвол, часто грубый и бессмысленный, - теперь его воля будет законом.
Прежняя жизнь не воспитала в нем ни любви, ни уважения к кому бы то ни было и
к чему бы то ни было: он живет сейчас собой, для себя, ради себя.
Удовольствие и выгода - вот рычаги, которые движут всей его жизнью; ради них он пойдет
на преступление, заломит взятку, предаст, убьет, разорит. Отпущенники,
которые по воле императоров становились у кормила правления, были сущим бичом для
тех, кому приходилось испытать на себе их власть. «Царскими правами он
пользовался в духе раба (servili ingenio) со всей свирепостью и страстью к
наслаждениям» - эти слова Тацита, которыми он характеризовал деятельность Феликса,
Клавдиева отпущенника, управлявшего одно время Иудеей, хорошо подошли бы
mutatis mutandis ко многим отпущенникам. Адриан, отстранивший их от всех
важных государственных постов, не без основания обвинял отпущенников в бедствиях
и преступлениях прежних царствований; он глядел в корень вещей: отпущенник
мог быть подданным, но далеко не всегда становился гражданином205.
Следует сказать еще несколько слов об императорских отпущенниках, которые почти в течение
всего первого века Занимали крупные государственные посты: a rationibus, a libellis и ab
epistulis. Человек, Занимающий должность a rationibus, - это, говоря современным языком,
министр финансов. В его руках находится управление фиском, он ведает доходами со всех
императорских провинций, контролирует расходы по армии и флоту, по снабжению Рима хлебом, по
постройкам публичных сооружений и по ремонту их, по управлению Римом, Италией и императорскими
провинциями. Стаций в стихотворении, посвященном памяти Клавдия Этруска, который был а
rationibus при Флавиях, так характеризует его деятельность: «Ты управляешь достоянием нашего
священного владыки. В твоем ведении богатства, которые посылают все народы, и подати,
которые платит обширный мир: слитки Золота из рудников Испании; сверкающий металл с холмов
Далмации; все, что снято с полей Африки и вымолочено на токах у Знойного Нила или собрано
водолазами в глубинах восточных морей; тучные стада у спартанского ГалеЗа [Тарент], прозрачный
хрусталь, дубовое дерево из Массилии и слоновая кость из Индии. На тебе одном лежит
управление всем, что сметают в наши сундуки Борей, грозный Евр и Австр, нагоняющий тучи. Легче
пересчитать листья в лесу и капли Зимних ливней, чем нести твою работу. Ты быстро
подсчитываешь, какие суммы требуются для римских войск, стоящих под разным небом; какие нужны для
наших триб и храмов, для углубления рек, для плотин, ограждающих от наводнений; для дорог,
протянувшихся длинной цепью. Ты думаешь о том, сколько Золота должно сверкать в обширных
подвалах нашего повелителя; сколько кусков руды должно быть переплавлено на статуи богов и
сколько металла громко Зазвенит, приняв чеканку италийской монеты. Тебе редко удается
отдохнуть ; твое сердце Закрыто для удовольствий; твоя пища скудна, и никогда глоток вина не
ослабляет твоего усердия». Должность a libellis не имела такого государственного Значения и
такого размаха. Libellus - это прошение, которое автор вручает лично адресату или его
представителю. Прошение содержит обычно просьбу к императору о признании таких-то и таких-то
прав, о предоставлении должности или жалобу на действия его чиновников (так, колоны Бурани-
танского имения жаловались Коммоду на притеснения арендатора, стакнувшегося с прокуратором).
A libellis, получив такое прошение, составлял на основании его краткую докладную Записку, в
которой излагалась суть дела, и шел с докладом к императору, сообщая устно или в докладе о
предшествующих случаях и других обстоятельствах, которые могли пролить свет и на данный
случай и облегчить решение. Император диктовал свою резолюцию, которая писалась тут же на
прошении (subscriptio), к резолюции прикладывалась императорская печать, и прошение уже с
ответом императора вручалось подателю. Сенека, который иногда не гнушался лести, так утешал
Клавдиева отпущенника Полибия, который Занимал пост a libellis, в смерти его брата: «Тебе
приходится выслушивать столько тысяч людей и разрешать столько просьб. Тебе приходится
разбираться в стольких Задачах, стекающихся к тебе со всех четырех сторон света, чтобы в
должном порядке представить их на рассмотрение нашего верховного правителя. Да, повторяю, ты не
должен плакать. Иметь возможность сочувствовать горю стольких людей, иметь возможность
осушить слезы тех, кто находится в опасности и ищет милости у нашего милостивого государя, -
при этой мысли ты должен осушить собственные слезы». Чрезвычайно важным был пост
государственного секретаря - ab epistulis. К нему стекались доклады и Запросы изо всех императорских
провинций и императорских имений; он ведал отправкой императорских распоряжений по всему
римскому миру и докладывал императору, кого можно продвинуть на гражданской службе или в
военном ведомстве. Должность a cognitionibus уполномачивала ее обладателя производить дознание
по всякому судебному делу, которое предлагалось на рассмотрение императора, и, конечно,
секретарь высказывал по этому делу свое мнение, которое могло повлиять и на решение императора,
Не следует, конечно, по таким зловещим фигурам судить обо всех
отпущенниках: было немало и таких, которые не употребляли свое богатство и власть во
зло. Наиболее справедливым по отношению к этим людям оказался Петроний, он,
конечно, досыта нахохотался над Тримальхионом и его женой, но при всем своем
невежестве, грубых манерах, безвкусных выдумках Тримальхион остается неплохим
человеком, и над ним смеешься без желчи и негодования - так, как смеялся сам
Петроний. Он оставил бесподобные зарисовки бедных простых отпущенников,
собравшихся за столом Тримальхиона, и эти зарисовки сделаны с веселой
насмешкой, правда, но и с несомненной долей симпатии.
А эти бедные простые отпущенники и составляли основную массу освобожденного
люда. Они работали в своих скромных мастерских, торговали в мелочных
лавчонках, перебивались со дня на день, откладывали сегодня сестерций, а завтра,
глядишь, и целый динарий, работали не покладая рук, сколачивали себе
состояние, то честным путем, а то и не без хитрости и обмана, а сколотив, кидались
выкупать отца или мать, сестру или брата, томившихся в рабстве, и мечтали,
денно и нощно мечтали о том, как они устроят судьбу своих детей: хорошо выда-
а то и просто определить его. Можно представить себе, какую силу и влияние могли иметь люди,
Занимавшие эти посты, и как они могли Злоупотреблять этой силой и этим влиянием, если были
недобросовестны. «Министр финансов» щедро набивал свои сундуки доходами из государственных
поступлений; от секретаря - ab epistulis - Зависело продвижение по службе; секретарь - а
libellis мог сделать так, что просьба будет уважена или отвергнута, a cognitionibus -
повернуть дело так, что оно будет выиграно или проиграно. Возможности торговать своим влиянием
были неисчислимы, а поскольку каждого секретаря окружал целый штат второстепенных служащих,
через который надо было пробиться, чтобы получить аудиенцию у главного начальства, то
императорские канцелярии превращались, в конце концов, в штабы волокиты и взяточничества.
Немудрено , что римское общество так возмущалось бессовестностью вольноотпущенников, хозяйничавших
при дворе. При императорах вроде Веспасиана, которые держали своих служащих под строгим
контролем , этому хозяйничанью не было места, но при Калигуле, Клавдии, Нероне и Домициане
отпущенники чувствовали себя господами положения. Возвышение Каллиста началось при Калигуле;
«внушая страх всем и обладая большим богатством, он пользовался властью абсолютной», - писал
Флавий Иосиф; Сенека видел, как его прежний господин стоял у порога своего бывшего раба и не
был к нему допущен. Любимцами Клавдия были Паллант и Нарцисс, нажившие огромное состояние
самым бесчестным путем; у Палланта перед смертью Клавдия было 300 млн. сестерций, у Нарцисса
- 400 млн. «Они столько нахватали и награбили, - пишет Светоний, - что когда Клавдий однажды
пожаловался на бедность фиска, то остроумно было сказано: денег будет с избытком, пусть он
возьмет только в компанию двух отпущенников с их имуществом». К обоим присоединился еще Кал-
лист , и «этот гнусный триумвират торговал должностями» и продавал судебные решения. Когда
Светоний Павлин, легат Британии, не поладил с ее прокуратором, Нерон послал своего
отпущенника Поликлита улаживать этот спор. Отправившись в свое артистическое турне по Греции, он
оставил управление Римом в руках Гелия, отпущенника, который двенадцать лет назад был
отправлен им убить Силана. Теперь он был хозяином столицы неограниченным, с правом жизни и
смерти; «таким-то образом римская империя рабски подчинялась двум самодержцам, Нерону и
Гелию. Не могу сказать, который был хуже». Вместе со своим помощником Поликлитом он устроил в
Риме оргию убийств и грабежей. При трех следующих императорах положение осталось по существу
тем же. Вителлий попробовал убрать отпущенников с высших придворных постов, но его
отпущенник АЗиатик вел себя ничуть не лучше того же Поликлита или Гелия. Гальба казнил Гелия,
Поликлита и Патробия, но Галот, один из самых низких креатур Нерона, который, вероятно, отравил
Клавдия, не только уцелел, но и получил место прокуратора. Отон казнил Ицела, отпущенника
Гальбы, ненавистного всему Риму За его Злодеяния, но поручил своему отпущеннику Мосху
«Заботу о флоте для наблюдения За верностью более достойных». С вступлением на престол Веспасиана
господству отпущенников пришел конец (царствование Домициана представляет исключение); ни
при нем, ни при Тите не слышно было скандальных историй о вымогательствах и притеснениях,
совершаемых отпущенниками; Нерва и Траян безжалостно расправлялись с теми из них, кто был
повинен в подкупе и хищениях. Плиний так обращался к Траяну: «Большинство императоров,
будучи господами граждан, были рабами своих отпущенников, ты обращаешься со своими отпущенниками
с полным уважением, но как с отпущенниками, и считаешь, что с них вполне достаточно слыть
честными и порядочными людьми». Об Адриане и его отношении к отпущенникам мы уже говорили:
«Он не желал, чтобы в обществе Знали его отпущенников и чтобы они имели на него какое-либо
влияние. Он обвинял отпущенников в пороках всех прежних императоров и осудил всех
отпущенников , которые хвалились, что они имеют у него Значение».
дут замуж дочь, а главное, поставят на ноги сына, дадут ему образование,
выведут в люди, сделают его человеком, римлянином: он-то уж будет приписан к
трибе; он-то уж назовет в официальной надписи, или подписываясь, имя родного
отца, не патрона. С острой наблюдательностью подлинного мастера Петроний
сумел подметить эту мечту и заботу у одного из застольников Тримальхиона, и что
еще удивительнее, - он, который был и по своему воспитанию, и по своему
культурному уровню, и по своему рангу действительно человеком другого мира, сумел
рассказать о ней так, что и сейчас, через две тысячи лет, с полным
сочувствием слушаешь этого отца, который покупает книжки для сына: «пусть понюхает
законов» и уговаривает его учиться - «посмотри-ка, чем был бы человек без
учения !»
Рабы-ремесленники и торговцы о своей деятельности в надписях не сообщали;
отпущенники делали это охотно. Раб, занимавшийся каким-либо ремеслом, не
бросал привычного дела и по выходе на свободу: надписи, оставленные
отпущенниками, свидетельствуют о деятельности рабов в той же мере, как и о деятельности
отпущенников. Торговля и ремесло и в Риме, и в Италии находятся в их руках.
Просмотрев тома латинских надписей, выносишь убеждение, что не будь этих
сметливых голов и умелых трудолюбивых рук, «владыкам вселенной, народу,
одетому в тоги», нечего было бы есть и не во что одеться. Они торгуют хлебом и
мясом, овощами и фруктами, делают мебель, портняжат и сапожничают,
изготовляют ткани и красят их, моют шерстяную одежду. Они работники по металлу,
каменотесы, скульпторы и ювелиры, учителя и врачи. Они работоспособны, цепки,
умеют выплыть наверх и добиться своего. Агафабул, раб, работавший в крупном
кирпичном производстве Домиция Афра, еще в бытность рабом, имел двух
собственных подручных («викариев»); выйдя на волю, он купил еще двоих. Один из
этих рабов, Трофим, стал его отпущенником и зарабатывал столько, что
обзавелся пятью рабами. Дефф подсчитал, что в Риме в эпоху ранней империи из 486
ремесленников, торговцев и людей свободных профессий, только 47 человек были
уроженцами Италии или Рима, причем неизвестно, может быть, и они были в
каком-то колене потомками отпущенников. В таком промышленном городе, как
Помпеи, изготовление гарума, шерстяное и красильное производства находились в
ведении отпущенников. Самым крупным денежным воротилой был Здесь отпущенник
Цецилий Юкунд, судя по его физиономии, уроженец Востока, скорее всего, еврей.
В крохотных Улубрах из десяти мельников (мельницы в древней Италии всегда
были объединены с пекарней) девять человек были отпущенниками. В этом же
городке торговый цех состоял из 17 человек, из них только один был
свободнорожденным.
Цецилий Юкунд
Судьба этого трудового люда бывала различна: многие оставались бедняками,
снимали в какой-нибудь инсуле скромную таберну, устраивали здесь свою
мастерскую, которая одновременно была и лавкой, и перебиваясь со дня на день, в
конце концов сколачивали себе состояние, позволявшее жить скромно, но
безбедно . Некоторые выбивались из бедности, заводили свои предприятия, в которых
работали их собственные рабы и отпущенники, и становились крупными, заметными
фигурами в италийских провинциальных городах. И здесь можно наблюдать
явление, на котором стоит остановиться.
Латинская литература знакомит нас главным образом с Римом: о нем пишут и
восхищаются им поэты августовского времени, его нравы клеймят Ювенал и
Марциал; скорбными осуждениями Рима пестрят страницы Сенеки и Плиния Старшего.
Зачитываясь ими, мы часто Забываем, что Рим - только один уголок римского мира,
что Италия и Рим не одно и то же. В италийских городах и в Риме носили,
правда , одинаковую одежду, ели одинаковую пищу и одинаково проводили день, но
чувствовать и думать начинали по-иному. Жизнь в этих городах была проще и
строже. Не было двора с его тлетворной атмосферой, не было наглых
преторианцев, пресмыкающихся сенаторов, толпы светских бездельников и праздной,
живущей подачками толпы. Игры устраивались здесь значительно реже, раздачи хлеба
и съестных припасов были редки и случайны (городские магистраты обычно
ознаменовывали этой щедростью свое вступление в должность) - на них нечего было
рассчитывать. Надо было работать. В окрестностях, в своих огородиках и
садиках, трудились не покладая рук крестьяне; город оживляла ремесленная и
торговая деятельность. Эти города, ничем особенно не примечательные, и население
их, серьезное, работящее и трудолюбивое, еще ждет внимательного любящего
исследователя. И не только исследователя их материальной культуры.
Столица обычно снабжает провинцию идеями, в древней Италии случилось
наоборот: новое пробивается в провинциальных городах. Медленно, незаметно для
самих обитателей этой тихой глуши возникает иной строй мыслей и чувств, по-
другому начинают слаживаться отношения между людьми. Не следует, конечно,
думать, что здесь провозгласят принцип равенства всех людей, но что отпущенник
чувствует себя тут иначе, чем в Риме, это несомненно. В Риме он всегда вне
городской и общественной жизни (императорские отпущенники, занимающие
официальные должности, не идут в счет и в силу своего исключительного положения, и
своего небольшого числа), он думать не смеет о том, чтобы войти в нее, а в
италийском городе и думает об этом, и стремится к этому. Он не скупясь тратит
свои средства на благоустройство города, куда занесла его судьба: ремонтирует
бани, поправляет обветшавший храм, замащивает улицы. Расчет у него, конечно,
корыстный: ему хочется выдвинуться, создать себе имя, настоять на том, чтобы
забыли, как он «в рабском виде» бегал по этим улицам. Расчет удается: город
благодарно откликается на его щедрость: позволяет ему отвести в свой дом воду
от общественного водопровода, удостаивает почетного места на зрелищах,
открывает его сыну дорогу в городскую думу. Город, куда несколько лет назад
привели его в цепях, становится для него родиной, дорогим местом, и он любовно и
внимательно спешит облегчить его нужды, украсить его, помочь его жителям. Он
и старожилы объединяются в этой любви, в гордости своим городом. Он
становится своим, и сам перестает чувствовать себя чужаком. Падают стены того
страшного пустынного мира, в котором одиноко живет раб, - отныне он член общества.
В маленьком италийском городке совершалось постепенное отмирание «рабской
души» у одних, а у других начинали пробиваться ростки нового отношения ко
вчерашнему рабу: его начинали признавать своим и равным.
Это еще не все: отпущенник - врач, учитель, хозяин мастерской, работа
которой ему до тонкости известна, - свои средства приобрел работой, и потрудиться
для города смог благодаря этой работе. Это видит весь город, и постепенно
начинает меняться отношение к труду, исчезает пренебрежение к нему, столь ха-
рактерное для Рима и его населения. Незаметно рождается новое мировоззрение,
возникают новые чувства и мысли, по-иному воспринимается жизнь. Всмотреться в
это новое, объяснить его появление - это очередная задача нашей науки, и не
Рим, а города Италии должны сейчас в первую очередь привлечь внимание
исследователя .
КРАТКИЙ СЛОВАРЬ
ЛАТИНСКИХ АВТОРОВ
И ИСТОЧНИКОВ
Август (23. 09. 63 до н.э. - 19. 08. 14 н.э.) С 27 г. - император Цезарь
Август, внучатый племянник Гая Юлия Цезаря. Время его правления по праву
связывают с расцветом римской державы. Активная и хорошо продуманная внешняя и
внутренняя политика позволила ему сосредоточить в своих руках всю полноту
власти и в то же время сохранить административные республиканские учреждения,
создав тем самым новую форму правления - принципат (первый среди равных).
Отражением этого процесса служит расцвет науки и культуры. Гораций, Проперций,
Вергилий. Ливии - имена тех, кто запечатлел в своих трудах Империю Августа и
способствовал распространению римской культуры и цивилизации. После его
смерти остался очерк Римской империи и перечень деяний императора («Res Gestae
Divi Augusti»).
Августин, Аврелий Августин (354—430 гг.) - христ. писатель Сын язычника и
христианки, он начал свои духовные искания последователем манихейства,
познакомился с мировоззрением скептиков и неоплатоников, в 387 г. принял
христианство, а в 395 г. стал епископом в Гиппоне, расположенном неподалеку от
Карфагена. Автор многочисленных богословских трудов, наиболее известными из
которых являются «Исповедь» - автобиография Августина, и «О граде Божием» («De
civitate Dei») - описание событий, связанных с завоеванием Рима Аларихом (410
г.) Самые выдающиеся из его достижений - это создание универсальной духовной
системы, вобравшей в себя опыт античности и христианстсва, и разработка новой
христианской концепции исторического развития. Значение личности Августина и
написанных им теологических трудов особенно сильное во времена средневековья
и Возрождения, не ослабевает и по сей день.
«Анкирский памятник» («Monumentum Апсагапит») - документ, в котором дано
описание основных событий эпохи императора Августа.
Апиций - известный римский чревоугодник времен императора Тиберия (1 пол. I
в. н.э.). Под именем Целия Апиция сохранилась известная римская поваренная
книга «De re coquinaria», написанная ок. 3-4 вв. н.э. со ссылками на ставшее
к тому времени нарицательным имя Апиция. Кроме того, различные изысканные
кушания времени античности назывались «апицианскими».
Аппиан (ок. 100 - ок. 170 гг. н.э.) - греческий историк, занимавший пост
высокопоставленного чиновника в Александрии, позднее - представитель
всаднического сословия и императорский прокурор. Автор «Истории Рима», дающей
описание гражданских войн Рима.
Апулей (ок. 124 г. н.э.) - римский писатель, адвокат, философ школы Платона
и софист из Мадавры (Африка). В «Апологии» дал описание суеверий, бытовавших
в его время. «Метаморфозы» или «Золотой осел» рисуют красочные картины
греческого быта, дают представление о культе Исиды и содержат единственную в своем
роде античную сказку «Амур и Психея».
Аристотель (384—322 гг. до н.э.) - древнегреческий философ и энциклопедист,
ученик Платона, основатель школы «Перипатетиков», родился в семье врачей при
дворе македонских правителей. Постановка различных философских проблем и
разработанная им терминология научного диспута актуальны и по сей день. Он
является автором многочисленных трудов, главные из которых посвящены логике и
теории познания («Органон»), этике, поэтике, физике (носят те же названия).
Начиная со схоластики, западная (в том числе и современная) философия
находится под влиянием идей Аристотеля, а благодаря переводам его на арабский
(Авиценна и Аверроэс) и средневековая восточная философия подпадает под это
могучее влияние.
Асконий Педиан (9 г. до н.э. - 76 г. н.э.) - римский филолог из Падуи.
Наиболее известны его исторические комментарии к речам Цицерона. Они основаны на
достоверных материалах и являются ценным документальным источником по истории
республиканского Рима 1 пол. I в. до н.э.
Боэций (ок. 480 - 524 гг.) - римский философ-неоплатоник и политический
деятель. Представитель аристократического рода Анициев. Чиновник при дворе
остготского короля Теодориха в Равенне. Казнен по обвинению в измене. Автор
многочисленных сочинений, в том числе латинских переводов и комментариев к
Аристотелю и Порфирию, трактатов о логике, арифметике, музыке, вопросах
богословия. Самое известное из них - «Утешение философией» («Consolatio
philosophiae»). Своими трудами оказал большое влияние на развитие схоластики.
Валерий Максим (1 пол. I в. н.э.) - римский писатель, принадлежавший к
бедному сословию. Выдвижением своим был обязан богатому покровителю. Наиболее
известное его сочинение - «Достопримечательные деяния и высказывания»
(«Factorum et dictorum memorabilia*) - посвящено императору Тиберию.
Достоверное с исторической точки зрения и написанное вычурным слогом, оно основной
акцент ставит на морально-философских вопросах, таких как религия, мужество,
счастье, дружба и т. п. Главы имеют те же названия.
Варрон, Марк Теренций Варрон (116 - 27 гг. до н.э.) - крупнейший и наиболее
плодовитый римский ученый-энциклопедист. Выходец из сословия всадников, он
занимал многочисленные военные и административные посты. Основное
произведение «Человеческие и божественные древности» («Antiquitates rerum humanarum et
divinarum»), повествующее об истории, культуре, обычаях римского народа ныне
утрачено. Общее количество сочинений в области юриспруденции, грамматики,
истории, искусства достигает 600. Наиболее известные из них - «Образы», дающие
литературное описание 700 знаменитых греков и римлян, и труд «О сельском
хозяйстве», в котором содержатся практические советы по ведению сельского
хозяйства. Уже при жизни Варрон пользовался непререкаемым авторитетом, а в
последующее время научные знания эпохи античности весьма редко выходили за
достигнутые им пределы.
Веллей Патеркул (род. ок. 20 г. до н.э.) - римский историк. Происходил из
всаднической семьи, жившей в Капуе. Позднее был принят в сенаторское
сословие. Его перу принадлежит очерк римской истории, начинающийся с разрушения
Трои. Основное внимание уделено времени правления Тиберия, деятельность
которого оценена им весьма высоко.
Вергилий, Публий Вергилий Марон (70-19 гг. до н.э.) - крупнейший римский
поэт эпического жанра. Происходил из состоятельной семьи. Литературная слава
приходит к Вергилию после написания «Буколик» или «Эклог» - 10 пастушеских
стихотворений. Их появление дает начало новому (буколическому) жанру в
римской поэзии. Этот жанр приобретет особую популярность в эпоху Возрождения и
Нового времени, превратившись в пастораль. Наиболее совершенным произведением
поэта считают «Георгики» («О сельском хозяйстве»). Их основная идея в том,
чтобы показать римскому обществу через руководство по сельскому хозяйству,
идеал простой и здоровой жизни, далекой от суетливой жизни горожанина и
особенно жителя столицы. Следующее произведение «Энеида», сознательно
ориентированное на Гомера (формой изложения) и Августа (выбором темы), становится
вскоре после его появления римским национальным эпосом. Еще при жизни
Вергилия величают как классика, а влияние, которое оказало его творчество на
последующие времена, трудно переоценить.
Геллий, Авл Геллий (род. ок. 130 г. н.э.) - римский писатель, составивший
после поездки в Афины свой основной труд «Аттические ночи». Это материалы из
различных областей науки: истории, литературы, философии, мифологии и др.
Большая ценность его сочинения состоит в многочисленных приведенных дословно
отрывках древних авторов, не дошедших до нас.
Гораций, Квинт Гораций Флакк (65-8 гг. до н.э.) - римский поэт. Сын
вольноотпущенника (сборщика налогов). Состоял на военных и гражданских должностях.
Автор сатир - «Беседы» («Sermones»), «Посланий» («Epistulae»), «Песен»
(«Carmina»). В послании - «Искусство поэзии» («Ars poetica») -
рассматривалась сущность поэтического искусства. Богатство языка и искусство слова
послужили тому, что вскоре по его произведениям стали обучать детей, благодаря
чему часть из них сохранилась. В Европе его стихотворения послужили образцом
лирической поэзии.
Диодор Сицилийский (ок. 90-21 гг. до н.э.) - греческий историк. Автор
Знаменитого труда по всемирной истории («Историческая библиотека»). В них
история стран Средиземноморья (Греции, Рима) с древнейших времен до середины I в.
до н.э. была дана в синхронном сопоставлении с историей Египта, Индии и
Ассирии. Чрезвычайно живое изложение, обильно снабженное историческими
анекдотами, не всегда, правда, достоверное, стало весьма популярным еще при жизни
писателя .
Дион Кассий (ок. 160—235 гг.) - греческий историк и римский сенатор из Ни-
кеи и Вифинии. При Северах - наместник нескольких провинций. На греческом
языке написал Историю Рима от основания до своего консульства (229 г.).
Служит важным источником для конца республиканского и начала императорского
периодов в римской истории.
Дионисий Галикарнасский - греческий ритор и писатель. Переселился в Рим и
был принят в аристократических кругах. Автор «Римских древностей», где
рассматривал римскую историю с древнейших времен до 1-й Пунической войны (264—
241 гг. до н.э.).
Зонара, Иоанн Зонара (1 пол. XII в.) - византийский чиновник. В своей
«Всемирной истории» (события до 1118 г.), являющейся важным историческим
источником, использовал многочисленные, ныне утраченные сочинения ранних
византийских авторов. Сочинение Диона Кассия послужило, например, основой для
изложения исторических событий римской истории приблизительно до середины III в.
Иероним (347—420 гг.) - христианский писатель и переводчик. Происходил из
богатой христианской семьи, учился в Риме. Несколько лет жил отшельником в
Антиохии и после этого, приняв сан священника, стал советником папы Домасия.
По его поручению перевел Библию на латинский язык («Vulgata») Написал первую
христианскую историю литературы. Привлекая многочисленные труды ранних
христианских авторов, римских философов и писателей, он стал одним из
посредников между античной культурой и средневековьем.
Иосиф Флавий (37 - ок. 100 гг. н.э.) - писатель-историк. Родился в
Иерусалиме . Выходец из иудейского священнического рода. Полководец в Иудейской
войне, он был захвачен в плен и впоследствии освобожден Веспасианом (от него
взял родовое имя). Участвовал в походе римлян против Иудеи. Основные
сочинения, написанные на греческом языке назывались «Иудейские войны» (7 книг) и
«Иудейские древности» (20 книг), Описывая события от сотворения мира до
Нерона, он показывает историческое значение своего и других народов в сложении
современных ему государств и цивилизаций.
Исидор Севильский (ок. 570 - 636 гг.) - ученый латинский писатель из
состоятельной семьи. В 600—601 - архиепископ Севильи. Большое значение имеют
его труды, посвященные истории германских народов (вестготов) и истории
вандалов («Хроника») «Этимологии» или («Origines» - «Начала») на основе
объяснения значения слов представляют собой энциклопедию знаний того времени. Будучи
компилятором, он, как и Иероним, стал одним из посредников между античным
миром и миром средневековья, сохранив бесценные сведения о трудах многих
древних авторов (историков, писателей, риторов), не дошедших до нашего времени.
Кальпурний, Тит Кальпурний Сикул (I в. н.э.) - римский поэт. Под влиянием
Виргилия им были написаны «Идиллии», из которых сохранилось семь и несколько
эклог под общим названием Carmina Einsiedlensia.
Катон Старший, Марк Порций Цензорий (234—14 9 до н.э.) - римский
политический деятель. Выходец из аристократической семьи. Занимал различные высшие
военные и административные посты. Получил наибольшую известность оказавшись в
должности цензора, что отразилось в его прозвище. Провел несколько законов,
позволивших стабилизировать политическое и экономическое положение римского
народа. Труд Катона Старшего «Происхождение» (сохранился в отрывках) посвящен
историческому обзору римской истории от основания Города до современного
автору времени. Более всего известно его сочинение «О сельском хозяйстве».
Катулл, Гай Валерий Катулл (87/84-54 гг. до н.э.) - римский поэт-лирик.
Воспитывался в состоятельной семье. Характер его сочинений, а их
насчитывается 116, весьма разнообразен: более половины из них написано лирическим
стихом; есть подражания александрийским поэтам. Известны переводы греческих
авторов и многое другое. Самые известные - любовные стихотворения Катулла. По
выразительности и силе переживаний - они не имеют аналогов в римской
литературе.
Квинтилиан, Марк Фабий Квинтилиан (ок. 35 - ок. 100 гг.) - римский оратор,
выходец из состоятельной семьи. Первый учитель риторики, получивший в Риме
государственное жалование. Написал «Наставление оратору» («Institutio
oratoria»), где изложил риторическую теорию. Образцом ораторского искусства
считал речи Цицерона. В 10-й книге поместил краткий очерк греческой и римской
литературы.
Колумелла (I в. н.э.) - виднейший римский писатель и агроном из Гадеса
(Испания) . Автор сочинений о сельском хозяйстве («De re rustica»), садоводстве
(«De arboribus»), в которых раскрываются принципы управления загородным
римским поместьем. Это классические образцы литературы о сельском хозяйстве.
Лактанций, Л. Целий Фирмиан (ум. после 317 г.) - христианский писатель,
родом из Африки. Воспитатель сына императора Константина I Криспа. Претерпел
гонения на христиан во времена Диоклетиана. Наиболее значительными из его
произведений являются «Божественные установления» («Divinae institutiones») -
первая попытка изложить на латинском языке основы христианского вероучения.
Сочинение «О смерти гонителей» («De mortibus persecutorum») доведено до
времен правления Диоклетиана (нач. IV в. н.э.). В эпоху Возрождения получил
эпитет «христианского Цицерона».
Ливии, Тит Ливии (59 до н.э. - 17 гг. н.э.) - римский историк эпохи
принципата Августа. Его главный труд «История Рима от основания города» включал 142
книги, посвященные основным событиям римской истории со времен основания Рима
до событий, современником которых Ливии являлся (смерть Друза, 9 г. до н.э.).
В наши дни труд Ливия является ценным источником для изучения ранней истории
Древнего Рима. И хотя автор не всегда критически использовал имевшиеся у него
документы, уже в эпоху Империи он приобрел непререкаемый авторитет как
историк Римской республики. С эпохи Возрождения Ливии считался крупнейшим римским
историком.
Лукиан (ок. 120 - ок. 190 гг.) - греческий писатель-сатирик. Выходец из
Малой Азии. В совершенстве овладел греческим и латынью. Автор более 80
сочинений, из которых мы черпаем обширные сведения о культуре, истории, философии,
этике, религии, филологии. Не все из этих сочинений считаются подлинными.
Наиболее яркие и образные - «Диалоги гетер», «Диалоги богов», «Диалоги в
царстве мертвых».
Макробий, Амвросий Феодосии Макробий (род ок. 400 г.) - высокообразованный
латинский писатель и чиновник. Родился в Африке. Основное сохранившееся
произведение «Сатурналии», написанное в форме застольной беседы, рассказывает о
пире, на котором обсуждаются проблемы философии, риторики, грамматики,
культуры, подробно разбирается поэтическое мастерство Вергилия. В эпоху
средневековья пользовался большой популярностью его комментарий к сочинению Цицерона
«Сон Сципиона» - заключительная часть трактата «О государстве».
Марциал, Марк Валерий Марциал (ок. 40 - ок. 102 гг.) - классик римской
эпиграммы. Родился в Испании. Впоследствии переехал в Рим, был допущен во
всадническое сословие. За несколько лет до своей кончины вернулся на родину.
Написал 15 книг эпиграмм, в которых показал падение нравов знати Римской
империи, и в первую очередь ее столицы. Пользовался популярностью на протяжении,
как всей поздней античности, так и в последующие времена (особенно в эпоху
Возрождения), а его произведения цитировались в самых удаленных уголках
Империи .
Минуций Феликс (род. ок. 200 г.) - римский юрист. Выходец из Северной
Африки. Сочинение «Октавий», выдержанное в духе цицероновских речей, построено
как диалог между язычником, последователем скептицизма, и христианином и
заканчивается переходом язычника в христианскую веру.
Непот, Корнелий Непот (ок. 100 - после 32 гг. до н.э.) - римский писатель.
Уроженец Северной Италии. О его социальном происхождении сведений не
сохранилось. Однако, находясь в дружеских отношениях с Цицероном, Катуллом, Аттиком,
он обладал авторитетом в аристократических кругах Рима. Основной труд «О
Знаменитых людях» («De illustrious viris») содержал не менее 16 книг и
представлял собой сборник биографий, куда вошли как римляне, так и представители
других народов (чаще всего греки). Из книги «О латинских историках» («De Latinis
historicis») сохранились наиболее яркие биографии Катона Старшего и Аттика.
Сведения, приводимые им, иногда неточны или ошибочны, но благодаря ясности
изложения и простоте языка, тексты его сочинений издавна входят в учебники
латыни.
Овидий, Публий Овидий Назон (43 до н.э. - ок. 18 гг. н.э.) - римский поэт.
Родился в Средней Италии. Выходец из всаднического сословия. После
непродолжительной службы целиком перешел к литературным занятиям. Уже первое
произведение «Любовные элегии» («Amores») сделало его знаменитым. Особый интерес с
точки зрения истории, культуры, литературы представляют главные труды -
«Метаморфозы», в которых последовательно излагается около 250 мифов о
превращениях греческих богов и героев с возникновения мира из Хаоса до времени
Цезаря. «Фасты» или «Календарь» описывают праздники и обряды римлян. Уже при
жизни он стал почитаемым поэтом, и даже изъятие книг из публичных библиотек во
время опалы не уменьшило его влияния в римском обществе. Дни свои он скончал
в ссылке на побережье Черного моря. В средние века Овидий считался вторым
поэтом после Вергилия и наряду с ним оказал большое влияние на дальнейшее
развитие европейской поэзии.
Павел Диакон (ок. 720—799 гг.) - монах и историк. Происходил из знатного
лангобардского рода. Его основной труд «История лангобардов» написана на
основе местных хроник. Кроме того, он создал «Историю епископства Меца»,
«Собрание бесед», «Римскую историю».
Персии, Авл Персии Флакк (43-62 гг. н.э.) - римский поэт. Родился в
Этрурии, в семье богатого аристократа этрусского происхождения. Автор сатир
(наподобие сочинений Луцилия и Горация), критиковавших современные порядки, и
наставлений в житейской мудрости. Пользовался авторитетом, как у
современников , так и в средние века. В книге упоминаются «Схолии к Персию Флакку» -
толкования к текстам поэта, объяснявшие непонятные слова и трудные места в
его произведениях. В них принимали участие, как комментаторы античности, так
и средневековья.
Петроний, Гай Петроний Арбитр (ум. 66 г. н.э.) римский писатель,
высокопоставленный чиновник, представитель высших слоев общества. Принужден Нероном к
самоубийству. Во фрагментах сохранилось основное сочинение «Сатирикон» или
«Пир Тримальхиона» (по названию одного из сохранившихся фрагментов). Это
ценный источник не только по истории и нравам эпохи ранней Империи, но и кладезь
живого разговорного языка.
Плавт, Тит Макций Плавт (ок. 250 - 184 гг. до н.э.) - выдающийся римский
комедиограф. Происходил из бедной семьи. Прибыв в Рим, зарабатывал на хлеб
актерским мастерством. Создал новый тип комедии и включил в нее песни, тем
самым, придав ей опереточный характер. Написал около 130 комедий, из которых
до наших дней сохранилась 21. Многие из них послужили основой для пьес
Мольера и Шекспира. Наряду с общественной жизнью римского общества, современной
политической ситуацией, Плавтом отражена и повседневная жизнь Рима. Пьесы,
изложенные ярким разговорным языком, были очень популярны как в среде римских
аристократов, так и у простого люда и рабов.
Плиний Младший (61/62 - ок. 113 гг. н.э.) - римский общественный деятель,
писатель из состоятельной семьи, племянник и приемный сын Плиния Старшего.
Занимал высокие административные посты при императоре Траяне. Сохранились 10
книг его «Писем» («Epistulae»), последняя из которых содержит переписку
Плиния с императором во время своего наместничества. Они задумывались как
эпистолярный литературный труд и дают описание материальной и духовной жизни
главным образом высших слоев римского общества конца I - начала II вв. н.э.
Плутарх (ок. 46 - после 119 гг. н.э.) - греческий писатель, выходец из
старинного состоятельного рода. Верховный жрец Аполлона Пифийского в Дельфах.
Благодаря высокому положению, он имел возможность встречаться со знаменитыми
людьми своего времени: императорами, политиками, учеными. Из 250 литературных
сочинений сохранилась лишь одна треть. Основной его труд - 46 «Сравнительных
биографий» («Bioi paralleloi»), рисует красочные и связанные один с другим
парные портреты греков и римлян. Эти «Жизнеописания» представляют
разнообразнейшие сведения по античной истории. Вторая большая группа его сочинений
связана с философией и проблемами этики. Особой популярностью труды Плутарха
пользовались со времен гуманистов и у писателей последующих эпох.
Полибий (200—120 гг. до н.э.) - греческий историк, политик. Сын
влиятельного политического деятеля, входившего в Ахейский союз. Занимал крупные военные
и административные посты. Прожил в Риме 16 лет в качестве заложника. Автор
«Всемирной истории» в 40 книгах (полностью сохранились первые пять),
начинающей рассказ со времени 1-й Пунической войны (264 г. до н.э.) и подробно
описывающей исторические события в Средиземноморье с 221 по 144 гг. до н.э. В
этом сочинении наряду с перечислением событий римской истории была выдвинута
идея о трех движущих факторах исторического развития: сильной личности,
природных условиях и судьбе. Первые две впоследствии были восприняты Макиавелли
и Монтескье. Для него было важно, по упоминаниям современников, не столько
облагородить мысль, сколько соблюсти историческую правду.
Порфирий (ок. 233 - ок. 304 гг.) - греческий философ-неоплатоник, ученик и
биограф Плотина. Автор «Истории философии» и более 70 работ по истории,
риторике, мифологии, грамматике, математике, среди которых труд «Против
христиан» , дошедший до нас лишь в отрывках.
Прокопий (ок. 500 - после 565 гг.) - византийский писатель, юрист, ритор.
Выходец из сенатской аристократии. Секретарь восточно-римского полководца Ве-
лизария, высший сановник и историк эпохи Юстиниана I. Выдающийся
представитель восточно-римской историографии. Автор сочинений о войнах Юстиниана с
персами, вандалами и остготами. Помимо приведенных исторических сведений, его
труды - это интересные источники по стратегии византийской армии. Кроме того,
Прокопий написал панегирик строительной деятельности Юстиниана «О
постройках» .
Проперций, Секст Проперций (ок. 47 - ок. 15 гг. до н.э.) - один из наиболее
значительных римских элегиков. Происходит он, скорее всего, из всаднического
сословия. Его деятельность в Риме была целиком связана с поэзией. Наряду с
Горацием входил в кружок Мецената - друга и соратника Цезаря Августа. Издал 4
книги элегий. Его читали на протяжении всей античности и вновь вспомнили лишь
во времена Ренессанса.
Саллюстий, Гай С. Крисп (86-35 гг. до н.э.) - римский историк. Занимал
важные административные должности при Цезаре. Его перу принадлежат две
исторические монографии: «Заговор Катилины» («Coniuratio Catilinae») и Югуртинская
война («Bellum Iugurthinum», 111—106 гг. до н.э.), в которых автор стремился
показать, что Риму как мировой державе мешает лишь внутреннее разложение, а
не внешние враги. Благодаря полному архаики и захватывающего напряжения стилю
повествования (он сознательно противопоставлял себя Цицерону), Саллюстий
оказал большое влияние на писателей средневековья и Нового времени. Тацит
прозвал его самым блистательным историком Рима.
Светоний, Гай Светоний Транквил (ок. 70 - ок. 140 гг. н.э.) - римский
писатель . Происходил из сословия всадников, служил при дворе Траяна. При Адриане
заведовал императорской канцелярией. От его большой литературной деятельности
сохранились «Описания 12-ти цезарей» от Цезаря до Домициана («De vita
Caesarum»). Ему принадлежит преобразование жанра исторической биографии в
ранг исторического исследования. От второго его произведения, посвященного
биографиям известных поэтов, риторов, грамматиков, историков, сохранились
лишь отрывки. Впоследствии его подход в описании исторических персонажей
(роль сильной личности в истории) оказал большое влияние на писателей
средневековья .
Свида (Суда) - измененное название самого крупного греческого лексикона,
возникшего ок. 1000 г. н.э. В нем помещены сведения из области культуры,
истории, этимологии, литературоведения, искусства, цитаты и высказывания
знаменитых людей. Он представляет собой ценнейший источник (хотя и не всегда
достоверный) , являясь последним сборником античной литературы. Автор лексикона
не известен.
Сенека Старший, Луций Анней Сенека (ок. 55 до н.э. - ок. 40 гг. н.э.) -
римский писатель. Родился в Испании в состоятельной семье всаднического
сословия. Основное его сочинение «Образцы, отрывки и оттенки мастерства
различных ораторов и риторов» (11 книг) посвящено риторике и является важным
источником для изучения приемов красноречия в первые десятилетия Империи.
Сенека, Луций Анней Сенека (ок. 4 г. до н.э. - 65 г. н.э.) - римский
государственный деятель, философ и писатель. Родился в Испании. Выходец из
всаднического сословия. Сын Сенеки Старшего. Воспитатель Нерона. Представитель
философской школы младшей стой. Основное внимание в своих произведениях
уделял вопросам морали, этики - «Письма на моральные темы» («Epistulae
morales»). Его перу принадлежат несколько трагедий, а также
«Естественнонаучные вопросы» - исследование метеорологических явлений.
Сервий (ок. 400 г.) - латинский грамматик. Издал подробные комментарии к
произведениям Вергилия, долгое время служившие основным источником для
изучения творчества поэта.
Стаций, Публий Паппиний Стаций (ок. 40-96 гг. н.э.) - римский поэт и
педагог, один из известнейших литераторов своего времени. Он прославился
написанием двух эпосов «Фиваида» и «Ахиллеада», посвященных сюжетам
древнегреческих мифов. Поэтический сборник «Леса» («Silvae»), содержит стихотворения,
посвященные знаменательным событиям в жизни его покровителей (в том числе,
императору Домициану): дни рождения, свадьбы, похороны.
Страбон (ок. 64/63 до н.э. - 20 гг. н.э.) - греческий историк и географ.
Происходил из знатной семьи. Основной его труд «География» помимо описаний
местностей Европы, Азии, Африки, в которых он неоднократно бывал, содержит
большой комплекс более ранних письменных источников, зачастую цитирующихся
дословно. В нем также содержатся сведения, касающиеся мифологии, культуры,
истории описываемых земель. Уникальность сочинения в том, что из античного
времени оно единственное дошло до нас целиком.
Тацит, Корнелий Тацит (ок. 55 - ок. 120 гг. н.э.) Родился в
аристократической семье, получил блестящее образование в области риторики. Последний из
плеяды великих римских историков. Как писатель стал известен после смерти
Домициана, когда опубликовал первые сочинения: панегирик своему тестю
полководцу Юлию Агриколе, трактат «Германия», в котором содержатся ценные сведения об
истории, культуре, этнографии германских племен, рисуется картина
географических представлений римлян о соседних народах и «Диалог об ораторах»,
сочетающий в себе глубину рассуждений об ораторском искусстве с изящной литературной
формой. Основные историографические труды Тацита, принесшие ему славу,
получили название «История» («Historiae») и «Анналы» («Annales»). Они посвящены
истории Римской империи, со смерти Августа (14 г. н.э.) до убийства
Диоклетиана (96 г. н.э.). Из 14 книг «Истории» и 16 книг «Анналов» сохранилось
всего 12. Остальное известно в отрывках. Труды, появившиеся на рубеже
республиканской и императорской эпох, содержат в основном биографии императоров и
дают представление об общественной и культурной жизни, экономическом укладе
римского общества (хотя и не всегда полное). Полный архаизмов и возвышенности
язык произведений, на который сильное влияние оказал Саллюстий, держал
читателя в постоянном напряжении. После смерти его труды оказались забыты и лишь
в середине XVI в. сочинения были вновь опубликованы.
Теренций, Публий Теренций Афр (Африканец) (190—159 гг. до н.э.) Родился в
Карфагене. В Рим приехал рабом римского сенатора Теренция Лукана, который дал
ему образование, а впоследствии отпустил. Выдающийся римский комедиограф,
стоящий в одном ряду с Плавтом. Все 6 его комедий, написанных в форме новой
аттической комедии, сохранились и представляют собой интересный источник,
рассказывающий о повседневной жизни римского общества. В отличие от Плавта,
литературный язык Теренция хорошо продуман, изыскан и не содержит
вульгаризмов .
Тертуллиан, Квинт Септимий Тертуллиан (160 - после 220 гг.) - христианский
писатель. Родился в Карфагене. Сын центуриона, получил разностороннее
образование . Автор многочисленных литературных трудов, из которых до наших дней
дошло лишь 31 произведение. Пользовался большим авторитетом у теологов,
философов , политиков. В своих сочинениях, пропитанных нетерпимостью к язычникам
(«Защита от язычников», «Опровержение еретиков»), он использовал новые для
христианства термины (например, trinitas, persona, substantia по отношению к
Богу), установленные позднее на Соборах IV-V вв.
Тибулл, Альбий Тибулл (50-19 (17) гг. до н.э.) - римский поэт, выходец из
аристократического рода. Один из выдающихся элегиков. Собрание стихов из 4 -х
книг («Corpus Tibullianum») включает в себя сочинения и других поэтов.
Излюбленный сюжет его стихотворений - простой уклад сельской жизни, на фоне
которого разворачивается картина идиллической любви. Уже в древности поэзия Ти-
булла пользовалась большой популярностью. Позднее она оказала влияние на
творчество Гете.
Фест, Сект Помпей Фест - римский грамматик и антиквар II в. н.э. Его перу
принадлежат извлечения из труда Веррия Флакка «De verborum significatu» -
словаря римских древностей с объяснением слов времен Августа. Часть сочинений
сохранилась в повторных выписках Павла Диакона (конец VIII в.)
Фронтон, Марк Корнелий Фронтон - римский оратор и адвокат II в. н.э. Родил-
ся в Нумидии. Воспитатель императоров Марка Аврелия и Луция Вера. Стоял во
главе литературного кружка, придерживающегося архаических традиций доцицеро-
новского времени. Из речей, создавших ему славу оратора, не сохранилось
ничего .
Цельс, Авл Корнелий Цельс (1 пол. I в. н.э.) - римский писатель. От
главного его труда «Искусства» («Artes») сохранилось 8 книг. Основанные на
греческих источниках, они дают представление об истории медицины в эллинистическое
время. Книги, посвященные вопросам сельского хозяйства, риторики, военного
дела до нас не дошли.
Цицерон (106 - убит 43 гг. до н.э.) - римский оратор, политический деятель
и писатель. Происходил из всаднического сословия. В Риме и Афинах получил
блестящее образование. Занимал высокие государственные должности. Создатель
классической римской художественной прозы. Известно около 110 его речей,
половина из которых сохранилась полностью. Они являются ценным источником по
общественным, политическим и культурно-историческим отношениям того времени.
Ювенал, Децим Юний Ювенал (ок. 60 - после 127 гг.) - римский поэт, автор
сатир, 16 из которых сохранились. Они являются ценным источником по
реконструкции жизни всех городских слоев римского общества и города этого времени в
целом. В средние века, когда его моральные сентенции вновь стали
злободневными , Ювенал оказался одним из самых читаемых авторов. Благодаря четко
сформулированным стихам и живой речи, многие из его высказываний живут и по сей
день, например, «Хлеба и зрелищ!»
Codex Theodosianus (Кодекс Феодосия) - составленный при Феодосии II сборник
императорских конституций, древнейшая из которых относится к 313 г.
Обнародован и вступил в силу на Востоке Римской империи в 438 г., на Западе - в 439.
«Corpus Inscriptionum Latinarum» - сборник латинских надписей, издававшийся
Прусской АН. с 1863 г. параллельно с CIG (Corpus Inscriptionum Grecorum). В
сборнике собраны оригинальные надписи римского времени. Один из основных
источников по римской эпиграфике. В настоящее время работа над сборником
продолжается .
Digestae («Дигесты») - части законодательной компиляции Юстиниана, изданные
в 533 г. в 50 книгах, содержащих выдержки из действующих законов или других
нормативных актов и «Институции» - элементарные учебники римских юристов.
Scriptores Historia Augusta - История Августов или История Императоров -
сборник биографий императоров от Адриана до Карина (117—285 гг.) . Время и
число авторов вызывают споры, поэтому вместо введенного в начале XVII в. в
науку термина «Писатели Истории Августов», появился современный термин -
«Historia Augusta». Источник этот не всегда оказывается достоверным.
НЕЙРОКОМПЬЮТИНГ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
Ежов А.А. , Шумский С.А.
ГЛАВА 7
ПРЕДОБРАБОТКА ДАННЫХ1
«Вытапливай воск, но сохраняй мед».
Козьма Прутков
«Мелочи не играют решающей роли.
Они решают все».
Х.Маккей. Как уцелеть среди акул
Необходимые этапы
нейросетевого анализа
Теперь, после знакомства с базовыми принципами нейросетевой обработки, можно
приступать к практическим применениям полученных знаний для решения конкретных
задач. Первое, с чем сталкивается пользователь любого нейропакета - это необхо-
1 Предыдущие главы см.: «Домашняя лаборатория» №9 За 2009 г.
димость подготовки данных для нейросети. До сих пор мы не касались этого,
вообще говоря, непростого вопроса, молчаливо предполагая, что данные для обучения
уже имеются и представлены в виде, доступном для нейросети. На практике же
именно предобработка данных может стать наиболее трудоемким элементом нейросе-
тевого анализа. Причем, знание основных принципов и приемов предобработки
данных не менее, а может быть даже более важно, чем знание собственно нейросетевых
алгоритмов. Последние, как правило, уже "зашиты" в различных нейроэмуляторах,
доступных на рынке. Сам же процесс решения прикладных задач, в том числе и
подготовка данных, целиком ложится на плечи пользователя. Данная глава призвана
заполнить этот пробел в описании технологии нейросетевого анализа.
Для начала выпишем с небольшими комментариями всю технологическую цепочку,
т.е. необходимые этапы нейросетевого анализа2:
1. Кодирование входов-выходов: нейросети могут работать только с числами.
2. Нормировка данных: результаты нейроанализа не должны зависеть от выбора
единиц измерения.
3. Предобработка данных: удаление очевидных регулярностей из данных облегчает
нейросети выявление нетривиальных закономерностей.
4. Обучение нескольких нейросетей с различной архитектурой: результат обучения
зависит как от размеров сети, так и от ее начальной конфигурации.
5. Отбор оптимальных сетей: тех, которые дадут наименьшую ошибку предсказания
на неизвестных пока данных.
6. Оценка значимости предсказаний: оценка ошибки предсказаний не менее важна,
чем само предсказанное значение.
Если до сих пор мы ограничивали наше рассмотрение, в основном, последними
этапами, связанными с обучением собственно нейросетей, то в этой главе мы
сосредоточимся на первых этапах нейросетевого анализа - предобработке данных.
Хотя перобработка не связана непосредственно с нейросетями, она является одним из
ключевых элементов этой информационной технологии. Успех обучения нейросети
может решающим образом зависеть от того, в каком виде представлена информация для
ее обучения.
В этой главе мы рассмотрим предобработку данных для обучения с учителем и
постараемся, главным образом, выделить и проиллюстрировать на конкретных примерах
основной принцип такой предобработки: увеличение информативности примеров для
повышения эффективности обучения.
Кодирование входов-выходов
В отличие от обычных компьютеров, способных обрабатывать любую символьную
информацию, нейросетевые алгоритмы работают только с числами, ибо их работа
базируется на арифметических операциях умножения и сложения. Именно таким образом
набор синаптических весов определяет ход обработки данных.
Между тем, не всякая входная или выходная переменная в исходном виде может
иметь численное выражение. Соответственно, все такие переменные следует
закодировать - перевести в численную форму, прежде чем начать собственно нейросетевую
обработку. Рассмотрим, прежде всего, основной руководящий принцип, общий для
всех этапов предобработки данных.
Максимизация энтропии
как цель предобработки
Допустим, что в результате перевода всех данных в числовую форму и последую-
2 В предположении, что Задача определена, и база данных для обучения нейросети уже собрана.
щей нормировки все входные и выходные переменные отображаются в единичном кубе.
Задача нейросетевого моделирования - найти статистически достоверные
зависимости между входными и выходными переменными. Единственным источником информации
для статистического моделирования являются примеры из обучающей выборки. Чем
больше бит информации принесет каждый пример - тем лучше используются имеющиеся
в нашем распоряжения даные.
Рассмотрим произвольную компоненту нормированных (предобработанных) данных:
х. . Среднее количество информации, приносимой каждым примером х" , равно
энтропии распределения значений этой компоненты н(х^ . Если эти значения
сосредоточены в относительно небольшой области единичного интервала, информационное
содержание такой компоненты мало. В пределе нулевой энтропии, когда все значения
переменной совпадают, эта переменная не несет никакой информации. Напротив, если
значения переменной х" равномерно распределены в единичном интервале,
информация такой переменной максимальна.
Общий принцип предобработки данных для обучения, таким образом, состоит в
максимизации энтропии входов и выходов. Этим принципом следует
руководствоваться и на этапе кодирования нечисловых переменных.
Типы нечисловых
переменных
Можно выделить два основных типа нечисловых переменных: упорядоченные
(называемые также ординальными - от англ. order - порядок) и категориальные. В обоих
случаях переменная относится к одному из дискретного набора классов \с1,..., сп \ .
Но в первом случае эти классы упорядочены - их можно ранжировать: сх >- с2 >-...>- сп ,
тогда как во втором такая упорядоченность отсутствует. В качестве примера
упорядоченных переменных можно привести сравнительные категории: плохо - хорошо -
отлично, или медленно - быстро. Категориальные переменные просто обозначают
один из классов, являются именами категорий. Например, это могут быть имена
людей или названия цветов: белый, синий, красный.
Кодирование
ординальных
переменных
Ординальные переменные более близки к числовой форме, т.к. числовой ряд также
упорядочен. Соответственно, для кодирования таких переменных остается лишь
поставить в соответствие номерам категорий такие числовые значения, которые
сохраняли бы существующую упорядоченность. Естественно, при этом имеется большая
свобода выбора - любая монотонная функция от номера класса порождает свой
способ кодирования. Какая же из бесконечного многообразия монотонных функций -
наилучшая?
В соответствии с изложенным выше общим принципом, мы должны стремиться к
тому, чтобы максимизировать энтропию закодированных данных. При использовании
сигмоидных функций активации все выходные значения лежат в конечном интервале -
обычно [0,1] или [-1,1] • Из всех статистических функций распределения,
определенных на конечном интервале, максимальной энтропией обладает равномерное
распределение .
Применительно к данному случаю это подразумевает, что кодирование переменных
числовыми значениями должно приводить, по возможности, к равномерному
заполнению единичного интервала закодированными примерами. (Захватывая заодно и этап
нормировки.) При таком способе "оцифровки" все примеры будут нести примерно
одинаковую информационную нагрузку.
Исходя из этих соображений, можно предложить следующий практический рецепт
кодирования ординальных переменных. Единичный отрезок разбивается на п отрезков
- по числу классов - с длинами пропорциональными числу примеров каждого класса
в обучающей выборке:
Ахк=Рк/Р, где Рк- число примеров класса к , а Р , как обычно, общее число
примеров . Центр каждого такого отрезка будет являться численным значением для
соответствующего ординального класса (см. рис. 1).
Ах,
Р
Р2
-Ал;, = —
3 р
^ ^
^
х2
х3
Рис. 1. Илюстрация способа кодирования кардинальных переменных с
учетом количества примеров каждой категории.
Кодирование
категориальных
переменных
В принципе, категориальные переменные также можно закодировать описанным выше
способом, пронумеровав их произвольным образом. Однако, такое навязывание
несуществующей упорядоченности только затруднит решение задачи. Оптимальное
кодирование не должно искажать структуры соотношений между классами. Если классы не
упорядочении, такова же должна быть и схема кодирования.
Наиболее естественной выглядит и чаще всего используется на практике двоичное
кодирование типа "п^п", когда имена // категорий кодируются значениями //
бинарных нейронов, причем первая категория кодируется как (l,0,0,... ,о) , вторая,
соответственно - (о,1,0,... ,о) и т.д. вплоть до и-ной: (о,0,0,... ,lj . (Можно использовать
биполярную кодировку, в которой нули заменяются на "-1".) Легко убедиться, что
в такой симметричной кодировке расстояния между всеми векторами-категориями
равны.
Такое кодирование, однако, неоптимально в случае, когда классы представлены
существенно различающимся числом примеров. В этом случае, функция распределения
значений переменной крайне неоднородна, что существенно снижает информативность
этой переменной. Тогда имеет смысл использовать более компактный, но
симметричный код п^т , когда имена п классов кодируются т -битным двоичным кодом3.
Причем, в новой кодировке активность кодирующих нейронов должна быть равномерна:
иметь приблизительно одинаковое среднее по примерам значение активации. Это га-
3Не вдаваясь в подробности, отметим, что инструментом такого кодирования могут служить
циклические коды, в которых каждое слово встречается вместе со всеми своими циклическими сдвигами.
рантирует одинаковую значимость весов, соответствующих различным нейронам.
В качестве примера рассмотрим ситуацию, когда один из четырех классов
(например, класс с1 ) некой категориальной переменной представлен гораздо большим
числом примеров, чем остальные: Р1 » Р2 ~ Р3 ~ Р4 . Простое кодирование п^п привело
бы к тому, что первый нейрон активировался бы гораздо чаще остальных.
Соответственно, веса оставшихся нейронов имели бы меньше возможностей для обучения.
Этой ситуации можно избежать, закодировав четыре класса двумя бинарными
нейронами следующим образом: сх = (о,о), с2 = (l,0), с3 = (0,l), с4 = (l,l) , обеспечивающим
равномерную "загрузку" кодирующих нейронов.
Отличие между входными
и выходными переменными
В заключении данного раздела отметим одно существенное отличие способов
кодирования входных и выходных переменных, вытекающее из определения градиента
Ж
ошибки: ^д„] = Sj-n]x["] . А именно, входы участвуют в обучении непосредственно, то-
гда как выходы - лишь опосредованно - через ошибку верхнего слоя. Поэтому при
кодировании категорий в качестве выходных нейронов можно использовать как
логистическую функцию активации f(a) = l/(e~" +1) , определенную на отрезке [0,1], так и
ее антисимметричный аналог для отрезка [-1,1], например: f(a) = tanh(a) . При этом
кодировка выходных переменных из обучающей выборки будет либо {0,1} , либо {-1,1} .
Выбор того или иного варианта никак не скажется на обучении.
В случае с входными переменными дело обстоит по-другому: обучение весов
нижнего слоя сети определяется непосредственно значениями входов: на них
умножаются невязки, зависящие от выходов. Между тем, если с точки зрения операции
умножения значения ±1 равноправны, между 0 и 1 имеется существенная асимметрия:
нулевые значения не дают никакого вклада в градиент ошибки. Таким образом, выбор
схемы кодирования входов влияет на процесс обучения. В силу логической
равноправности обоих значений входов, более предпочтительной выглядит симметричная
кодировка: |-1,1} , сохраняющая это равноправие в процессе обучения.
Нормировка и
предобработка данных
Как входами, так и выходами нейросети могут быть совершенно разнородные
величины. Очевидно, что результаты нейросетевого моделирования не должны зависеть
от единиц измерения этих величин. А именно, чтобы сеть трактовала их значения
единообразно, все входные и выходные величины должны быть приведены к единому -
единичному - масштабу. Кроме того, для повышения скорости и качества обучения
полезно провести дополнительную предобработку данных, выравнивающую
распределение значений еще до этапа обучения.
Индивидуальная
нормировка данных
Приведение данных к единичному масштабу обеспечивается нормировкой каждой
переменной на диапазон разброса ее значений. В простейшем варианте это - линейное
преобразование:
г,max г,mm
в единичный отрезок: х. е [о, l] . Обобщение для отображения данных в интервал
-1,1] , рекомендуемого для входных данных тривиально.
Линейная нормировка оптимальна, когда значения переменной х. плотно заполняют
определенный интервал. Но подобный "прямолинейный" подход применим далеко не
всегда. Так, если в данных имеются относительно редкие выбросы, намного
превышающие типичный разброс, именно эти выбросы определят согласно предыдущей
формуле масштаб нормировки. Это приведет к тому, что основная масса значений
нормированной переменной х. сосредоточится вблизи нуля: |х.|«1.
250
200
150
100
50
0
-15 -10 -5 0 5 10 15
Рис. 2. Гистограмма значений переменной при наличии редких, но
больших по амплитуде отклонений от среднего.
Гораздо надежнее, поэтому, ориентироваться при нормировке не на экстремальные
значения, а на типичные, т.е. статистические характеристики данных, такие как
среднее и дисперсия4:
хг=^Ч х>-Ух;, аг2=— У(хГ-хг)2.
ui Г а=\ г 1 а=\
В этом случае основная масса данных будет иметь единичный масштаб, т.е.
типичные значения всех переменных будут сравнимы (см. рис. 2).
Однако, теперь нормированные величины не принадлежат гарантированно
единичному интервалу, более того, максимальный разброс значений х. заранее не известен.
Для входных данных это может быть и не важно, но выходные переменные будут
использоваться в качестве эталонов для выходных нейронов. В случае, если выходные
нейроны - сигмоидные, они могут принимать значения лишь в единичном диапазоне.
Чтобы установить соответствие между обучающей выборкой и нейросетью в этом слу-
4 В выражении для дисперсии знаменатель равен р-1 а не р из-за флуктуации оценки среднего х. ■
чае необходимо ограничить диапазон изменения переменных.
Линейное преобразование, как мы убедились, неспособно отнормировать основную
массу данных и одновременно ограничить диапазон возможных значений этих данных.
Естественный выход из этой ситуации - использовать для предобработки данных
функцию активации тех же нейронов. Например, нелинейное преобразование
^х,. -хЛ . . 1
\ cr J 1 + е
нормирует основную массу данных, одновременно гарантируя, что х. е [о, l] (см.
рис. 3) .
Рис. 3. Нелинейная нормировка, использующая
логистическую функцию активации f(a) = (\ + e") .
Как видно из приведенного выше рисунка, распределение значений после такого
нелинейного преобразования гораздо ближе к равномерному.
До сих пор мы старались максимизировать энтропию каждого входа (выхода) по
отдельности. Но, вообще говоря, можно добиться гораздо большего максимизируя их
совместную энтропию. Рассмотрим эту технику на примере совместной нормировки
входов, подразумевая, что с таким же успехом ее можно применять и для выходов,
а также для всей совокупности входов-выходов.
Совместная нормировка:
выбеливание входов
Если два входа статистически не независимы, то их совместная энтропия меньше
суммы индивидуальных энтропии: Я(хгх;)<я(хг) + Я(хг) . Поэтому, добившись
статистической независимости входов, мы, тем самым, повысим информационную насыщенность
входной информации. Это, однако, потребует более сложной процедуры совместной
нормировки входов.
Вместо того, чтобы использовать для нормировки индивидуальные дисперсии, бу-
дем рассматривать входные данные в совокупности. Мы хотим найти такое линейное
преобразование, которое максимизировало бы их совместную энтропию. Для
упрощения задачи вместо более сложного условия статистической независимости
потребуем , чтобы новые входы после такого преобразования были декоррелированы5. Для
этого рассчитаем средний вектор и ковариационную матрицу данных по формулам:
1 а=\ 11 а=\
Затем найдем линейное преобразование, диагонализующее ковариационную матрицу.
Соответствующая матрица составлена из столбцов - собственных векторов
ковариационной матрицы:
j
Легко убедиться, что линейное преобразование, называемое выбеливанием
(whitening)
х, =(xk-xk)Ukl/^I~
превратит все входы в некоррелированные величины с нулевым средним и
единичной дисперсией.
Если входные данные представляют собой многомерный эллипсоид, то графически
выбеливание выглядит как растяжение этого эллипсоида по его главным осям (рис.
4) .
Рис. 4. Выбеливание входной информации: повышение информативности
входов за счет выравнивания функции распределения.
Очевидно, такое преобразование увеличивает совместную энтропию входов, т.к.
оно выравнивает распределение данных в обучающей выборке.
Понижение
размерности
входов
Сильной стороной нейроанализа является возможность получения предсказаний при
минимуме априорных знаний. Поскольку заранее обычно неизвестно насколько
полезны те или иные входные переменные для предсказания значений выходов, возникает
соблазн увеличивать число входных параметров, в надежде на то, что сеть сама
определит какие из них наиболее значимы. Однако, как это уже обсуждалось в
Главе 3, сложность обучения персептронов быстро возрастает с ростом числа входов
(а именно - как куб размерности входных данных Cecal3) . Еще важнее, что с увели-
5 Декоррелированные величины х. имеют нулевые крос-корреляции: (х.-х.Чх -х.1 = 0,
чением числа входов страдает и точность предсказаний, т.к. увеличение числа
весов в сети снижает предсказательную способность последней (согласно предыдущим
оценкам: а > y/d/P ) .
Таким образом, количество входов приходится довольно жестко лимитировать, и
выбор наиболее информативных входных переменных представляет важный этап
подготовки данных для обучения нейросетей. Глава 4 специально посвящена
использованию для этой цели самих нейросетей, обучаемых без учителя. Не стоит, однако,
пренебрегать и традиционными, более простыми и зачастую весьма эффективными
методами линейной алгебры.
Один из наиболее простых и распространенных методов понижения размерности -
использование главных компонент входных векторов. Этот метод позволяет не
отбрасывая конкретные входы учитывать лишь наиболее значимые комбинации их
значений.
Понижение размерности
входов методом
главных компонент
Собственные числа матрицы ковариаций/t. , фигурировавшие в предыдущем разделе,
являются квадратами дисперсий вдоль ее главных осей. Если между входами
существует линейная зависимость, некоторые из этих собственных чисел стремятся к
нулю. Таким образом, наличие малых ki свидетельствует о том, что реальная
размерность входных данных объективно ниже, чем число входов. Можно задаться
некоторым пороговым значением а и ограничиться лишь теми главными компонентами,
которые имеют Я>аЯтах. Тем самым, достигается понижение размерности входов, при
минимальных потерях точности представления входной информации.
Рис. 5. Понижение размерности входов методом главных компонент.
Восстановление пропущенных
компонент данных
Главные компоненты оказываются удобным инструментом и для восстановления
пропусков во входных данных. Действительно, метод главных компонент дает наилучшее
линейное приближение входных данных меньшим числом компонент: х = wx (Здесь мы,
как и прежде, для учета постоянного члена включаем фиктивную нулевую компоненту
входов, всегда равную единице - см. рис. 5, где справа показана нейросетевая
интерпретация метода главных компонент. Таким образом, w - это матрица
размерности Nх (d +1)) . Восстановленные по N главным компонентам данные из обучающей
выборки х'а = wTх = wTwxa имеют наименьшее среднеквадратичное отклонение от своих
прототипов ха . Иными словами, при отсутствии у входного вектора к компонент,
наиболее вероятное положение этого вектора - на гиперплоскости первых N = (d-к)
главных компонент. Таким образом, для восстановленного вектора имеем:
х'а = wTx = wTwx'a , причем для известных компонент х'а = ха .
Пусть, например, у вектора ха неизвестна всего одна, к-я. координата. Ее
значение находится из оставшихся по формуле:
где в числителе учитываются лишь известные компоненты входного вектора ха .
В общем случае восстановить неизвестные компоненты (с индексами из множества
К) можно с помощью следующей итеративной процедуры (см. рис. 6):
Рис. 6. Восстановление пропущенных значения с помощью главных
компонент. Пунктир - возможные значения исходного вектора с к = 1
неизвестными координатами. Наиболее вероятное его значение - на
пересечении с N = (d - к) = 2-1 = 1 первыми главными компонентами.
Понижение размерности
входов с помощью нейросетей
Для более глубокой предобработки входов можно использовать все богатство
алгоритмов самообучающихся нейросетей, о которых шла речь ранее. В частности, для
оптимального понижения размерности входов можно воспользоваться методом
нелинейных главных компонент (см. рис. 7).
Такие сети с узким горлом также можно использовать для восстановления
пропущенных значений - с помощью итерационной процедуры, обобщающей линейный вариант
метода главных компонент (см. рис. 8).
Однако, такую глубокую "предобработку" уже можно считать самостоятельной ней-
росетевой задачей. И мы не будем дале углубляться в этот вопрос.
Рис. 7. Понижение размерности входов методом нелинейных
главных компонент.
Рис. 8. Восстановление пропущенных компонент данных с
помощью нелинейных главных компонент.
Квантование входов
Более распространенный вид нейросетевой предобработки данных - квантование
входов, использующее слой соревновательных нейронов (см. рис. 9) .
А
Рис. 9. Понижение разнообразия входов методом
квантования (кластеризации).
Нейрон-победитель является прототипом ближайших к нему входных векторов.
Квантование входов обычно не сокращает, а наоборот, существенно увеличивает
число входных переменных. Поэтому его используют в сочетании с простейшим ли-
нейным дискриминатором - однослойным персептороном. Получающаяся в итоге
гибридная нейросеть, предложенная Нехт-Нильсеном в 1987 году, обучается послойно:
сначала соревновательный слой кластеризует входы, затем выходным весам
присваиваются значения выходной функции, соответствующие данному кластеру. Такие сети
позволяют относительно быстро получать грубое - кусочно-постоянное -
приближение аппроксимируемой функции (см. рис. 10).
Особенно полезны кластеризующие сети для восстановления пропусков в массиве
обучающих данных. Поскольку работа соревновательного слоя основана на сравнении
расстояний между данными и прототипами, осутствие у входного вектора \а
некоторых компонент не препятствует нахождению прототипа-победителя: сравнение
ведется по оставшимся компонентам / £ К :
При этом все прототипы w к находятся в одинаковом положении. Рис. 11
иллюстрирует эту ситуацию.
X
Рис. 10. Гибридная сеть с соревновательным слоем,
дающая кусочно-постоянное приближение функций
А
X
а
Рис. 11. Наличие пропущенных компонент не препятствует нахождению
ближайшего прототипа по оставшимся компонентам входного вектора ха
Таким образом, слой квантующих входные данные нейронов нечувствителен к про-
пущенным компонентам, и может служить "защитным экраном" для минимизации
последствий от наличия пропусков в обучающей базе данных.
Отбор наиболее
Значимых входов
До сих пор мы старались лишь представить имеющуюся входную информацию
наилучшим - наиболее информативным - образом. Однако, рассмотренные выше методы
предобработки входов никак не учитывали зависимость выходов от этих входов. Между
тем, наша задача как раз и состоит в выборе входных переменных, наиболее
значимых для предсказаний. Для такого более содержательного отбора входов нам
потребуются методы, позволяющие оценивать значимость входов.
Линейная
значимость
входов
Легче всего оценить значимость входов в линейной модели, предполагающей
линейную зависимость выходов от входов:
(у;-у,)=Т.Мх?-ъ)
Матрицу весов wjk можно получить, например, обучением простейшего -
однослойного персептрона с линейной функцией активации. Допустим теперь, что при
определении выходов мы опускаем одну, для определенности - к -ю компоненту входов,
заменяя ее средним значением этой переменной. Это приведет к огрублению модели,
т.е. возрастании ошибки на величину:
(Полагая, что данные нормировании на их дисперсию.) Таким образом, значимость
к-го входа определяется суммой квадратов соответствующих ему весов.
Особенно просто определить значимость выбеленных входов. Для этого достаточно
просто вычислить взаимную корреляцию входов и выходов:
Действительно, при линейной зависимости между входами и выходами имеем:
г 1 а=\
Таким образом, в общем случае для получения матрицы весов требуется решить
систему линейных уравнений. Но для предварительно выбеленных входов имеем:
= 8Ы , так что в этом случае матрица кросс-корреляций просто совпадает с
матрицей весов обученного линейного персептрона: Z^7 =w.i .
Резюмируя, значимость входов в предположении о приблизительно линейной
зависимости между входными и выходными переменными для выбеленных входов
пропорциональна норме столбцов матрицы кросс-корреляций: ^.(s^j .
Не следует, однако, обольщаться существованием столь простого рецепта
определения значимости входов. Линейная модель может быть легко построена и без
привлечения нейросетей. Реальная сила нейроанализа как раз и состоит в возможности
находить более сложные нелинейные зависимости. Более того, для облегчения
собственно нелинейного анализа рекомендуется заранее освободиться от тривиальных
линейных зависимостей - т.е. в качестве выходов при обучении подавать разность
между выходными значениями и их линейным приближением. Это увеличит
"разрешающую способность" нейросетевого моделирования (см. рис. 12).
Рис. 12. Выявление нелинейной составляющей функции
у = 10х + sin(x) + O.577 после вычитания линейной зависимости
у = 10х . (Здесь 7]- гауссовый случайный шум)
Для определения "нелинейной" значимости входов - после вычитания линейной
составляющей, изложенный выше подход неприменим. Здесь надо привлекать более
изощренные методики. К описанию одной из них, алгоритмам box-counting, мы и
переходим.
Нелинейная значимость
входов. Box-counting алгоритмы
Алгоритмы box-counting, как следует из самого их названия, основаны на
подсчете чисел заполнения примерами Р; ячеек (boxes) , на которые специально для
этого разбивается пространство переменных X0Y . Эти числа заполнения
используются для оценки плотности вероятности распределения примеров по ячейкам. Набор
вероятностей р =P,jP дает возможность рассчитать любую статистическую
характеристику набора данных обучающей выборки.
Для определения значимости входов нам потребуется оценить предсказуемость
выходов, обеспечиваемую данным набором входных переменных. Чем выше эта
предсказуемость - тем лучше соответствующий набор входов. Таким образом, метод box-
counting предоставляет в наше распоряжение технологию отбора наиболее значимых
признаков для нейросетевого моделирования, технологию оптимизации входного
пространства признаков.
Согласно общим положениям теории информации, мерой предсказуемости случайной
величины X является ее энтропия, Н(Х) , определяемая как среднее значение ее
логарифма. В методике box-counting энтропия приближенно оценивается по набору
чисел заполнения ячеек, на которые разбивается интервал ее возможных значений:
Н(Х) = ~У, Р? logp,x • Качественно, энтропия есть логарифм эффективного числа
заполненных ячеек Н(Х) = \ogNх (см. рис. 13) . Чем больше энтропия переменной, тем ме-
нее предсказуемо ее значение. Когда все значения примеров сосредоточены в одной
ячейке - их энтропия равна нулю, т.к. положение данных определено (с данной
степенью точности). Равномерному заполнению ячеек соответствует максимальная
энтропия - наибольший разброс возможных значений переменной.
• •
•
•
• •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
X
Nx
Рис. 13. Смысл энтропии - эффективное число заполненных данными ячеек
Предсказуемость случайного вектораY, обеспечиваемое знанием другой случайной
величины X, дается кросс-энтропией:
/(Y, X) = #(Y) + Я(Х) - Н(Х, Y) = #(Y) - #(Y|X)
Качественно, кросс-энтропия равна логарифму отношения типичного разброса
значений переменной Y к типичному разбросу этой переменной, но при известном
значении переменной X (см. рис. 14):
/(Y.X)
, NXNT
log-
N
XY
Рис. 14. Иллюстрация к понятию кросс-энтропии: iVV)- - полное число
ячеек в объединенном пространстве X®Y, iVv - число проекций ячеек
на пространство X , Nxy/Nx - характерный разброс по оси Y при
фиксированном X , NY - характерный разброс всех данных по оси Y .
Чем больше кросс-энтропия, тем больше определенности вносит знание значения
X в предсказание значения переменной Y .
Описанный выше энтропийный анализ не использует никаких предположений о
характере зависимости между входными и выходными переменными. Таким образом,
данная методика дает наиболее общий рецепт определения значимости входов, позволяя
также оценивать степень предсказуемости выходов.
В принципе, качество предсказаний и, соответственно, значимость входной
информации определяется, в конечном итоге, в результате обучения нейросети,
которая, к тому же, дает решение в явном виде. Однако, как мы знаем, обучение
нейросети - довольно сложная вычислительная задача (требующая ~ Р3 операций). Между
тем, существуют эффективные алгоритмы быстрого подсчета кросс-энтропии (с
вычислительной сложностью -PlogP), намного более экономные, чем обучение
нейросетей. Значение методики box-counting состоит в том, что не находя самого
решения, она позволяет быстро предсказать качество этого прогноза. Поэтому эта
методика может быть положена в основу предварительного отбора входной информации
на этапе предобработки данных.
Формирование оптимального
пространства признаков
В типичной ситуации набор выходных, прогнозируемых, переменных фиксирован, и
требуется подобрать наилучшую комбинацию ограниченного числа входных величин.
Оценка значимости входов позволяет построить процедуру систематического
предварительного подбора входных переменных - до этапа обучения нейросети. Для
иллюстрации опишем две возможные стратеги автоматического формирования признакого
пространства.
Последовательное
добавление наиболее
Значимых входов
Один из наиболее очевидных способов формирования пространства признаков с
учетом реальной значимости входов - постепенный подбор наиболее значимых входов
в качестве очередных признаков. В качестве первого признака выбирается вход с
наибольшей индивидуальной значимостью:
. кг = argmax[/(Y, Хку> .
к
Вторым признаком становится вход, обеспечивающий наибольшую предсказуемость в
паре с уже выбранным:
к2 = argmax|/(Y, Хк< Xt)J ,
и так далее. На каждом следующем этапе добавляется вход, наиболее значимый в
компании с выбранными ранее входами:
кп = arg max{4") = /(Y, Xki... Хкя Xk)) .
Такая процедура не гарантирует нахождения наилучшей комбинации входов, т.е.
дает субоптимальный набор признаков, т.к. реально рассматривается лишь очень
малая доля от полного числа комбинаций входов, и значимость каждого нового
признака зависит от сделанного прежде выбора. Полный перебор, однако, практически
неосуществим: выбор оптимальной комбинации // входов при полном их числе dx тре-
(dx~) (dxY
бует перебора ~ -—— комбинации.
V п ) п\
Другим недостатком описанного выше подхода является необходимость подсчета
кросс-энтропии в пространстве все более высокой размерности по мере увеличения
числа отобранных признаков. Ниже описана процедура, свободная от этого
недостатка, основанная на применении методики box-counting лишь в низкоразмерных
пространствах (а именно - с размерностью dY +1) .
Формирование признакого
пространства методом
ортогонализации
Следующая систематическая процедура способна итеративно выделять наиболее
значимые признаки, являющиеся линейными комбинациями входных переменных:
X = WX (подмножество входов является частным случаем линейной комбинации, т.е.
формально можно найти лучшее решение, чем то, что доступно путем отбора
наиболее значимых комбинаций входов).
Рис. 15. Выбор наиболее значимых линейных комбинаций входных переменных.
Для определения значимости каждой входной компоненты будем использовать
каждый раз индивидуальную значимость этого входа6: /(Y, Хк} .
Подсчитав индивидуальную значимость входов, находим направление в исходном
входном пространстве, отвечающее наибольшей (нелинейной) чувствительности
выходов к изменению входов. Это градиентное направление определит первый вектор
весов , дающий первую компоненту пространства признаков:
w
Следующую компоненту будем искать аналогично первой, но уже в пространстве
перпендикулярном выбранному направлению, для чего спроектируем все входные
вектора в это пространство:
Х(1) =X-(w1X)-w1 .
В этом пространстве можно опять подсчитать "градиент" предсказуемости,
определив индивидуальную значимость спроектированных входов, и так далее. На каждом
следующем этапе подсчитывается индивидуальная значимость I^Y,X["^ для проекции
входов
xW=X-(w1X)-w1-...-(w„X)-w„,
что не требует повышения размерности box-counting анализа. Таким образом,
описанная выше процедура позволяет формировать пространство признаков произ-
Это конечно компромисс. Вообще говоря, в описываемом алгоритме следовало бы использовать
строгое определение Значимости k-го входа: Rk = /(Y,X)-/(Y,X\Xt) , однако это подразумевает проведение
box-counting в высокоразмерном пространстве, чего мы как раз и хотим избежать.
вольной размерности - без потери точности.
Заключение
Конечно, описанными выше методиками не исчерпывается все разнообразие
подходов к ключевой для нейроанализа проблеме формирования пространства признаков.
Мы не упомянули, в частности, генетические алгоритмы, которые в совокупностью с
методикой box-counting являются весьма перспективным инструментом. Ничего не
было сказано также о методике разделения независимых компонент (blind signal
separation), расширяющей анализ главных компонент. Необъятного не объять.
Главное, чтобы за деталями не затерялся основополагающий принцип предобработки
данных: снижение существующей избыточности всеми возможными способами. Это
повышает информативность примеров и, тем самым, качество нейропредсказаний.
Литература
1. Bishop СМ. (1995) Neural Networks and Pattern Recognition. Oxford Press.
2. Voss R.F. (1986) "Random Fractals, Characterization and Measurement", in
Scaling Phenomena in Disordered Systems, R.Pynn and A.Skjeltorp, Eds.,
Plenum, NewYork.
3. Keller J.M., Chen S., and Crownover R.M. (1988) "Texture Description and
Segmentation through Fractal Geometry". Computer Vision, Graphics, and
Image Processing, 45, 150-166.
4. Pineda F.J., and Sommerer J.C. (1994) "Estimating Generalized Dimensions
and Choosing Time Delays: A Fast Algorithm", in Time Series Prediction,
A.S.Weigend, N.A.Gershenfeld, Eds., Addison-Wesley, p.367-385.
5. Rissanen J. (1990) "Complexity of Models", in Complexity, Entropy and the
Physics of Information, Ed. W.H.Zurek; Addison-Wesley, Redwood City,
California, p. 117-125.
ГЛАВА 8
ПРЕДСКАЗАНИЕ ФИНАНСОВЫХ
ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ
«И будущаго, конечно, не знаютъ ни Ангелы
Бож1и, ни демоны; однако, они предсказы-
ваютгь».
Св. Иоанн Дамаскин, Точное изложение
православной веры
«Я реагирую на события на рынке, как
животное реагирует на то, что происходит в
джунглях».
Д.Сорос, Алхимия финансов
Введение:
Предсказание
как вид бизнеса
В этой главе рассмотрено одно из самых популярных практических приложений
нейросетей - предсказание рыночных временных рядов. В этой области предсказания
наиболее тесно связаны с доходностью, и могут рассматриваться как один из видов
бизнеса.
Кому нужно
предсказывать
рынок?
Предсказание финансовых временных рядов - необходимый элемент любой
инвестиционной деятельности. Сама идея инвестиций - вложения денег сейчас с целью
получения дохода в будущем - основывается на идее прогнозирования будущего.
Соответственно, предсказание финансовых временных рядов лежит в основе деятельности
всей индустрии инвестиций - всех бирж и небиржевых систем торговли ценными
бумагами.
Приведем несколько цифр, иллюстрирующих масштаб этой индустрии предсказаний.
Дневной оборот рынка акций только в США превышает $10 млрд. Депозитарий DTC
(Depositary Trust Company) в США, где зарегестрировано ценных бумаг на сумму
$11 трлн. (из общего объема $18 трлн.), регистрирует в день сделок примерно на
$250 млрд. Еще более активно идет торговля на мировом валютном рынке FOREX. Его
дневной оборот превышает $1000 млрд. Это примерно 1/50 всего совокупного
капитала человечества.
Известно, что 99% всех сделок - спекулятивные, т.е. направлены не на
обслуживание реального товарооборота, а заключены с целью извлечения прибыли по схеме
"купил дешевле - продал дороже". Все они основаны на предсказаниях изменения
курса участниками сделки. Причем, что немаловажно, предсказания участников
каждой сделки противоположны друг другу.1 Так что объем спекулятивных операций
характеризует степень различий в предсказаниях участников рынка, т. е реально -
степень непредсказуемости финансовых временных рядов.
Здесь мы несколько упрощаем ситуацию, Забывая, что участники сделки могут ориентироваться на
разные временные масштабы цикла купли-продажи. Это, однако, не меняет кардинально общий вывод о
сложности. Финансовых предсказаний.
Можно ли
предсказывать
рынок?
Это важнейшее свойство рыночных временных рядов легло в основу теории
"эффективного" рынка, изложенной в диссертации Луи де Башелье в 1900 г. Согласно этой
доктрине, инвестор может надеяться лишь на среднюю доходность рынка,
оцениваемую с помощью индексов, таких как Dow Jones или S&P500 для Нью-Йоркской биржи.
Всякий же спекулятивный доход носит случайный характер и подобен азартной игре
на деньги. В основе непредсказуемости рыночных кривых лежит та же причина, по
которой деньги редко валяются на земле в людных местах: слишком много желающих
их поднять.
Теория эффективного рынка не разделяется, вполне естественно, самими
участниками рынка (которые как раз и заняты поиском "упавших" денег). Большинство из
них уверено, что рыночные временные ряды, несмотря на кажущуюся стохастичность,
полны скрытых закономерностей, т.е. в принципе хотя бы частично предсказуемы.
Такие скрытые эмпирические закономерности пытался выявить в 30-х годах в серии
своих статей основатель технического анализа Эллиот.
В 80-х годах неожиданную поддержку эта точка зрения нашла в незадолго до
этого появившейся теории динамического хаоса. Эта теория построена на
противопоставлении хаотичности и стохастичности (случайности). Хаотические ряды только
выглядят случайными, но, как детерминированный динамический процесс, вполне
допускают краткосрочное прогнозирование. Область возможных предсказаний
ограничена по времени горизонтом прогнозирования, но этого может оказаться достаточно
для получения реального дохода от предсказаний. И тот, кто обладает лучшими
математическими методами извлечения закономерностей из зашумленных хаотических
рядов, может надеяться на большую норму прибыли - за счет своих менее
оснащенных собратьев.
В этой главе мы приведем конкретные факты, подтверждающие частичную
предсказуемость финансовых временных рядов, и даже оценим эту предсказуемость
численно .
Технический анализ
и нейронные сети
В последнее десятилетие наблюдается устойчивый рост популярности технического
анализа - набора эмпирических правил, основанных на различного рода индикаторах
поведения рынка. Технический анализ сосредотачивается на индивидуальном
поведении данного финансового инструмента, вне его связи с остальными ценными
бумагами.
Такой подход психологически обоснован сосредоточенностью брокеров именно на
том инструменте, с которым они в данный момент работают. Согласно Александру
Элдеру, известному специалисту по техническому анализу (по своей предыдущей
специальности - психотерапевту), поведение рыночного сообщества имеет много
аналогий с поведением толпы, характеризующимся особыми законами массовой
психологии. Влияние толпы упрощает мышление, нивелирует индивидуальные особенности и
рождает формы коллективного, стадного поведения, более примитивного, чем
индивидуальное. В частности, стадные инстинкты повышают роль лидера, вожака.
Ценовая кривая, по Элдеру, как раз и является таким лидером, фокусируя на себе
коллективное сознание рынка. Такая психологическая трактовка поведения рыночной
цены обосновывает применение теории динамического хаоса. Частичная
предсказуемость рынка обусловлена относительно примитивным коллективным поведением
игроков, которые образуют единую хаотическую динамическую систему с относительно
небольшим числом внутренних степеней свободы.
Согласно этой доктрине, для предсказания рыночных кривых необходимо
освободиться от власти толпы, стать выше и умнее ее. Для этого предлагается
выработать систему игры, апробированную на прошлом поведении временного ряда и четко
следовать этой системе, не поддаваясь влиянию эмоций и циркулирующих вокруг
данного рынка слухов. Иными словами, предсказания должны быть основаны на
алгоритме, т.е. их можно и даже должно перепоручить компьютеру. За человеком
остается лишь создание этого алгоритма, для чего в его распоряжении имеются
многочисленные программные продукты, облегчающие разработку и дальнейшее
сопровождение компьютерных стратегий на базе инструментария технического анализа.
Следуя этой логике, почему бы не использовать компьютер и на этапе разработки
стратегии, причем не в качестве ассистента, рассчитывающего известные рыночные
индикаторы и тестирующего заданные стратегии, а для извлечения оптимальных
индикаторов и нахождения оптимальных стратегий по найденным индикаторам. Такой
подход - с привлечением технологии нейронных сетей - завоевывает с начала 90-х
годов все больше приверженцев, т.к. обладает рядом неоспоримых достоинств.
Во-первых, нейросетевой анализ, в отличие от технического, не предполагает
никаких ограничений на характер входной информации. Это могут быть как
индикаторы данного временного ряда, так и сведения о поведении других рыночных
инструментов . Недаром нейросети активно используют именно институциональные
инвесторы (например, крупные пенсионные фонды), работающие с большими портфелями,
для которых особенно важны корреляции между различными рынками.
Во-вторых, в отличие от теханализа, основанного на общих рекомендациях,
нейросети способны находить оптимальные для данного инструмента индикаторы и
строить по ним оптимальную опять же для данного ряда стратегию предсказания. Более
того, эти стратегии могут быть адаптивны, меняясь вместе с рынком, что особенно
важно для молодых активно развивающихся рынков, в частности, российского.
Нейросетевое моделирование в чистом виде базируется лишь на данных, не
привлекая никаких априорных соображений. В этом его сила и одновременно - его
ахиллесова пята. Имеющихся данных может не хватить для обучения, размерность
потенциальных входов может оказаться слишком велика. Далее в этой главе мы
покажем, как для преодоления этих типичных в области финансовых предсказаний
трудностей можно воспользоваться опытом, накопленным технического анализом.
Методика предсказания
временных рядов
Для начала обрисуем общую схему нейросетевого предсказания временных рядов
(рис. 1).
♦ Погружение
оеооооооооооооо
♦ Выделение признаков
о о о о о
♦ Обучение нейро- .
индикаторов
♦ Адаптивное предсказание
и принятие решений
о о
Рис. 1. Схема технологического цикла предяказаний рыночных временных рядов.
Далее в этой главе мы кратко обсудим все этапы этой технологической цепочки.
Хотя общие принципы нейро-моделирования применимы к данной задаче в полном
объеме, предсказание финансовых временных рядов имеет свою специфику. Именно эти
отличительные черты и будут в большей мере затронуты в этой главе.
Метод погружения.
Теорема Такенса
Начнем с этапа погружения. Как мы сейчас убедимся, несмотря на то, что
предсказания, казалось бы, являются экстраполяцией данных, нейросети, на самом
деле, решают задачу интерполяции, что существенно повышает надежность решения.
Предсказание временного ряда сводится к типовой задаче нейроанализа -
аппроксимации функции многих переменных по заданному набору примеров - с помощью
процедуры погружения ряда в многомерное пространство. Например, d-мерное лаговое
пространство ряда Xt состоит из d значений ряда в последовательные моменты
времени: Xt_d = (Xt_,,... Xt_d) .
Для динамических систем доказана следующая теорема Такенса. Если временной
ряд порождается динамической системой, т.е. значения Xt есть произвольная
функция состояния такой системы, существует такая глубина погружения d (примерно
равная эффективному числу степеней свободы данной динамической системы),
которая обеспечивает однозначное предсказание следующего значения временного ряда.
Таким образом, выбрав достаточно большое d можно гарантировать однозначную
зависимость будущего значения ряда от его d предыдущих значений: Xt = f(x.t_d} , т.е.
предсказание временного ряда сводится к задаче интерполяции функции многих
переменных. Нейросеть далее можно использовать для восстановления этой
неизвестной функции по набору примеров, заданных историей данного временного ряда.
Напротив, для случайного ряда знание прошлого ничего не дает для предсказания
будущего. Поэтому, согласно теории эффективного рынка, разброс предсказываемых
значений ряда на следующем шаге при погружении в лаговое пространство не
изменится.
Отличае хаотической динамики от стохастической (случайной), проявляющееся в
процессе погружения, иллюстрирует рис. 2.
Рис. 2. Проявляющееся, по мере погружения ряда, различие между
случайным процессом и хаотической динамикой.
Эмпирические свидетельства
предсказуемости
финансовых рядов
Метод погружения позволяет количественно измерить предсказуемость реальных
финансовых инструментов, т.е. проверить или опровергнуть гипотезу эффективности
рынка. Согласно последней, разброс точек по всем координатам лагового
пространства одинаков (если они - одинаково распределенные независимые случайные
величины) . Напротив, хаотическая динамика, обеспечивающая определенную
предсказуемость, должна приводить к тому, что наблюдения будут группироваться вблизи
некоторой гиперповерхности Xt=/(х,_d) , т.е. экспериментальная выборка формирует
некоторое множество размерности меньшей, чем размерность всего лагового
пространства .
450
403
350
300
250
200
150
100
50
0 100 200 300 400 500 600 700
Рис. 3. Временной ряд 679 значений индекса S&P500,
используемый на протяжении данной главы в качестве
примера .
Для измерения размерности можно воспользоваться следующим интуитивно понятным
свойством: если множество имеет размерность D , то при разбиении его на все
более мелкие покрытия кубиками со стороной s , число таких кубиков растет как s D .
На этом факте основывается определение размерности множеств уже знакомым нам
методом box-counting. Размерность множества точек определяется по скорости
возрастания числа ячеек (boxes), содержащих все точки множества.2 Для ускорения ал-
2 Вообще говоря, можно определить целое семейство т.н. размерностей Реньи: Дд = log^\ pf /(l -q)\ogs ,
(footnote continued)
горитма размеры а берут кратными 2, т.е. масштаб разрешения измеряется в битах.
В качестве примера типичного рыночного временного ряда возьмем такой
известный финансовый инструмент, как индекс котировок акций 500 крупнейших компаний
США, S&P500, отражающий среднюю динамику цен на Нью-Йоркской бирже. Рис. 3
показывает динамику индекса на протяжении 679 месяцев. Размерность
(информационная) приращений этого ряда, подсчитанная методом box-counting, показана на
следующем рисунке (рис. 4).
05I 1 1 1 1 1 1 1 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Рис. 4. Информационная размерность приращений ряда S&P500
Как следует из последнего рисунка, в 15-мерном пространстве погружения
экспериментальные точки формируют множество размерности примерно 4. Это значительно
меньше, чем 15, что мы получили бы исходя из гипотезы эффективного рынка,
считающей ряд приращений независимыми случайными величинами.
Таким образом, эмпирические данные убедительно свидетельствуют о наличии
некоторой предсказуемой составляющей в финансовых временных рядах, хотя здесь и
нельзя говорить о полностью детерминированной хаотической динамике3. Значит,
попытки применения нейросетевого анализа для предсказания рынков имеют под собой
веские основания.
Заметим, однако, что теоретическая предсказуемость вовсе не гарантирует
достижимость практически значимого уровня предсказаний. Количественную оценку
определяемых через относительные чмсла Заполнения ячеек р. . Причем Д называют размерностью Ха-
усдорфа, Д - информационной, ад- корреляционной размерностями. Чем выше степень q , тем
меньше эффективное число ячеек, и соответственно - тем меньше размерность. Для сопоставимости с
другими применениями box-counting в данных лекциях мы будем опираться на информационную
размерность Д, численно равную энтропии, деленной на чмсло бит данной степени разрешения £.
3 График размерностей с ростом глубины понружения не выходит на насыщение, которое Зафиксировало
бы существование Замкнутой детерминистической системы.
предсказуемости конкретных рядов дает измерение кросс-энтропии, также возможное
с помощью методики box-counting. Для примера приведем измерения предсказуемости
приращений индекса S&P500 в зависимости от глубины погружения.4 Кросс-энтропия
l{xt,X,_d) = н(х^-H^Xt\xt_d^ , график которой приведен ниже (рис. 5), измеряет
дополнительную информацию о следующем значении ряда, обеспеченную знанием d
прошлых значений этого ряда.
0.21 1 1 1 1 1 1 1
0.15-
-0051 1 1 1 1 1 1 1
0 5 10 15 20 25 30 35
Рис. 5. Предсказуемость знака приращений ряда индекса S&P500 в
зависимости от глубины погружения (ширина «окна»). Увеличение глубины
погружения свыше 25 сопровождается снижением предсказуемости.
Далее в этой главе мы оценим какой доход в принципе способен обеспечить такой
уровень предсказуемости.
Формирование входного
пространства признаков
Как иллюстрирует рис. 5, увеличение ширины окна погружения ряда приводит в
конце концов к понижению предсказуемости - когда повышение размерности входов
уже не компенсируется увеличением их информативности. В этом случае, когда
размерность лагового пространства dслишком велика для данного количества примеров,
приходится применять специальные методики формирования пространства признаков с
меньшей размерностью. Способы выбора признаков и/или увеличения числа доступных
примеров, специфичные для финансовых временных рядов будут описаны ниже.
Выбор функционала ошибки
Для обучения нейросети недостаточно сформировать обучающие наборы входов-
Предсказуемость подсчитывалась методом box-counting с использованием искусственных примеров,
как это будет описано ниже.
выходов. Необходимо также определить ошибку предсказаний сети.
Среднеквадратичная ошибка, используемая по умолчанию в большинстве нейросетевых приложений, не
имеет большого "финансового смысла" для рыночных рядов. Поэтому в отдельном
разделе мы рассмотрим специфичные для финансовых временных рядов функции ошибки
и покажем их связь с возможной нормой прибыли.
Например, для выбора рыночной позиции надежное определение знака изменения
курса более важно, чем понижение среднеквадратичного отклонения. Хотя эти
показатели и связаны между собой, сети оптимизированные по одному из них будут
давать худшие предсказания другого. Выбор адекватной функции ошибки, как мы
покажем далее в этой главе, должен опираться на некую идеальную стратегию и
диктоваться, например, максимизацией прибыли (или минимизацией возможных убытков).
Обучение нейросетей
Основная специфика предсказания временных рядов лежит в области предобработки
данных. Процедура обучения отдельных нейросетей стандартна. Как всегда,
имеющиеся примеры разбиваются на три выборки: обучающая, валидационная и тестовая.
Первая используется для обучения, вторая - для выбора оптимальной архитектуры
сети и/или для выбора момента остановки обучения. Наконец, третья, которая
вообще не использовалась в обучении, служит для контроля качества прогноза
обученной нейросети.
Однако, для сильно зашумленных финансовых рядов существенный выигрыш в
надежности предсказаний способно дать использование комитетов сетей. Обсуждением
этой методики мы и закончим данную главу.
В литературе имеются свидетельства улучшения качества предсказаний за счет
использования нейросетей с обратными связями. Такие сети могут обладать
локальной памятью, сохраняющей информацию о более далеком прошлом, чем то, что в
явном виде присутствует во входах. Рассмотрение таких архитектур, однако, увело
бы нас слишком далеко от основной темы, тем более, что существуют
альтернативные способы эффективного расширения "горизонта" сети, за счет специальных
способов погружения ряда, рассмотренных ниже.
Формирование
пространства
признаков
Ключевым для повышения качества предсказаний является эффективное кодирование
входной информации. Это особенно важно для труднопредсказуемых финансовых
временных рядов. Все рекомендации, описанные в главе о предобработке данных,
применимы и здесь. Имеются, однако, и специфичные именно для финансовых временных
рядов способы предобработки данных, на которых мы подробно остановимся в данном
разделе.
Способы погружения
временного ряда
Начнем с того, что в качестве входов и выходов нейросети не следует выбирать
сами значения котировок, которые мы обозначим С, . Действительно значимыми для
предсказаний являются изменения котировок. Поскольку эти изменения, как
правило, гораздо меньше по амплитуде, чем сами котировки, между последовательными
значениями курсов имеется большая корреляция - наиболее вероятное значение
курса в следующий момент равно его предыдущему значению: (Ct+1) = Ct + (ACt) = Ct . Между
тем, как это уже неоднократно подчеркивалось, для повышения качества обучения
следует стремиться к статистической независимости входов, то есть к отсутствию
подобных корреляций.
Поэтому в качестве входных переменных логично выбирать наиболее статистически
независимые величины, например, изменения котировок ACt или логарифм относи-
временных рядов, когда уже заметно влияние инфляции. В этом случае простые
разности в разных частях ряда будут иметь различную амплитуду, т.к. фактически
измеряются в различных единицах. Напротив, отношения последовательных котировок
не зависят от единиц измерения, и будут одного масштаба, несмотря на
инфляционное изменение единиц измерения. В итоге, большая стационарность ряда позволит
использовать для обучения большую историю и обеспечит лучшее обучение.
Отрицательной чертой погружения в лаговое пространство является ограниченный
"кругозор" сети. Технический анализ же, напротив, не фиксирует окно в прошлом,
и пользуется подчас весьма далекими значениями ряда. Например, утверждается,
что максимальные и минимальные значения ряда даже в относительно далеком
прошлом оказывают достаточно сильное воздействие на психологию игроков, и,
следовательно, должны быть значимы для предсказания. Недостаточно широкое окно
погружения в лаговое пространство не способно предоставить такую информацию, что,
естественно, снижает эффективность предсказания. С другой стороны, расширение
окна до таких значений, когда захватываются далекие экстремальные значения
ряда, повышает размерность сети, что в свою очередь приводит к понижению точности
нейросетевого предсказания - уже из-за разрастания размера сети.5
Выходом из этой, казалось бы, тупиковой ситуации являются альтернативные
способы кодирования прошлого поведения ряда. Интуитивно понятно, что чем дальше в
прошлое уходит история ряда, тем меньше деталей его поведения влияет на
результат предсказаний. Это обосновано психологией субъективного восприятия прошлого
участниками торгов, которые, собственно, и формируют будущее. Следовательно,
надо найти такое представление динамики ряда, которое имело бы избирательную
точность: чем дальше в прошлое - тем меньше деталей, при сохранении общего вида
кривой. Весьма перспективным инструментом здесь может оказаться т.н. вейвлетное
разложение (wavelet decomposition). Оно эквивалентно по информативности лагово-
му погружению, но легче допускает такое сжатие информации, которое описывает
прошлое с избирательной точностью.
Понижение размерности
входов: признаки
Подобного рода сжатие информации является примером извлечения из непомерно
большого числа входных переменных наиболее значимых для предсказания признаков.
Способы систематического извлечения признаков уже были описаны в прошлых
главах. Их можно (и нужно) с успехом применять и к предсказанию временных рядов.
Важно только, чтобы способ представления входной информации по возможности
облегчал процесс извлечения признаков. Вейвлетное представление являет собой
пример удачного, с точки зрения извлечения признаков, кодирования. Например, на
следующем рисунке (рис. 6) изображен отрезок из 50 значений ряда вместе с его
реконструкцией по 10 специальным образом отобранным вейвлет-коэффициентов.
Обратите внимание, что несмотря на то, что для этого потребовалось в пять раз
меньше даных, непосредственное прошлое ряда восстановлено точно, а более
далекое - лишь в общих чертах, хотя максимумы и минимумы отражены верно. Следова-
5 Напомним, что согласно нашим прошлым оценкам минимальная ошибка нейропредсказаний возрастет с
тельного приращения
Последний выбор хорош для длительных
ростом числа входов: £
тельно, можно с приемлемой точностью описывать 50-мерное окно всего лишь 10-
мерным входным вектором.
370
360
350
340
330
320
310
300
290
0 10 20 30 40 50
Рис. 6. Пример 50-мерного окна (сплошная линия) и его его
реконструкции по 10 вейвлет коэффициентам (о).
Еще один возможный подход - использование в качестве возможных кандидатов в
пространство признаков различного рода индикаторов технического анализа,
которые автоматически подсчитываются в соответствующих программных пакетах (таких
как MetaStock или Windows On Wall Street). Многочисленность этих эмпирических
признаков затрудняет пользование ими, тогда как каждый из них может оказаться
полезным в применении к данному ряду. Описанные ранее методы позволят отобрать
наиболее значимую комбинацию технических индикаторов, которую и следует затем
использовать в качестве входов нейросети.
Метод искусственных
примеров (hints)
Одним из самых "больных мест" в финансовых предсказаниях является дефицит
примеров для обучения нейросети. Финансовые рынки, вообще говоря, не
стационарны (особенно российские). Появляются новые финансовые инструменты, для которых
еще не накоплена история, изменяется характер торговли на прежних рынках. В
этих условиях длина доступных для обучения нейросети временных рядов весьма
ограничена .
Однако, можно повысить число примеров, используя для этого те или иные
априорные соображения об инвариантах динамики временного ряда. Это еще одно физико-
математическое понятие, способное значительно улучшить качество финансовых
предсказаний. Речь идет о генерации искусственных примеров, получаемых из уже
имеющихся применением к ним различного рода преобразований.
Поясним основную мысль на примере. Психологически оправдано следующее предпо-
ложение: игроки обращают внимание, в основном, на форму кривой цен, а не на
конкретные значения по осям. Поэтому если немного растянуть по оси котировок
весь временной ряд, то полученный в результате такого преобразования ряд также
можно использовать для обучения наряду с исходным. Мы, таким образом, удвоили
число примеров за счет использования априорной информации, вытекающей из
психологических особенностей восприятия временных рядов участниками рынка.6 Более
того, мы не просто увеличили число примеров, но и ограничили класс функций, среди
которых ищется решение, что также повышает качество предсказаний (если,
конечно, использованный инвариант соответствует действительности).
0.15
0 .1
0.0 5
0
-0.0 5
-0.1
-0.15
-0.2
0 2 4 6 8
Рис. 7. Предсказуемость знака изменения котировок индекса S&P500.
Приведенные ниже результаты вычисления предсказуемости индекса S&P500 методом
box-counting (см. рис. 7, рис. 8) иллюстрируют роль искусственных примеров.
Пространство признаков в данном случае формировалось методом ортогонализации,
описанным в главе о способах предобработки данных. В качестве входных
переменных использовались 30 главных компонент в 100-мерном лаговом пространстве. Из
этих главных компонент были выбраны 7 признаков - наиболее значимые
ортогональные линейные комбинации. Как видно из этих рисунков, лишь применение
искусственных примеров оказалось способным в данном случае обеспечить заметную
предсказуемость .
Обратите внимание, что использование ортогонального пространства признаков
привело к некоторому повышению предсказуемости по сравнению с обычным способом
погружения: с 0.12 бит (рис. 5) до 0.17 бит (рис. 8) . Чуть позже, когда пойдет
речь о влиянии предсказуемости на прибыль, мы покажем, что за счет этого норма
прибыли может увеличиться почти в полтора раза.
Другой, менее тривиальный, пример удачного использования такого рода
подсказок (hints) для нейросети в каком направлении искать решение - использование
скрытой симметрии в валютной торговле. Смысл этой симметрии в том, что валютные
6 Естественно, таким образом можно не только удвоить число примеров, но и учетверить их и т.д.
котировки могут рассмматриваться с двух "точек зрения", например как ряд DM/$
или как ряд $/DM. Возрастание одного из них соответствует уменьшению другого.
Это свойство можно использовать для удвоения числа примеров: каждому примеру
вида (Xf_d+1,...,Xf_l3Xf) —»Хм можно добавить его симметричный аналог
(- Xt_d+X,...-Xt_x-Xt} —» -Хм . Эксперименты по нейросетевому предсказанию показали,
что для основных валютных рынков учет симметрии поднимает норму прибыли
примерно в два раза, конкретно - с 5% годовых до 10% годовых, с учетом реальных тран-
закционных издержек.
О .3
0.2 5
0 .2
0.15
0 .1
0.0 5
0
-0.0 5
0 2 4 6 8
Рис. 8. Предсказуемость знака изменения котировок индекса S&P500
после учетверения числа примеров методом растяжения по оси цен.
Измерение
качества
предсказаний
Хотя предсказание финансовых рядов и сводится к задаче аппроксимации
многомерной функции, оно имеет свои особенности, как при формировании входов, так и
при выборе выходов нейросети. Первый аспект, касающийся входов, мы уже
обсудили. Теперь коснемся особенностей выбора выходных переменных. Но прежде ответим
на главный вопрос: как измерить качество финансовых предсказаний. Это поможет
определить наилучшую стратегию обучения нейросети.
Связь предсказуемости
с нормой прибыли
Особенностью предсказния финансовых временных рядов является стремление к
получению максимальной прибыли, а не минимизации среднеквадратичного отклонения,
как это принято в случае аппроксимации функций.
В простейшем случае ежедневной торговли прибыль зависит от верно угаданого
знака изменения котировки. Поэтому нейросеть нужно ориентировать именно на точ-
ность угадывания знака, а не самого значения. Найдем как связана норма прибыли
с точностью определения знака в простейшей постановке ежедневного вхождения в
рынок (рис. 9).
продал1
\ / 1
Хп
(
_ _ _ V '
купил
1
Рис. 9. Ежедневное вхождение в рынок.
Обозначим на момент t : полный капитал игрока Kt , относительное изменение
котировки xt = ACt /Ct , а в качестве выхода сети возьмем степень ее уверенности в
знаке этого изменения yt е [-1, l] . Такая сеть с выходной нелинейностью вида
у = tanh(a) обучается предсказывать знак изменения и выдает прогноз знака с
амплитудой пропорциональной его вероятности
запишется в виде:
К=К
Тогда возрастание капитала на шаге t
\ + \x\S sgn(x^)]
где 8 - доля капитала, "в игре". Выигрыш за все время игры:
Kt = К0 exp X lnfl + xk5 sgn(jt)])
нам и предстоит максимизировать, выбрав оптимальный размер ставок 8. Пусть в
среднем игрок угадывает долю p = \ + s знаков и, соответственно, ошибается с
вероятностью q = \- s . Тогда логарифм нормы прибыли,
(]n(Kt/K0)) = t {рЫ{1 + \x\S) + qln{\-\x\S)) ,
а следовательно и сама прибыль, будет максимальным при значении
8 = {p-q){\x\)l{r
и составит в среднем:
\n(KjK())^t(p-q)2(^ = 2ats-
Лх ,
Здесь мы ввели коэффициент а = ^|х|^ j{x2^j<\. Например, для Гауссова
распределения а«0.8 . Степень предсказуемости знака напрямую связана с кросс-энтропией,
которую можно оценить a priory методом box-counting. Для бинарного выхода (см.
рис. 10):
1 = Н^-Щр) = \ + р\о%р + Ч\ом = 1 + \(\ + е)Щ + е)Щ-е)Щ-е)\№
В итоге получаем следующую оценку нормы прибыли при заданной величине
предсказуемости знака / , выраженной в битах:
Kt=K02aIt.
То есть, для ряда с предсказуемостью / в принципе возможно удвоить капитал за
t = \/(al) вхождений в рынок. Так, например, измеренная выше предсказуемость
временного ряда S&P500, равная / = 0.17 (см. рис. 8) предполагает удвоение капитала в
среднем за ^ = 1/(0.8• 0.17) « 8 вхождений в рынок. Таким образом, даже небольшая
предсказуемость знака изменения котировок способна обеспечить весьма заметную норму
прибыли.
Процент угаданных знаков
100% -,
95%
90%
85%
80%
75%
70%
65% ♦
60%
55%
50%
0.00
0.20
0.40 0.60
Кросс-энтропия
0.80
1.00
Рис. 10. Доля правильно угаданных направлений изменений ряда, как
функция кросс-энтропии знака выхода при известных входах.
Подчеркнем, что оптимальная норма прибыли требует достаточно аккуратной игры,
когда при каждом вхождении в рынок игрок рискует строго определенной долей
капитала :
(АК)
К
S(\x\) = (р-q)(\x\)2/(х2) = 2ае* \.6е ,
где АК - типичная, при данной волатильности рынка (|х|) величина выигрыша или
проигрыша.7 Как меньшие, так и большие значения ставок уменьшают прибыль.
Причем, чересчур рискованная игра может привести к проигрышу при любой
предсказательной способности. Этот факт иллюстрирует рис. 11.
0,2
■ i 1 i 1 i 1 i 1
s = 0.2
0,1
0,0
-0,1
\
-0,2
; . 1 . |х|5 \
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Рис. 11. Зависимость средней нормы прибыли от выбора
доли капитала «на кону».
Поэтому приведенные выше оценки дают представление лишь о верхнем пределе
7 Это отношение, в принципе, может быть не малым даже при очень маленькой вопатильности - за
счет механизмов Залоговой торговли, практикуемой на биржах.
нормы прибыли. Более тщательный анализ с учетом влияния флуктуации, выходит за
рамки нашего изложения. Качественно понятно, однако, что выбор оптимального
размера контрактов требует оценки точности предсказаний на каждом шаге.
Выбор функционала ошибки
Если принять, что целью предсказаний финансовых временных рядов является
максимизация прибыли, логично настраивать нейросеть именно на этот конечный
результат . Например, при игре по описанной выше схеме для обучения нейросети
можно выбрать следующую функцию ошибки обучения, усредненную по всем примерам из
обучающей выборки:
Е = - In
1 + хД sgn(^)]) .
Здесь доля капитала в игре введена в качестве дополнительного выхода сети,
настраиваемого в процессе обучения. При таком подходе, первый нейрон, yt , с
функцией активации / = tanh(-) даст вероятность возрастания или убывания курса, в
то время как второй выход сети 8t даст рекомендованную долю капитала в игре на
данном шаге.
Поскольку, однако, в соответствии с предыдущим анализом, эта доля должна быть
пропорциональна степени уверености предсказания, можно заменить два выхода сети
- одним, положив 4=<^|лК и о:П?аничи'г'ься оптимизацией всего одного глобального
параметра 8 минимизирующего ошибку:
E = -(\n[\ + 8xtyt])
Тем самым, появляется возможность регулировать ставку в соответствии с
уровнем риска, предсказываемым сетью. Игра с переменными ставками приносит большую
прибыль, чем игра с фиксированными ставками. Действительно, если зафиксировать
ставку, определив ее по средней предсказуемости, то скорость роста капитала
будет пропорциональна (sf , тогда как если определять оптимальную ставку на каждом
шаге, то - пропорциональна \s2)>(s)2 .
Использование
комитетов сетей
Из-за случайности в выборе начальных значений синаптических весов,
предсказания сетей, обученных на одной и той же выборке, будут, вообще говоря,
разниться. Этот недостаток (элемент неопределенности) можно превратить в достоинство,
организовав комитет нейро-экспертов, состоящий из различных нейросетей. Разброс
в предсказаниях экспертов даст представление о степени уверенности этих
предсказаний, что можно использовать для правильного выбора стратегии игры.
Легко показать, что среднее значений комитета должно давать лучшие
предсказания, чем средний эксперт из этого же комитета. Пусть ошибка / -ого эксперта для
значения входа х равна £г(х) . Средняя ошибка комитета всегда меньше
среднеквадратичной ошибки отдельных экспертов в силу неравенства Коши:
Причем, снижение ошибки может быть довольно заметным. Так, если ошибки от-
Помимо явного пренебрежения комиссионными, вызывает сомнения само предположение о постоянном
перевложении капитала. В более реалистичной игре на фиксированном капитале экспоненциальный рост
сменяется линейным.
дельных экспертов не коррелируют друг с другом, т.е. у^^;у = (^ )дь , то
среднеквадратичная ошибка комитета из L экспертов в 4~L раз меньше, чем среняя
индивидуальная ошибка одного эксперта!
Поэтому, в предсказаниях всегда лучше опираться на средние значения всего
комитета. Иллюстрацией этого факта служит рис. 12.
5
О I 1 1 1 1 1
О 20 40 60 80 100
Рис. 12. Норма прибыли на последних 100 значениях ряда S&P500 при
предсказании комитетом из 10 сетей. Выигрыш комитета (кружки) выше, чем
выигрыш среднего эксперта. Счет угаданных знаков для комитета 59:41.
Как видно из приведенного выше рисунка, в данном случае выигрыш комитета даже
выше, чем выигрыш каждого из экспертов. Таким образом, метод комитетов может
существенно повысить качество прогнозирования. Обратите внимание на абсолютное
значение нормы прибыли: капитал комитета возрос в 3.25 раза при 100 вхождениях
в рынок (Естественно, эта норма будет ниже при учете транзакционных издержек).
Предсказания получены при обучении сети на 30 последовательных
экспоненциальных скользящих средних (ЕМА.1 ... ЕМА.30) ряда приращений индекса. Предсказывался
знак приращения на следующем шаге.
В этом эксперименте ставка была зафиксирована на уровне (|х|)с> = 0.16, близком к
оптимальному при данной точности предсказаний (59 угаданных знаков против 41
ошибки) т.е. /? — ^ « 0.18 . На следующем же рисунке приведены результаты более
рискованной игры по тем же предсказаниям, а именно - с (|х|)с> = 0.2 .
Выигрыш комитета в целом остался на прежнем уровне (чуть увеличился),
поскольку данное значение риска так же близко к оптимуму, как и предыдущее.
Однако, для большинства сетей, предсказания которых хуже, чем у комитета в целом,
такие ставки оказались слишком рискованными, что привело к практически полному
их разорению.
Рис. 13. Норма прибыли на последних 100 значениях ряда
S&P500 при тех же предсказаниях комитета из 10 сетей,
но по более рискованной стратегии.
Приведенные выше примеры показывают, как важно уметь правильно оценить
качество предсказания и как можно использовать эту оценку для увеличения
прибыльности от одних и тех же предсказаний.
Можно пойти еще дальше и вместо среднего использовать взвешенное мнение
сетей-экспертов. Веса выбираются адаптивно максимизируя предсказательную
способность комитета на обучающей выборке. В итоге, хуже обученные сети из комитета
вносят меньший вклад и не портят предсказания.
Возможности этого пути иллюстрирует приведенное ниже сравнение предсказаний
двух типов комитетов из 25 экспертов (см. рис. 14 и рис. 15). Предсказания
проводились по одной и той же схеме: в качестве входов использовались
экспоненциальные скользящие средние приращений ряда с периодами равными первым 10 числам
Фибоначчи. По результатам 100 экспериментов взвешенное предсказание дает в
среднем превышение правильно угаданных знаков над ошибочным равное примерно 15,
тогда как среднее - около 12. Заметим, что общее число повышений курса над
понижением за указанный период как раз равно 12. Следовательно, учет общей
тенденции к повышению в виде тривиального постоянного предсказания знака "+" дает
такой же результат для процента угаданных знаков, что и взвешенное мнение 25
экспертов.
30
20
10
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 0 5 10 15 20
25
Рис. 14. Гистограмма сумм Рис. 15. Гистограмма сумм уга-
угаданных знаков при средних данных знаков при взвешенных
предсказаниях 25 экспертов, предсказаниях тех же 25 экс-
Среднее по 100 комитетам = 117 пертов. Среднее по 100 комите-
при стандартном отклонении 3.2 там = 15.2 при стандартном от-
Возможная норма прибыли
нейросетевых предсказаний
До сих пор результаты численных экспериментов формулировались нами в виде
процента угаданных знаков. Зададимся теперь вопросом о реально достижимой норме
прибыли при игре с помощью нейросетей. Полученные выше без учета влияния
флуктуации верхние границы нормы прибыли вряд ли достижимы на практике, тем более,
что до сих пор мы не учитывали транзакционных издержек, которые могут свести на
нет достигнутую степень предсказуемости.
Действительно, учет комиссионных приводит к появлению отрицательного члена в
показателе экспоненты:
Причем, в отличае от степени предсказуемости s , комиссия у входит не
квадратично, а линейно. Так, в приведенном выше примере типичные значения
предсказуемости £ = 0.08 не смогут "пересилить" комиссию свыше у = 0.1 .
Чтобы дать читателю представление о реальных возможностях нейросей в этой
области, приведем результаты автоматического неросетевого трейдинга на трех
финансовых инструментах, с различными характерными временами: значения индекса
S$P500 с месячными интервалами между отсчетами, дневные котировки немецкой
марки DM/$ и часовые отсчеты фьючерсов на акции Лукойл на Российской бирже.
Статистика предсказаний набиралась на 50 различных нейросистемах (содержащих
комитеты из 50 нейросетей каждая) . Сами ряды и результаты по предсказанию знаков на
тестовой выборке из 100 последних значений каждого ряда приведены на
нижеследующем рисунке.
Эти результаты подтверждают интуитивно понятную закономерность: ряды тем
более предсказуемы, чем меньше времени проходит между его отсчетами.
Действительно, чем больше временной масштаб между последовательными значениями ряда, тем
больше внешней по отношению к его динамике информации доступно участникам
рынка, и, соответственно меньше информации о будущем содержится в самом ряде.
клонении 4.9.
N+:N
♦ AT месяц
♦ 58:42
♦ AT день
♦ 65:57
♦ AT час
♦ 65:35
N+-N
Тест: 100
10 20 30 40
Рис. 16. Средние значения и гистограммы количества правильно (N+) и
неправильно (N_) угаданных знаков на тестовых выборках из 100
значений трех реальных финансовых инструментов.
Далее полученные выше предсказания использовались для игры на тестовой
выборке. При этом, размер контракта на каждом шаге выбирался пропорциональным
степени уверенности предсказания, а значение глобального параметра 8
оптимизировалось по обучающей выборке. Кроме того, в зависимости от своих успехов, каждая
сеть в комитете имела свой плавающий рейтинг, и в предсказаниях на каждом шаге
использовалась лишь "лучшая" в данный момент половина сетей. Результаты таких
нейро-трейдеров показаны на следующем рисунке (рис. 17).
К.
к,
о
0 2 4 6 8 10 %
0 4 8 12 20 %
0 4 8 12 20 %
Комиссионные в единицах волатильности
Рис. 17. Статистика выигрышей по 50 реализациям в зависимости от
величины комиссионных. Реалистичные значения комиссионных,
показанные пунктиром, определяют область реально достижимых норм прибыли.
Итоговый выигрыш (как и сама стратегия игры), естественно, зависит от
величины комиссионных. Эта зависимость и изображена приведенных выше графиках. Там,
где реалистичные значения комиссионных в выбранных единицах измерений были
известны авторам, они отмечены на рисунке. Уточним, что в этих экспериментах не
учитывалась "квантованность" реальной игры, т.е. то, что величина сделок должна
равняться целому числу типовых контрактов. Этот случай соответствует игре на
большом капитале, когда типичные сделки содержат много контрактов. Кроме того,
подразумевалась залоговая форма игры, т.е. норма прибыли исчислялась к
залоговому капиталу, гораздо меньшему, чем масштабы самих контрактов.
Приведенные выше результаты свидетельствуют о перспективности нейросетевого
трейдинга, по крайней мере, на "коротких" временных масштабах. Более того, в
силу самоподобия финансовых временных рядов, норма прибыли за единицу времени
будет тем выше, чем меньше характерное время трейдинга. Таким образом,
автоматические нейросетевые трейдеры оказываются наиболее эффективны при торговле в
реальном времени, где как раз наиболее заметны их преимущества над обычными
брокерами: неутомляемость, неподверженность эмоциям, потенциально гораздо более
высокая скорость реагирования. Обученная нейросеть, подсоединенная к
электронной системе торгов, может принимать решения еще до того, как брокер-человек
успеет распознать изменения графика котировок на своем терминале.
Заключение
Подытожим результаты этой главы. Во-первых, мы показали, что (по крайней
мере, некоторые) рыночные временные ряды частично предсказуемы. Как и любой
другой вид нейроанализа, предсказание временных рядов требует достаточно сложной и
тщательной предобработки данных. Однако, работа с временными рядами имеет свою
специфику, которую можно использовать для увеличения прибыли. Это касается как
выбора входов (использование специальных способов представления данных), так и
выбора выходов и использования специфических функционалов ошибки. Наконец, мы
показали, насколько выгоднее может быть использование комитетов нейро-экспертов
по сравнению с отдельными нейросетями, и представили данные о реальных нормах
прибыли на нескольких реальных финансовых инструментах.
Литература
1. Шарп, У.Ф., Александер Г.Дж., Бэйли, Дж. В. (1997). Инвестиции. Инфра-М.
2. Abu-Mostafa, Y.S. (1995). "Financial market applications of learning from
hints". In Neural Networks in Capital Markets. Apostolos-Paul Refenes
(Ed.), Wiley, 221-232.
3. Beltratti, A., Margarita, S., and Terna, P. (1995). Neural Networks for
Economic and Financial Modeling. ITCP.
4. Chorafas, D.N. (1994). Chaos Theory in the Financial Markets. Probus
Publishing.
5. Colby, R.W., Meyers, T.A. (1988). The Encyclopedia of Technical Market
Indicators. IRWIN Professional Publishing.
6. Ehlers, J.F. (1992). MESA and Trading Market Cycles. Wiley.
7. Kaiser, G. (1995). A Friendly Guide to Wavelets. Birk.
8. LeBeau, C. , and Lucas, D.W. (1992). Technical traders guide to computer
analysis of futures market. Business One Irwin.
9. Peters, E.E. (1994). Fractal Market Analysis. Wiley.
lO.Pring, M.G. (1991). Technical Analysis Explained. McGraw Hill.
ll.Plummer, T. (1989). Forecasting Financial Markets. Kogan Page.
12.Sauer, Т., Yorke, J.A., and Casdagli, M. (1991). "Embedology". Journal of
Statistical Physics. 65, 579-616.
13.Vemuri, V.R., and Rogers, R.D., eds. (1993). Artificial Neural Networks.
Forecasting Time Series. IEEE Сотр.Soc.Press.
14.Weigend, A and Gershenfield, eds. (1994). Times series prediction:
Forecasting the future and understanding the past. Addison-Wesley.
15.Бэстенс, Д.-Э., Ван Ден Берг, В.-М., Вуд, Д. (1997). Нейронные сети и
финансовые рынки. Принятие решений в торговых операциях. ТВП Научное
издательство .
ГЛАВА 9
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЗНАНИЙ С
ПОМОЩЬЮ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ
«Ковбойский язык очень легко понять,
заметил один ковбой. - Нужно просто
заранее знать, что хочет сказать твой
собеседник, и не обращать внимание на его
слова».
Д.Бурстин, Американцы: демократический
опыт
До сих пор нейросети рассматривались нами лишь как инструмент предсказания,
но не понимания. Действительно, классический нейросетевой подход - метод
черного ящика - предполагает создание имитационной модели, без явной формулировки
правил принятия решений нейросетью. Вернее, эти правила содержатся в весах
обученной нейросети, но понять их, переформулировав на язык "если ... - то ..." не
представлялось возможным. В этой главе мы продемонстрируем методику,
позволяющую строить подобные правила, объясняющие нейросетевые решения. Нейросети,
таким образом, можно использовать не только для предсказаний, но и для извлечения
знаний из баз данных.
Традиционно построение правил вывода и баз знаний считается прерогативой
экспертных систем - направления искусственного интеллекта, которое претендовало в
начале семидесятых годов заменить собою искусственные нейронные сети в задачах
обработки информации. Экспертные системы были ориентированы именно на обработку
данных с помощью некоторых правил вывода, которые предполагалось извлекать у
экспертов в той или иной области знаний. Экспертные системы были призваны реа-
лизовывать цепочки рассуждений, имитирующих анализ ситуации экспертом-
человеком. По сути в 70-е годы сам термин "искусственный интеллект" был
синонимом разработки экспертных систем, или инженерии знаний.
Это направление, однако, столкнулось с рядом принципиальных трудностей. В
частности, инженеры знаний должны были извлекать их у очень квалифицированных
экспертов, которые, вообще говоря, не стремились поделиться информацией. Знания
- большая ценность, и передавать их, чтобы помочь создать себе легко
тиражируемую замену и, в конечном счете, обесценить себя как специалиста, стремился
далеко не каждый. Но даже и при наличии соответствующего желания, эксперт не
всегда мог внятно сформулировать те правила, которыми он пользуется при
подготовке экспертного заключения. Очень многое в его работе связано с интуитивными
качественными оценками, распознаванием ситуации в целом, то есть с не
формализуемыми процедурами (мы знаем, что это как раз та ситуация, в которой особенно
отчетливо проявляются преимущества нейросетевого подхода). Но даже если все
трудности оказывались преодоленными, достоинства построенной экспертной системы
оказывались не абсолютными, поскольку именно явная формализация правил вывода,
а не компьютерная система сама по себе представляла основную ценность. В этом
смысле весьма показателен опыт создания в 70-е годы в Стэнфордском университете
экспертной системы MYCIN, с помощью которой врачи должны были повысить
надежность диагностики септического шока. Септический шок, дававший в случае
развития 50% летальных исходов у прооперированных больных вовремя диагностировался
врачами лишь в половине случаев. Экспертная система MYCIN позволила повысить
качество диагностики почти до 100%. Однако, после того, как врачи познакомились
с ее работой, они очень быстро сами научились правильно ставить соответствующий
диагноз. Необходимость в MYCIN отпала, и она превратилась в учебную систему.
Таким образом, основная польза проекта состояла именно в извлечении знаний в
понятном для человека виде.
По мнению Стаббса, известного американского специалиста в области нейросете-
вых приложений, экспертные системы "пошли" только в кардиологии. Они эффективно
заменили объемистые руководства по анализу электрокардиограмм, содержащие
множество достаточно ясно сформулированных правил оценки их многообразных
особенностей .
Нейронные сети выглядят предпочтительнее экспертных систем, позволяя
одновременно анализировать множество в общем случае неточных и неполных параметров и
не требуя при этом явной формализации правил вывода. Однако, объяснение тех или
иных рекомендаций, полученных с помощью нейросетевого анализа, является
требованием, которое обычно предъявляют специалисты, желающие использовать нейросе-
тевые технологии. На первый взгляд здесь-то и находится их слабое место.
Действительно, в такой области обработки информации, как извлечение знаний,
нейронные сети стали применяться только относительно недавно. Это еще одна сфера, в
которой доселе господствовал только традиционный искусственный интеллект.
Рассмотрим ее более подробно.
Извлечение знаний
В последние годы созданы огромные базы данных, в которых хранится информация
научного, экономического, делового и политического характера. В качестве
примера можно привести GenBank, содержащий террабайты данных о последовательностях
ДНК живых организмов. Для работы с подобными базами разработаны компьютерные
технологии, позволяющие хранить, сортировать и визуализировать данные,
осуществлять быстрый доступ к ним, осуществлять их статистическую обработку.
Значительно меньшими являются, однако, достижения в разработке методов и программ,
способных обнаружить в данных важную, но скрытую информацию. Можно сказать,
что информация находится к данным в таком же отношении, как чистое золото к
бедной золотоносной руде. Извлечение этой информации может дать критический
толчок в бизнесе, в научных исследованиях и других областях. Подобное
нетривиальное извлечение неявной, прежде неизвестной и потенциально полезной
информации из больших баз данных и называется Разработкой Данных (Data Mining) или же
Открытием Знаний (Knowledge Discovery). Мы будем использовать далее для
описания этой области информатики более явный синтетический термин - извлечение
знаний. Извлечение знаний использует концепции, разработанные в таких областях как
машинное обучение (Machine Learning), технология баз данных (Database
Technology), статистика и других.
Главными требованиями, предъявляемыми к методам извлечения знаний, являются
эффективность и масштабируемость. Работа с очень большими базами данных требует
эффективности алгоритмов, а неточность и, зачастую, неполнота данных порождают
дополнительные проблемы для извлечения знаний. Нейронные сети имеют здесь
неоспоримое преимущество, поскольку именно они являются наиболее эффективным
средством работы с зашумленными данными. Действительно, заполнение пропусков в
базах данных - одна из прототипических задач, решаемых нейросетями. Однако,
главной претензией к нейронным сетям всегда было отсутствие объяснения.
Демонстрация того, что нейронные сети действительно можно использовать для получения
наглядно сформулированных правил было важным событием конца 80-х годов. В 1989
году один из авторов настоящего курса поинтересовался у Роберта Хехт-Нильсена,
главы одной из наиболее известных американских нейрокомпьютерных фирм Hecht-
Nielsen Neurocomputers, где можно узнать подробности о нейроэкспертных
системах, информация о которых тогда носила только рекламный характер. Хехт-Нильсен
ответил в том смысле, что она не доступна. Но уже через 2-3 месяца после этого
в журнале Artificial Intelligence Expert была опубликована информация о том,
что после долгих и трудных переговоров Хехт-Нильсен и крупнейший авторитет в
области экспертных систем Гэллант запатентовали метод извлечения правил из обу-
ченных нейронных сетей и метод автоматической нейросетевой генерации экспертных
систем.
Извлечение правил из нейронных сетей подразумевает их предварительное
обучение. Поскольку эта процедура требует много времени для больших баз данных, то
естественна та критика, которой подвергается использование нейротехнологии для
извлечения знаний. Другим поводом для такой критики является трудность
инкорпорации в нейронные сети некоторых имеющихся априорных знаний. Тем не менее,
главным является артикуляция правил на основе анализа структуры нейронной сети.
Если эта задача решается, то низкая ошибка классификации и робастность
нейронных сетей дают им преимущества перед другими методами извлечения знаний.
Извлечение правил
из нейронных сетей
Рассмотрим один из методов извлечения правил из нейронных сетей, обученных
решению задачи классификации. Этот метод носит название NeuroRule.
Задача состоит в классификации некоторого набора данных с помощью
многослойного персептрона и последующего анализа полученной сети с целью нахождения
классифицирующих правил, описывающих каждый из классов.
Пусть А обозначает набор из N свойств A1,A2,...,AN , а \«г}- множество
возмож
ных значений, которое может принимать свойство Ai . Обозначим через С множество
классов с1,с2,...,ст . Для обучающей выборки известны ассоциированные пары векторов
входных и выходных значений (а1,...,ат,ск) , где ск еС .
Алгоритм извлечения классифицирующих правил включает три этапа:
1. Обучение нейронной сети. На этом первом шаге двухслойный персептрон
тренируется на обучающем наборе вплоть до получения достаточной точности клас-
2. Прореживание (pruning) нейронной сети. Обученная нейронная сеть содержит
все возможные связи между входными нейронами и нейронами скрытого слоя, а
также между последними и выходными нейронами. Полное число этих связей
обычно столь велико, что из анализа их значений невозможно извлечь
обозримые для пользователя классифицирующие правила. Прореживание заключается в
удалении излишних связей и нейронов, не приводящем к увеличению ошибки
классификации сетью. Результирующая сеть обычно содержит немного нейронов и
связей между ними, и ее функционирование поддается исследованию.
3. Извлечение правил. На этом этапе из прореженной нейронной сети извлекаются
правила, имеющие форму если {a^&q^) и (a2&q2) и ... и (aN&qN), то е.,
где qx,...,qN - константы, 0- оператор отношения (=,>,<,><). Предполагается,
что эти правила достаточно очевидны при проверке и легко применяются к
большим базам данных.
Рассмотрим все эти шаги более подробно.
Предположим, что обучающий набор данных необходимо расклассифицировать на два
класса А и В. В этом случае сеть должна содержать N входных и 2 выходных
нейрона. Каждому из классов будут соответствовать следующие активности выходных
нейронов (1,0) и (0,1). Подходящее количество нейронов в промежуточном слое,
вообще говоря, невозможно определить заранее - слишком большое их число ведет к
переобучению, в то время как малое не обеспечивает достаточной точности обучения.
сификации.
Обучение
нейронной
сети
Тем не менее, как уже отмечалось ранее, все методы адаптивного поиска числа
нейронов в промежуточном слое делятся на два класса, в соответствии с тем, с
малого или большого числа промежуточных нейронов стартует алгоритм. В первом
случае по мере обучения в сеть добавляются дополнительные нейроны, в
противоположном - после обучения происходит уничтожение излишних нейронов и связей.
NeuroRule использует последний подход, так что число промежуточных нейронов
выбирается достаточно большим. Заметим, что NeuroRule уничтожает также и
избыточные входные нейроны, влияние которых на классификацию мало.
В качестве функции активации промежуточных нейронов используется
гиперболический тангенс, так что их состояния изменяются в интервале [-1,1]. В то же
время, функцией активации выходных нейронов является функция Ферми (состояния в
интервале [0,1]) . Обозначим через of, (/' = 1,2) - состояния выходных нейронов при
предъявлении на вход сети вектора признаков к -го объекта . Будем считать, что
этот объект правильно классифицирован сетью, если
max of - t\ < ,
где: t\ = 1 если xk gA и t2 = 1 если xk gB , a 0 < r\x < 0.5 . В остальных случаях
t\ = 0 .
Минимизируемая функция ошибки должна не только направлять процесс обучения в
сторону правильной классификации всех объектов обучающей выборки, но и делать
малыми значения многих связей в сети, чтобы облегчить процесс их прореживания.
Подобную технологию - путем добавления к функции ошибки специально подобранных
штрафных членов - мы уже разбирали в Главе 3. В методе NeuroRule функция ошибка
включает два слагаемых
Ei — Е/'q ~\~ £ Е/'| f
где
^o = -EE(^"og^f+(i-/f)iog(i-of))
к г
функция взаимной энтропии, минимизация которой происходит быстрее, чем
минимизация среднеквадратичной ошибки. Штрафная функция
F ^ К)2 ™^ к)2
уже фигурировала в Главе 3.
Здесь Nh - число нейронов в скрытом слое, Wy - величина связи, между j -м
входным и / -м скрытым нейронами w°t - вес связи между / -м скрытым и / -м выходным
нейронами.
Использование регуляризирующего члена Ег приводит к дифференциации весов по
величинам, уменьшая большинство, но сохраняя значения некоторых из них.
Обучение сети производится методом обратного распространения ошибки.
Прореживание
нейронной сети
Полное число связей в обученной сети составляет (N + N(>)Nh. Можно показать,
что связь между входным и промежуточным нейроном Wy можно удалить без снижения
точности классификации сетью при выполнении условий maxjw^wf;.| < 4г/2 и + г/2 < 0.5 .
Аналогичным образом, удаление связи vc°, не влияет на качество классификации если
k/N 4772 .
Извлечение правил
Даже если параметры, описывающие признаки классифицируемых объектов,
представляют собой непрерывные величины, для их представления можно использовать
бинарные нейроны и принцип кодирования типа термометра. При таком способе
кодирования область изменения параметра делится на конечное число М интервалов и
для представления всех значений, лежащих в m-м интервале используется следующее
состояние М бинарных нейронов: (0,...,!,...,!) .
I I I
О 34 50
0 10 20 30 40 50
О ^ • • • • О J)
• Х=1 о х=о
Рис. 1. Пример кодировки непрерывной величины с помощью бинарных
нейронов и принципа термометра. Интервал (0, 50) разбит на 5 равных частей.
Значение 34.0 попадает в 4-й интервал. При этом состояния первых 4 из 5
кодирующих бинарных нейронов равно единице, а 5-го - нулю.
При наличии многих непрерывных входов число заменяющих их бинарных нейронов
может стать весьма большим. Однако, прореживание связей приводит к получению
относительно компактной сети. Но и для нее выделение классификационных правил
представляет проблему. Если нейрон имеет d входов, то число различных бинарных
векторов, которые он может обработать составляет 2d , а это большая величина
даже при малом d. Далее, состояния нейрона скрытого слоя являются непрерывными,
что также является препятствием для извлечения правил. Для его устранения все
значения, которые принимают нейроны скрытого слоя кластеризуются и заменяются
значениями, определяющими центры кластеров. Число таких кластеров выбирается
небольшим. После такой дискретизации активностей промежуточных нейронов
производится проверка точности классификации объектов сетью. Если она остается
приемлемой, то подготовка к извлечению правил заканчивается. Приведем формальное
описание алгоритма дискретизации значений активности нейронов скрытого слоя.
Алгоритм
дискретизации
Выбирается значение параметра £е(0,1) , управляющего числом кластеров
активности нейрона скрытого слоя. Пусть \ - активность этого нейрона при предъявлении
сети первого вектора обучающего набора. Положим число кластеров Nclml = 1,
положение кластера Achlsl(1) = hx , count (1)=1, sum(l)= hx .
Для всех векторов обучающего набора к = 1,...,К определяется активность нейрона
скрытого слоя h, если существует индекс ] такой что \h-Aclust{])\= min \h-Aclust(j)\
и \h~ Acust(J)l^ * , TO count(J):= count(j) +1, sum(Nclust):= sum(Nclust) + /г иначе
^cto = #cto + 1, 4^ (#cto ) = К count{Ndust) = 1, sum{Nclust) = /г.
Заменить ^4ctoHa среднее значение активаций нейрона, объединенных в один и тот
же кластер: АсШ (у): = sum(j) I count(у), 7 = 1,..., Nclust.
Проверить точность классификации объектов сетью при замене истинных значений
активации нейрона скрытого слоя на Aclust(j).
Если точность классификации оказалась ниже заданного значения, то уменьшить
значение s и вернуться к шагу 1.
Рассмотрим приведенный в (Lu, Setiono and Liu, 1995) пример, в котором
прореженная сеть содержала три нейрона скрытого слоя, дискретизация активности
которых была проведена при значении параметра £=0.6. Ее результаты отражены в
Таблице 1.
Табл. 1. Дискретизация состояний нейронов скрытого слоя
нейрон скрытого слоя
число кластеров
дискретное значение активности
1
3
( -1, 0, 1)
2
2
(0, 1)
3
3
(-1, 0.24, 1)
В этой работе решалась задача разбиения объектов на два класса. На ее
примере мы и рассмотрим последовательность извлечения правил. После дискретизации
значений активности нейронов скрытого слоя, передача их воздействий выходным
классифицирующим нейронам описывалась параметрами, приведенными в Таблице 2.
Табл. 2. Связь дискретных значений активности
нейронов скрытого {hl) и выходного (о,) слоев.
К
К
h3
°i
°2
-1
1
-1
0.92
0.08
-1
1
1
0.00
1.00
-1
1
0.24
0.01
0.99
-1
0
-1
1.00
0.00
-1
0
1
0.11
0.89
-1
0
0.24
0.93
0.07
1
1
-1
0.00
1.00
1
1
1
0.00
1.00
1
1
0.24
0.00
1.00
1
0
-1
0.89
0.11
1
0
1
0.00
1.00
1
0
0.24
0.00
1.00
0
1
-1
0.18
0.82
0
1
1
0.00
1.00
0
1
0.24
0.00
1.00
0
0
-1
1.00
0.00
0
0
1
0.00
1.00
0
0
0.24
0.18
0.82
Исходя из значений, приведенных в этой таблице, после замены значений
выходных нейронов ближайшими к ним нулями или единицами, легко получить сотедующие
правила, связывающие активности нейронов скрытого слоя с активностями классифи-
цирукщих нейронов:
• правило 1 если h2 = 0, h3 = -1, то о1 = 1, о2 = 0 (объект класса А)
• правило 2 если = -1, /г2 = 1, /г3 = -1 , то Oj = 1, о2 = 0 (объект класса А)
• правило 3 если/Zj = -l,h2 = 0, h3 = 0.24 , то о1 = 1, о2 = 0 (объект класса А)
• правило 4 в остальных случаях о1 = 0, о2 = 1 (объект класса В)
Эти правила являются вспомогательными, поскольку нам необходимо связать
значения состояний классифицирующих выходных нейронов со входами нейронной сети.
Структура данной сети после прореживания связей и нейронов изображена на
следующем рисунке.
*1 Ч *4 *5 \з *15 *17
Рис. 2. Двухслойная сеть после прореживания связей и
входных нейронов. Положительные связи выделены.
Связь между активностями входных бинарных нейронов и нейронов скрытого слоя
для данной сети определяется следующими правилами:
Для первого нейрона скрытого слоя: 713 = 1 =>=-1
Для второго нейрона скрытого слоя: /2 = 1 => /г2 = 1
717 = 1 => = 1
/2 = /17 = 0 => h2 = 0
Для третьего нейрона скрытого слоя: 7П=0=>/У,
/5 = /15 = 1 => h3 = -1
/4 = /13 = 1, /17 = 0=> h3 = 0.24
/5 = 0, /13 = /15 = 1 => h3 = 0.24
Комбинируя эти связи с правилами, связывающими активности нейронов скрытого
слоя с активностями выходных нейронов, получим окончательные классифицирующие
правила.
h = hi = 0, /'5 = As = 1 => Oj = 1, o2 = 0
75 = 713 = 715 = 1 => Oj = 1, Oz = 0
*i = Аз = As = 0, z'17 = 1 => Oj = 1, o2 = 0
72 = 71? = 0, 74 = 713 = 1 => Oj = 1,02 = 0
Приведенные выше правила определяют принадлежность объекта первому классу
(А) . Некоторые из них могут оказаться нереализуемыми, если учесть, что
состояния бинарных нейронов кодируют соответствующие непрерывные величины с помощью
принципа термометра.
Количество правил, полученных в данном случае, невелико. Однако, иногда даже
после процедуры прореживания некоторые нейроны скрытого слоя могут иметь
слишком много связей с входными нейронами. В этом случае извлечение правил
становится нетривиальным, а если оно и осуществлено, то полученные правила не так
просто понять. Для выхода из этой ситуации для каждого из "проблемных" нейронов
скрытого слоя можно использовать вспомогательные двухслойные нейронные сети. Во
вспомогательной сети количество выходных нейронов равно числу дискретных
значений соответствующего "проблемного" нейрона скрытого слоя, а входными нейронами
являются те, которые в исходной прореженной сети связаны с данным нейроном
скрытого слоя.
Рис. 3. Третий нейрон скрытого слоя (h3) связан с максимальным
числом входов. Число дискретных значений его активности равно 3. Для
облегчения процедуры выделения классифицирующих правил этот нейрон
может быть заменен вспомогательной сетью с тремя выходными
нейронами, кодирующими дискретные значения активности.
Обучающие примеры для вспомогательной сети группируются согласно их дискрети-
зованным значениям активации "проблемного" нейрона. Для dдискретных значений
D],D^,...,DI всем обучающим примерам, соответствующим уровню активации D-,
ставится в соответствие d-мерный целевой вектор, состоящий из нулей и одной
единицы в j -й позиции. Вспомогательная сеть содержит свой слой скрытых нейронов. Она
обучается и прореживается тем же способом, что и основная нейронная сеть. Метод
извлечения правил применяется к каждой вспомогательной сети, для того чтобы
связать значения входов с дискретными значениями активации проблемных нейронов
скрытого слоя оригинальной сети. Подобный процесс осуществляется рекурсивно для
всех скрытых нейронов с большим числом входов до тех пор, пока это число не
станет достаточно малым или же новая вспомогательная сеть уже не сможет быть
далее упрощена.
Исправление
данных
Итак, перед извлечением правил из нейронной сети производится ее обучение и
прореживание. Упомянем еще об одной процедуре, которая иногда осуществляется
при извлечении знаний из нейронных сетей - исправление (очищении). Подобная
операция была предложена Вайгендом и коллегами и по сути используется
параллельно с обучением. Гибридное использование обучения и исправления данных носит
название CLEARNING (CLEARING+LEARNING). Данная процедура включает восходящий
процесс обучения, при котором данные изменяют связи в нейронной сети и
нисходящий процесс, в котором нейронная сеть изменяет данные, на которых производится
обучение. Ее достоинствами являются выявление и удаление информационных запи-
сей, выпадающих из общей структуры обучающей выборки, а также замена искаженных
данных и данных с лакунами на исправленные величины. При использовании данной
процедуры происходит торг между доверием к данным и доверием к нейросетевой
модели, обучаемой на этих данных. Эта конкуренция составляет существо так
называемой дилеммы наблюдателя и наблюдений.
Способность работать с неточными данными является одним из главных достоинств
нейронных сетей. Но она же парадоксальным образом является и их недостатком.
Действительно, если данные не точны, то сеть в силу своей гибкости и
адаптируемости будет подстраиваться к ним, ухудшая свои свойства обобщения. Эта ситуация
особенно важна при работе с финансовыми данными. В последнем случае существует
множество источников погрешности. Это и ошибки при вводе числовых значений или
неправильная оценка времени действия ценных бумаг (например, они уже не
продаются) . Кроме того, если даже данные и введены правильно, они могут быть слабыми
индикаторами основополагающих экономических процессов, таких как промышленное
производство или занятость. Наконец, возможно, что многие важные параметры не
учитываются при обучении сети, что эффективно может рассматриваться как
введение дополнительного шума. Данные, далеко выпадающие из общей тенденции,
забирают ресурсы нейронной сети. Некоторые из нейронов скрытого слоя могут
настраиваться на них. При этом ресурсов для описания регулярных слабо зашумленных
областей может и не хватить. Множество попыток применения нейронных сетей к
решению финансовых задач выявило важное обстоятельство: контроль гибкости
нейросетевой модели является центральной проблемой. Изложим кратко существо процедуры
обучения сети, объединенной с исправлением данных. Для простоты рассмотрим сеть
с одним входом и одним выходом. В этом случае минимизируемой величиной является
сумма двух слагаемых:
Е = ^ф-у") + ^к(х-х").
Первый член описывает обычно минимизируемое в методе обратного
распространения ошибки квадратичное отклонение выхода нейронной сети у = у(х, w)от желаемого
значения yd . Второе слагаемое представляет собой квадратичное отклонение
исправленного входного значения х от реального его значения xd . Соответственно,
для весов сети w и для исправленных входных значений х получаются два правила
их модификации. Для весов оно такое же, как и в стандартном методе обратного
распространения ошибки, а для исправленного входа имеет вид
дЕ
где индекс / определяет номер итерации данного входа. Представляя х. в виде
суммы подлинного начального входного значения xd и поправки А( , получим для
последней следующее уравнение итерационного изменения
Дм=(1-*)Д,-ф,-/)£.
Это уравнение включает экспоненциальное затухание А : в отсутствие нового
входа А стремится к нулю со скоростью пропорциональной (1 - к) к е [0,1] .
Член, пропорциональный ошибке выходного значения (y-yd)- аналогичная
пропорциональность свойственна и обычному соотношению для модификации весов - чем
больше ошибка, тем больше ее влияние на исправление входного значения. Этот
член также пропорционален чувствительности выхода ко входу - dyjdx .
Вайгенд и его коллеги предложили наглядную механическую интерпретацию
минимизируемой функции, а также отношению скоростей обучения и исправления (см. рис.
4) .
Рис. 4. Механическая аналогия конкуренции между обучением и
исправлением данных. К реальному входу xdприсоединяется пружина и
растягивается другим концом до точки х , что сопровождается увеличением
энергии в пружине на \k(xd-x)2. Но при этом энергия, запасенная в
пружине, связывающей реальное и желаемое значения выхода сети,
может уменьшиться (растяжение правой пружины меньше, чем левой) так,
что суммарная энергия двух пружин уменьшается.
При обычном обучении (без исправления входного вектора) данные располагаются
в пространстве вход-выход. Наблюдаемое выходное значение состояния выходного
нейрона может рассматриваться как поверхность над пространством входов. Точки,
изображающие данные обучающего набора вертикально прижимаются к этой
поверхности пружинами, которые запасают некоторую энергию сжатия. Сложность нейронной
сети определяется в конкуренции между жесткостью поверхности и жесткостью
пружин. В одном из предельных случаев, бесконечно мягкая сеть (поверхность)
пройдет как раз через все точки, определяемые данными. В противоположном случае,
чрезмерно эластичные пружины не будут оказывать воздействия на поверхность, и
менять нейронную сеть.
Введение механизма исправления данных соответствует добавлению пружин в
пространстве входов - между каждой точкой данных xdn исправленным значением х .
Энергия, запасенная в этих пружинах составляет кА2 I2. Минимизация суммарной
функции ошибки соответствует минимизации полной энергии, запасенной в обеих
типах пружин. Отношение т] I к описывает конкуренцию между важностью ошибок выхода и
важностью ошибок входа.
Понимание закономерностей
временных последовательностей
Исправление данных является важной компонентой подхода, позволяющего
извлекать из нейронных сетей знания, касающиеся воспроизводимых ими временных
закономерностей. Если, например, нейронная сеть обучена и используется для
предсказания курса рубля по отношению к доллару, то естественно попытаться осмыслить
связь большего или меньшего падения этого курса с теми или иными параметрами,
подаваемыми на вход нейронной сети.
Кравен и Шавлик разработали алгоритм TREPAN, порождающий дерево решений, ап-
гтроксалмирующее поведение обученной нейронной сети. Важным достоинством
алгоритма является то, что он не предъявляет никаких требований к архитектуре сети,
числу ее элементов и связей (вспомним, как важно было упростить структуру сети
при использовании правила NeuroRule). Для него вполне достаточно того, что
нейронная сеть является черным ящиком или Сракулом, которому можно задавать
вопросы и получать от него ответы. Точность предсказания, даваемое сгенерированным
деревом решений, близка к точности нейросетевого предсказания.
Приведем формальную схему алгоритма TREPAN.
Исходные данные обученная нейронная сеть (Оракул); обучающая выборка - S;
множество признаков - F, min_sample - минимальное множество вопросов для
каждого узла дерева, baem_width - число ветвей.
Инициализируем корень дерева R в виде листа.
<Выборка векторов признаков>
Используем все обучающее множество примеров S для конструирования модели MR
распределения входных векторов, достигающих узла R.
q: = max(0, mm_sample-\S\)
queryR.= множество из ^примеров, генерируемых моделью MR .
<Используем нейронную сеть для классификации всех векторов признаков>
Для каждого вектора признаков xe(SuqueryR)узнаем у Оракула принадлежность х
тому или иному классу - ставим метку класса х: = Oracle(x)
<Осуществляем наилучшее первое расширение дерева>
Инициализируем очередь Queue , составленную из наборов (R, S, queryR, { })
До тех пор пока очередь Queue не пуста и глобальный критерий остановки не
выполнен
<создаем узел в начале очереди Queue>
удаляем (y3enN,SN,queryN,constrN} из начала очереди Queue .
Используем F,SN,queryN и beam_width для конструирования в узле N
разветвления Т .
<создаем узлы следующего поколения>
Для каждого ответвления t разветвления Т
создаем С - новый дочерний узел N
constrc: = constrN vj{T =t)
<выборка векторов для узла О
Sc: = члены SNc ответвлением t.
Конструируем модель Мс распределения примеров, покрываемых узлом С
q: = max(0, min_ sample-\Sc |)
queryr. = множество из ^примеров, сгенерированных моделью Мс и ограничением
constrc
Для каждого вектора признаков х g queryс ставим метку класса х:= Oracle(x)
<временно принимаем, что узел С является листом>
Используем Sc и queryс для определения метки класса для С.
<Определяем долен ли узел С расширяться>
если локальный критерий остановки не удовлетворен то
поместить <C,S(,queryr,constrr> в очередь Queue.
Вернуть дерево с корнем R .
TREPAN поддерживает очередь листьев, которые раскрываются и порождают
поддеревья. В каждом узле очереди TREPAN сохраняет:
1. подмножество примеров,
2. еще одно множество векторов, который называется набором вопросов (query) и
3. набор ограничений (constr ) .
Подмножество примеров включает просто те векторы обучающего набора, которые
достигают данного узла дерева. Дополнительный набор вопросов Оракулу
используется для выбора теста на разветвление в узле и определения класса примеров, ее-
ли узел является листом. Алгоритм всегда требует, чтобы число примеров, на
основе которых оценивается узел, было бы не меньше заданного (min_sample). Если
же до данного узла доходит меньшее число примеров, TREPAN генерирует новые
искусственные примеры, используя набор ограничений в данном узле. Множество
ограничений определяет условия, которым должны удовлетворять примеры, чтобы достичь
данного узла - эта информация используется при формировании набора вопросов для
создаваемого нового узла. Для завершения процедуры построения дерева TREPAN
использует локальный критерий - он оценивает состояние данного узла и решает,
превратить ли его в лист, и глобальные критерии - максимальный размер дерева и
обшую оценку качества классификации примеров деревом.
^ п t доход инвестирования DM доход инвестирования DM на
1 рынок акций США * рынок акций Франции
Y/$:F(Y)<0.39 DM/$>I(D) ? нет fx{ DM/$):F(DM)>0.17
f2( DM/$):F(DM)<0.17 f3(SF/$):F(SF)<0.39
f4( DM/$)<-1.02 f5(F(DM)>-1.38 f6( DM/$)<-0.1
f7(SF/$):F(SF)<0.16 }
fj( DM/$):F(DM)<-0.32
\
нет
f3(SF/$):F(SF)<0.06
нет
f3(SF/$):F(SF)<-0.21
нет
(DM/$|) (Ш№1) (DM/$
f5(F(DM)<0.37
(Ъм/$Г)
нет
Рис. 5. Дерево решений, построенной с использованием нейронной
сети, обученной предсказывать рост или падение курса немецкой марки
по отношению к доллару США. Обозначения: DM - немецкая марка; Y-
иена; SF - швейцарский франк; $- доллар США; F- фьючерс; f - мера;
1(D)- германский интерес. DM/$ - курс марки по отношению к доллару
- другие курсы обозначены аналогичным образом.
Возникает естественный вопрос: "А зачем вообще нужна нейронная сеть для
данного алгоритма?" Ведь он может просто использовать обучающую выборку - известно
же, какому классу принадлежит каждый пример. Более того, как бы хорошо ни была
обучена сеть, она все равно будет делать ошибки, неправильно классифицируя
некоторые примеры. Дело в том, что именно использование нейросетей в качестве
Оракула дает возможность получать деревья решений, имеющих более простую струк-
туру, чем у деревьев, обученных на исходных примерах. Это является следствием
как хорошего обобщения информации нейронными сетями, так и использования при их
обучении операции исправления данных (CLEARNING). Кроме того, алгоритмы
построения деревьев, исходя из тренировочного набора данных, действительно
разработаны, и с их помощью такие деревья строятся путем рекурсивного разбиения
пространства признаков. Каждый внутренний узел подобных деревьев представляет
критерий расщепления некоторой части этого пространства, а каждый лист дерева -
соответствует классу векторов признаков. Но в отличие от них TREPAN
конструирует дерево признаков методом первого наилучшего расширения. При этом вводится
понятие наилучшего узла, рост которого оказывает набольшее влияние на точность
классификации генерируемым деревом. Функция, оценивающая узел п , имеет вид
F{ri) = r{ri){\- f (п)) , где r{ri) - вероятность достижения узла и примером, a f(n)-
оценка правильности обработки этих примеров деревом. TREPAN очень интересно
осуществляет разделение примеров, достигающих данный внутренний узел дерева, а
именно , использует так называемый m-of -п тест. Такой тест считается выполненным,
когда выполняются, по меньшей мере, т из п условий. Если, например, имеется 3
булевых переменных хг, х2, х3, то использование выражения 2 - of - {хг, —сс2, х3} будет
эквивалентно использованию логической функции {хг п —ос2)<j(хг пх3)<j(—сс2 слх3) .
Подобная формулировка правил делает деревья вывода более компактными и четкими.
Приведем пример дерева решений (рис. 5), полученного алгоритмом TREPAN, Сракулом в
котором являлась нейронная сеть, обученная предсказывать курс обмена немецкой
марки на доллар. Заметим, что для обучения сети использовался рекомендуемый для
финансовых приложений метод CLEARNING, с которым мы уже познакомились. Сеть
обучалась на данных, охватывающих период с 1985 по 1994 гг. и предсказывала
рост или падение курса обмена на следующий день в течение всего 1995 г.
Таким образом, нейронные сети могут эффективно использоваться в практически
важных задачах извлечения хорошо сформулированных знаний не только в случае,
если их структура достаточно проста, но и в общем случае.
Литература
1. Craven, М.,W., & Shavlik, J.,W. "Extracting tree-structured
representations of trained networks". In Touretzky, D., Mozer, M. and
Hasselmo, M. , eds. Advances in Neural Information Processing Systems
(volume 8) . MIT Press, Cambridge МА/
2. Lu Hongjun, Setiono, R. and Liu Huan (1995). "NeuroRule: A connectionist
approach to Data Mining". Proc.of the 21st VLDB Conference, Zurich,
Swizerland
3. Weigend, A.,S. and Zimmerman H. ,G. "The observer-observation dilemma in
Neuro-Forecasting: Reliable models from unreliable data through
CLEARNING". http://www.cs.Colorado.edu/~andreas/Home.html
4. Weigend, A.,S., Zimmermann, H.,G., and Neuneier, R. (1996) "Clearning. In
Neural Networks in Financial Engineering", World Scientific, Singapore.
ГЛАВА 10
ПРЕДСКАЗАНИЕ РИСКОВ
И РЕЙТИНГОВАНИЕ
«Если хотите броситься из окна, - сказал Швейк,
- так идите в комнату, окно я открыл. Прыгать
из кухни я бы вам не советовал, потому что вы
упадете в сад прямо в розы, поломаете все
кусты, и за это вам же придется платить. А из того
окна вы прекрасно слетите на тротуар и, если
повезет, сломаете себе шею. Если же не повезет,
то вы переломаете себе только ребра, руки и
ноги и вам придется платить за лечение в
больнице» .
Я.Гашек. Похождения бравого солдата Швейка
Введение:
предсказание рисков
Существуют две базовые инвестиционные стратегии: активная, основанная на
предсказаниях доходности тех или иных активов, и пассивная, в которой рынок
полагают непредсказуемым, и главной целью ставят минимизацию рисков. Оценка
инвестиционного риска, таким образом, является одним из краеугольных камней
финансового анализа. В этой главе рассмотрены основные нейросетевые методики оценки
рисков и составления рейтингов.
Эти методики используют два основных подхода: обучение с учителем - на
примерах экспертных оценок или обанкротившихся фирм, и обучение без учителя - путем
категоризации имеющихся данных. Сначала рассмотрим первый, более прямолинейный
подход.
Рейтинги облигаций
Существенную часть рынка ценных бумаг составляют корпоративные облигации -
Займы корпораций под фиксированный процент. Только на Нью-Йоркской Фондовой
бирже в 1992 г. обращались облигации около 1500 компаний с общей номинальной
стоимостью свыше $260 млрд. Для оценки риска невыплаты процентов или невозврата
денег по облигации практически для всех таких корпораций существуют и
периодически обновляются рейтинги, составляемые независимыми рейтинговыми агентствами.
В рейтинговом бизнесе доминируют две компании: Standard & Poor's и Moody's.
Свыше 2000 долговых эмитентов поставляют свои финансовые отчеты этим двум
организациям. Рейтинги этих агентств чрезвычайно авторитетны, от них напрямую
зависят процентные ставки по облигациям: чем ниже рейтинг эмитента - тем дороже
обходится эмитенту обслуживание своего долга, т.к. инвесторы желают получить
плату за дополнительный риск. Более того, в США некоторым категориям инвесторов,
таким, как банки и страховые компнии, законодательно запрещено покупать
облигации с рейтингом Standard & Poor's и Moody's ниже определенного уровня. Так, в
классификации Standard & Poor's (табл. 1) бумаги с рейтингом ниже ВВВ считаются
в основном спекулятивными. Их характеризует большая степень неопределенности в
возможности выплаты процентов и возвращения основного долга (рейтинг России
также принадлежит пока к этой категории1) .
В момент написания этих строк рейтинг России был В+ в классификации агентства Standard &
Poor1s.
Табл. 1. Шкала рейтингов по классификации Standard & Poor's
Рейтинг
Описание
Процент
неплатежей
(1971-1990)
AAA
Самая высокая вероятность выплаты процентов и возврата
долга
0.00%
АА
Высокая вероятность выплаты процентов и возврата долга
1.70%
А
Высокая вероятность выплаты процентов и возврата долга,
но несколько большая зависимость от экономической
конъюнктуры
0.65%
ВВВ
Адекватная вероятность выплаты процентов и возврата
долга, еще большая зависимость от неблагоприятных факторов
1.54%
ВВ
Долговые обязательства, хотя и имеют защитные
характеристики, но характеризуются огромной неопределенностью
невыплаты процентов
5.93%
В
20.87%
ССС
38.08%
Чтобы составить представление о степени риска, характерном для облигаций с
различными рейтингами, в последнем столбце этой таблицы приведены данные
исследований реальных неплатежей по корпоративным облигациям в течении двадцати лет,
а именно: процент бумаг, по которым в течении первых пяти лет с момента их
выпуска были отмечены неплатежи. Можно отметить действительно отчетливую границу
между "надежными" и "рискованными" облигациями.
Алгоритм составления описанных выше рейтингов неизвестен, более того,
агентства утверждают, что он не основан в чистом виде на статистическом анализе
финансовой информации, а содержит еще оценки экспертов, например для таких трудно
формализуемых параметров, как "качество менеджмента". Такая ситуация вполне
устраивает сами рейтинговые агентства, превращая их продукцию в уникальный
товар. Однако многие инвесторы заинтересованы в обладании своими собственными
алгоритмами рейтингования, "эмулирующими" рейтинги большой двойки - по крайней
мере, по трем причинам.
Во-первых, не для каждой облигации имеется официальный рейтинг. Многие
бумаги, обойденные вниманием крупных рейтинговых агентств, могут в итоге оказаться
весьма привлекательными для инвестиций, если суметь грамотно оценить степень их
рискованности.
Во-вторых, обновление официальных рейтингов происходит не столь часто, как
хотелось бы. Умение загодя, до того как это станет общедоступной информацией,
предугадать изменение рейтингов, очевидно, дает инвесторам дополнительные
конкурентные преимущества.
Наконец, разгадав стратегию "официального" рейтингования, инвесторы могут
надеяться улучшить качество оценки финансового состояния эмитентов путем более
интенсивного статистического анализа, получив, таким образом, преимущество над
теми, кто пользуется официальными рейтингами.
Приведенные выше доводы обосновывают следующую постановку задачи для нейро-
анализа: на основе общедоступной финансовой отчетности компаний-эмитентов
постараться воспроизвести рейтинги Standard & Poor's и/или Moody's. Несмотря на
наличие неформальной компоненты, представляется вероятным, что алгоритмическая
составляющая этих рейтингов довольно велика. В конце концов, общая численность
аналитиков в обоих ведущих агентствах вместе взятых не превышает 100 человек.
Так что справиться с обработкой постоянно обновляемых данных о 2000 эмитентах
они могут лишь используя в основном автоматизированные процедуры.
Попытки смоделировать алгоритм рейтингования облигаций предпринимались с 60-х
годов и базировались на методе линейной регрессии. Типичный процент угадывания
рейтинга в этих моделях составляет примерно 60%. Поскольку возможности
нелинейного нейросетевого моделирования шире, неудивительно, что первые же попытки
применить нейросети показали существенно лучшие результаты - на уровне 88% для
воспроизведения отдельной градации рейтинга2. Более сложные нейросетевые модели
способны с приемлемой точностью воспроизводить широкий диапазон рейтингов
облигаций по набору ключевых финансовых индикаторов фирм-имитентов. Например, в
работе (Moody, Utans, 1993) 97% предсказаний нейросети расходятся не более чем на
один пункт с классификацией Standard & Poor's в интервале [ААА+АА, А, ВВВ, ВВ,
В] .
Заметим, что несмотря на неплохие, в общем-то, результаты, подобные
нейросетевые модели весьма компактны. В качестве входных переменных обычно
используется от 6 до 10 финансовых индикаторов, являющихся отношением наиболее значимых
статей балансов и отчетов о прибылях и убытках корпораций. Например, в
последней из упомянутых выше работ первоначально использовались 10 финансовых
индикаторов , отобранных аналитиками одного из крупных американских банков. Однако по
результатам анализа чувствительности нейросетевых предсказаний к входным
переменным два из этих индикаторов оказались незначимыми и не использовались в
окончательной модели (8-3-1 персептрон с 3 нейронами на скрытом слое и 1
выходным линейным нейроном, дающим численный эквивалент рейтинга). Качество
воспроизведения "тонких" градаций (с учетом субкатегорий, например АА+, АА-) рейтинга
агентства Standard & Poor's, достигнутое этой моделью, иллюстрирует рис. 1.
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Рис. 1. Воспроизведение 15-ти градаций рейтинга Standard & Poor's
(штрихованная линия) в раюоте (Moody, Utans, 1993).
Оценка акций
В отличие от облигаций, являющихся своего рода долговыми расписками, акции
2 Для рейтинга облигаций из класса АА по классификации Standard & Poor's.
корпораций не гарантируют возврата процентов и основной суммы долга. Однако,
оценка перспективности различных активов в пакетах акций является одной из
главных задач любого инвестора. Ранее мы описывали возможности предсказания
котировок акций в будущем, основанные на анализе прошлого поведения временного
ряда котировок. Альтернативный подход представляет собой рейтингование акций,
основанное на более широком круге финансовых показателей компаний, доступных из
их финансовых отчетов.
Результативность подобного подхода иллюстрируют рейтинги ведущего
консультационного агентства США по инвестициям в акции - Value Line. Раз в неделю это
агентство разбивает акции около 1700 компаний по 5 рейтинговым категориям
(алгоритм, естественно, широкой публике неизвестен). Статистические исследования
подтверждают значимость рейтинга Value Line. А именно, пакеты, составленные из
акций более высокой рейтинговой категории, систематически дают большую прибыль
в течение ближайшего квартала (в следующем квартале эффект уже заметно меньше).
Есть основания предполагать, что квартальные отчеты корпораций влияют на курс
акций. В частности, неожиданно высокие прибыли (убытки) статистически значимо
коррелируют с повышением (понижением) курсов акций.3 Причем, эта корреляция
существует достаточно долго - в течение, по крайней мере, двух месяцев со дня
публикации отчета. Следовательно, инвестор имеет возможность извлечь
определенную выгоду из финансовой отчетности корпораций. Справедливости ради следует
отметить, что такая же корреляция имеется и на протяжении двух месяцев до
объявления о прибылях/убытках. Это означает, что информация о состоянии фирмы
просачивается на рынок раньше официальной публикации, так что временной ряд уже
содержит эту информацию в неявном виде. Однако, интерпретация финансовых
показателей отчета может дать гораздо более содержательную информацию, чем динамика
временного ряда, зашумленная многими внешними факторами.
В более общей постановке речь идет о прогнозировании финансового "здоровья"
корпорации на основании ее финансовой отчетности. Нетривиальным моментом здесь
является количественное определение финансового благополучия. Можно, как и в
случае с облигациями, воспользоваться для обучения сети рейтингами, например,
упомянутого выше агентства Value Line для воспроизведения этой, в общем-то,
субъективной оценки компании. Можно попытаться использовать в качестве
индикатора благополучия более объективный критерий - рыночный курс акций в ближайшем
или более отдаленном будущем. Однако, рыночный курс может быть подвержен
сильным флуктуациям чисто спекулятивного характера. Наконец, можно воспользоваться
указаниями самого сурового учителя, исследуя крайнюю форму проявления
финансового "недомогания" - банкротство. Анализ банкротств, таким образом, может
служить источником объективных оценок устойчивости финансового положения фирм.
Предсказание
рисков банкротств
Сначала приведем несколько цифр, иллюстрирующих "цену вопроса". Мировой рынок
только межбанковских кредитов оценивается в $38 трлн. Это почти в два раза
превышает мировой объем ценных бумаг. Естественно, что оценка риска невозврата
кредитов имеет для банков первостепенное значение. (В случае страховки, этот
риск, перекладывается на страховщика. Общий объем страховых премий в этой
индустрии риска составляет $2.5 трлн.)
Количество банкротств в США на протяжении 80-х годов возрастало ежегодно при-
3 Заметим, что само понятие неожиданной прибыли подразумевает какую-то модель прогнозирования
прибыли. Чем адекватнее будет прогноз, тем Значимее информация об отличной от ожидаемой прибыли,
свидетельствующая о каких-то существенных изменениях в характере функционирования фирмы.
мерно на 14%. В банковском секторе США число банкротств возросло с 50 в 1984 г.
до 400 в 1991 г. Это, однако, составляет менее 3% от примерно 14000 действующих
в США банков. В России же, например, только в 1996 г. лицензии были отозваны
более чем у 10% из около 2000 зарегистрированных банков. Таким образом,
предсказание банкротств, особенно в кризисных экономических условиях, является
насущной задачей экономического анализа.
Если в проблеме рейтингования задачей нейросети было воспроизвести мнения
экспертов о надежности корпорации, то нейросетевое предсказание банкротств
основано на статистической обработке конкретных примеров банкротств. В такой
постановке задача нейросети - самой стать экспертом, определяющим финансовую
стабильность корпорации, основываясь исключительно на объективной информации -
показателях финансовой отчетности. Обычно от нейросети требуется оценить
вероятность банкротства через определенный промежуток времени (например, через год
или через два года) по доступной на данный момент финансовой отчетности. В
качестве входов используют финансовые индикаторы - отношения балансовых статей,
наиболее полно отражающие определенные стороны финансового положения фирмы.
Исторические корни
Пионерская работа Альтмана в этом направлении датируется 1968 годом.
Используя метод линейного дискриминантного анализа он выявил пять наиболее значимых
финансовых индикаторов, влияющих на предсказание банкротств:
• (Оборотные средства / Общий размер активов) - характеризует денежные активы
фирмы, т.е. ее способность мобилизовать ресурсы для немедленной уплаты
долгов .
• (Нераспределенная прибыль / Общий размер активов) - прибыль после уплаты
налогов и выплат акционерам, которая остается в распоряжении корпорации,
например, для реинвестирования, характеризует источник погашения долгов.
• (Прибыль до выплаты налогов и процентов по вкладам / Общий размер активов)
- характеризует общую эффективность управления капиталом.
• (Рыночная капитализация / Общий размер долгов) - характеризует отношение
собственного капитала к заемному, т.е. эффективный размер долга.
• (Объем продаж / Общий размер активов) - характеризует активность
использования фирмой своих ресурсов.
В последующих работах разные авторы дополняли или видоизменяли список
ключевых финансовых индикаторов по своему усмотрению. Наиболее общий подход, видимо,
состоит в использовании в качестве входов логарифмов укрупненных статей
балансов и отчетов о прибылях/убытках. Нейросеть в этом случае сама выберет наиболее
значимые линейные комбинации входов, которым будут соответствовать наиболее
значимые отношения различных статей в нужных пропорциях. Использование
индикаторов, с другой стороны, помогает в интерпретации результатов нейро-
моделирования если воспользоваться, например, техникой прореживания связей и
извлечения правил, описанной в предыдущей главе. Заметим, что использование
описанных выше индикаторов лежит также в основе общепринятой методики
рейтингования банков CAMEL.
Нейросетевое
предсказание
банкротств
Обобщая опыт сравнительного анализа предсказаний банкротств различными
методиками, отметим: нейросетевое моделирование обеспечивает наилучшую точность
предсказания банкротств: порядка 90%, по сравнению с 80%-85% точностью для дру-
гих статистических методик (дискриминантный анализ, логистический анализ, ID3,
kNN) .
При желании можно повысить "подозрительность" нейросети, обеспечив точность
выявления банкротов вплоть до 99% - за счет снижения требований к ошибкам
второго рода (классификации нормальной фирмы как банкрота). Это достигается путем
увеличения веса ошибки первого рода (классификации банкрота как нормальной
фирмы) . В зависимости от конкретной практической задачи "подозрительность" сети
можно произвольно регулировать.
Банкротства можно уверенно предсказывать за несколько лет до их фактического
наступления, причем точность предсказания за два года практически не отличается
от точности предсказания за год. Таким образом, неявные сигналы неблагополучия
присутствуют в финансовой отчетности фирмы задолго до ее краха.
Обсуждение
Полезность обучения сети на примерах обанкротившихся фирм состоит также в
том, что такая сеть вырабатывает дискриминантную функцию - численный показатель
финансового здоровья фирмы, меру ее устойчивости. Однако, устойчивость не
является единственным возможным критерием оценки деятельности фирмы.4 Акционеры,
например, заинтересованы не только в бесконечно долгом существовании фирмы, но и
в получении достаточно весомой прибыли. Важно, кроме того, не только состояние
фирмы на настоящий момент, но и характеристики существующих тенденций. Здесь
значимым может оказаться другой набор факторов, дающий другую оценочную
функцию. Так, высокая доходность может обеспечить повышение надежности в будущем.
Между тем, неясно каким образом можно обучать нейросеть на "будущий успех" при
отсутствии такого же четкого критерия успеха, каким является банкротство для
неудачи.
Эти объективные трудности можно преодолеть, если вспомнить, что фирма
существует не сама по себе, а в сообществе подобных ей фирм-конкурентов. И именно в
сопоставлении с этим сообществом можно говорить о сильных и слабых сторонах ее
деятельности. Эти рассуждения подводят нас к другой постановке задачи:
комплексной оценки финансового состояния фирмы путем систематического сравнения ее
показателей с показателями остальных участников данного рынка. Такой подход,
рассмотренный в следующем разделе, не требует знания готовых ответов, т.к.
основан на обучении без учителя.
Сравнительный
анализ
финансового
состояния фирм
Сравнительный анализ, в отличие от рейтингования, предполагает введение не
одной, а нескольких оценочных координат. Это позволяет лучше использовать
имеющуюся информацию, более точно позиционировать фирму среди остальных. С другой
стороны, для обозримости результатов сравнительного анализа, количество
параметров сравнения должно быть по возможности минимальным. В узком смысле
"обозримость" требует введения не более двух координат - чтобы относительная
позиция фирмы могла быть представлена точкой на двумерной карте, а различные
финансовые показатели могли быть визуализированы в виде двумерных поверхностей.
Биологическая эволюция демонстрирует многочисленные примеры "слишком успешной" адаптации к
определенной экологической нише, приводящей к быстрому вымиранию при резком изменении условий
внешней среды.
Постановка задачи
С математической точки зрения эта задача сводится к оптимальному сжатию
информации о финансовом состоянии фирмы, т.е. отображении информации минимальным
числом параметров при заданном уровне огрубления или минимизации потерь
информации при заданном числе обобщенных координат. Для целей визуализации, выгодно
ограничиться двухпараметрическим представлением. Это уже существенный шаг
вперед по сравнению с однопараметрическим рейтингом.
Данные о
российских
банках
Для иллюстрации описываемого подхода далее в этой главе5 будут использованы
данные Центрального Банка России о годовых балансах и отчетах о
прибылях/убытках примерно 1800 российских банков за 1994, 1995 годы, предоставленные
информационным агентством "Прайм". Каждый банк при этом описывается 30
финансовыми показателями - отношением балансовых статей к общей сумме активов банка.
Подобная нормализация приводит все статьи к единому масштабу, сглаживая
различия между крупными и мелкими банками, составляющие несколько порядков величин.
Из этих 30 параметров нам предстоит оптимальным образом сконструировать две
обобщенные координаты.
Сечения
Главный вопрос теперь - как выбирать эти обобщенные координаты. Можно,
например, воспользоваться сечениями имеющихся многомерных данных, иными словами -
просто выбрать два "наиболее важных" с точки зрения экспертов параметра
балансов и таким образом отобразить на двумерной карте положение всех фирм. Для
российских банков подобное представление информации практикует журнал "Эксперт"
(см. рис. 2).
5%
Л
CQ
=
Н
Л
«5 Инкомбанк
ю
я 1%.
О- Альф;
Р
0%.
4%.
3%
2%.
* Сбербанк
Нац. резерв
Внешторг
Мосбизнес
а-банк^ *
Токомбанк
о%
20%
40%
60%
Собственный/Привлеченный
Рис 2. Положение 15 крупнейших российских банков в 1996 г. в
координатах надежность-доходность (по материалам журнала «Эксперт»).
5 На не изложение будет следовать работе (Shumsky, Yarovoy, 1998), в ьполненной по заказу и при финансовой поддержке агентства "Г^а й ivf'.
Согласно такому подходу надежность банка характеризуется одним финансовым
показателем - отношением собственного капитала к привлеченному. В первой половине
этой главы мы видели, однако, что анализ банкротств выявляет, как минимум пять
(а то и восемь) значимых финансовых показателей, влияющих на надежность.
Линейное сжатие
информации - метод
главных компонент
Более общий подход - использовать не две отдельные компоненты, а две линейные
комбинации всех 30 исходных параметров, наилучшим образом представляющие
имеющиеся данные (см. рис. 3).
Рис. 3. Линейная аппроксимация многомерных (здесь - трехмерных) данных.
Каждый банк представлен точкой в 30-мерном пространстве, и задача состоит в
проведении двумерной плоскости в этом пространстве, обеспечивающей минимальное
среднеквадратичное отклонение имеющихся точек от этой плоскости:
, Z>--'.-)' .
Ej = — = min
Как мы знаем подобное линейное приближение дается методом главных компонент.
Если действительное расположение точек не сильно отклоняется от плоскости, этот
метод может дать неплохое начальное приближение. Однако, оказывается, что в
данном случае это не так. Среднеквадратичное отклонение для случая двух главных
компонент оказалось равным почти половине от общей дисперсии: Е, = 0.47 .
Таким образом, даже оптимальный вариант линейного сжатия не дает возможности
визуализировать финансовое положение банков. Оно может, тем не менее, оказаться
полезным, в частности, для анализа значимости балансовых статей. Так,
увеличение числа главных компонент постепенно дает все лучшее и лучшее приближение
имеющегося массива данных (см. рис. 4).
Например, 10 главных компонент обеспечивают вполне приемлемую общую точность
94% (т.е. EL =0.06) . При общем числе входов равном 30, это означает 3-кратное
сжатие информации. Такое сжатие оказывается возможным из-за существенных
корреляций между отдельными статьями в балансовой отчетности. При этом те статьи,
которые дают наибольший вклад в главные компоненты, восстанавливаются по ним с
наибольшей точностью.
100]
80
о, 60
/О40 ;
20 ;
п
____
> *—*
и
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Рис. 4. Точность воспроизведения 1- Еь как функция
числа главных компонент.
Степень восстановления исходных данных по ограниченному числу главных
компонент свидетельствует о том, насколько согласованны данные в этих статьях между
собой во всем массиве имеющейся информации, т.е. насколько содержащаяся в них
информация значима для выявления индивидуальных отличий. Рис. 5 показывает, что
около 20 статей восстанавливаются по 10 главным компонентам с относительно
высокой точностью. Это как раз те статьи, которые дают основной вклад в главные
компоненты. Остальные статьи гораздо менее значимы для сравнительного
финансового анализа, в частности, в силу незначительности совокупной доли активов в
этих статьях балансов.
1
0.9 4-
0.8 -I-
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2 4-
0.1 -I-
0
1^
<
1^
<
1^
со
<
<
ю
<
1^
CD
<
1^
<
1^
<
1^
СО
1^
ю
1^
со
1^
1^
00
1Z
1^
О)
1^
о
1^
<
1^
<
5
со
5
см
Ч
со
Ч
Ч
ю
Ч
1^
<
1^
<
1^
со
CL
1^
CL
1^
Ю
CL
1^
СО
CL
Рис. 5. Значимость статей балансов и отчетов о прибылях/убытках,
определенная по степени их восстановления по 10 главным компонентам.
Нелинейное сжатие
информации - карты
Кохонена
Итак, линейная статистическая обработка данных не способна выделить два
ведущих параметра, описывающих финансовое состояние российских банков с приемлемой
точностью. В этой ситуации естественно обратиться к нелинейному статистическому
анализу, т.е. к нейросетевому моделированию.
Напомним, что методом, дающим оптимальное представление информации в виде
координат двумерной сетки, является построение топографических карт (карт
Кохонена) , о которых шла речь в Главе 4. Напомним в двух словах суть этой методики. В
многомерное пространство данных погружается двумерная сетка. Эта сетка изменяет
свою форму таким образом, чтобы по возможности точнее аппроксимировать облако
данных. Каждой точке данных ставится в соответствие ближайший к ней узел сетки.
Таким образом, каждая точка данных получает некоторую координату на сетке.
Такое отображение локально непрерывно: близким точкам на карте соответствуют
близкие точки в исходном пространстве (обратное, вообще говоря, не верно:
близким точкам в исходном пространстве могут соответствовать далекие точки на карте
- такова цена понижения размерности). Таким образом, распределение данных на
двумерной карте позволяет судить о локальной структуре многомерных данных.
Синаптические веса нейрона в сети Кохонена являются его координатами в
исходном многомерном пространстве. Обучение сети, т.е. нахождение положения узлов
карты в многомерном пространстве происходит в режиме "победитель забирает все".
Данные по очереди подаются на входы всех нейронов, и для каждого входа
определяется ближайший к нему нейрон. Обучение состоит в подгонке весов нейрона-
победителя и его ближайших соседей минимизурующих отклонение данных от
нейронов-победителей. Постепенно сеть находит равновесное положение, оптимально ап-
гтроксалмирующее данные (см. рис. 6) .
Если линейный статистический анализ пытается аппроксимировать данные
плоскостью, то нелинейный - использует для этих целей двумерную поверхность, что
позволяет, в принципе, добиться гораздо более высокой точности аппроксимации.
Так, в нашем случае, суммарное расстояние от данных до ближайших к ним узлов
топографической сетки
составляет всего ENI =7.8% (сравнительно с Е, =47% ошибки линейной
аппроксимации) .
Таким образом, можно с приемлемой точностью описать финансовое состояние
российских банков, используя всего лишь два обобщенных финансовых индикатора, а
именно - две координаты на двумерной карте Кохонена. Каждый банк по состоянию
своего балансового отчета отображается конкретной ячейкой на карте. Ячейки с
одинаковыми координатами содержат банки со сходным финансовым состоянием. Чем
дальше на карте координаты банков, тем больше отличается друг от друга их
финансовый портрет.
Рис. 6. Нелинейная аппроксимация массива многомерных
данных двумерной поверхностью.
Е
ж
А1
В1
С1
D1
Е1
F1
G1
Н1
11
Л
К1
L1
М1
N1
01
Р1
Q1
R1
S1
Т1
А2
В2
С2
D2
Е2
F2
G2
Н2
12
J2
К2
L2
М2
N2
02
Р2
Q2
R2
S2
Т2
A3
ВЗ
СЗ
D3
ЕЗ
F3
G3
НЗ
13
J3
КЗ
L3
МЗ
N3
03
РЗ
Q3
R3
S3
ТЗ
А4
В4
С4
D4
Е4
F4
G4
Н4
14
J4
К4
L4
М4
N4
04
Р4
Q4
R4
S4
Т4
А5
В5
С5
D5
Е5
F5
G5
Н5
15
J5
К5
L5
М5
N5
05
Р5
Q5
R5
S5
Т5
А6
В6
С6
D6
Е6
F6
G6
Н6
16
J6
Кб
L6
Мб
N6
06
Р6
Q6
R6
S6
Т6
А7
В7
С7
D7
Е7
F7
G7
Н7
17
J7
К7
L7
М7
N7
07
Р7
Q7
R7
S7
Т7
А8
В8
С8
D8
Е8
F8
G8
Н8
18
J8
К8
L8
М8
N8
08
Р8
Q8
R8
S8
А9
В9
С9
D9
Е9
F9
G9
Н9
19
J9
К9
L9
М9
N9
09
Р9
Q9
R9
S9
Т9
А10
В10
СЮ
D10
ЕЮ
F10
G10
НЮ
110
Л0
К10
L10
мю
N10
010
Р10
Q10
R10
S10
А11
В11
С11
D11
Е11
F11
G11
Н11
111
Л 1
К11
L11
М11
N11
011
Р11
Q11
R11
S11
Т11
А12
В12
С12
D12
Е12
F12
G12
Н12
112
Л2
К12
L12
М12
N12
012
Р12
Q12
R12
S12
Т12
А13
В13
С13
D13
Е13
F13
G13
Н13
ИЗ
ЛЗ
К13
L13
М13
N13
013
Р13
Q13
R13
S13
Т13
А14
В14
С14
D14
Е14
F14
G14
Н14
114
Л4
К14
L14
М14
N14
014
Р14
Q14
R14
S14
Т14
А15
В15
С15
D15
Е15
F15
G15
Н15
115
Л5
К15
L15
М15
N15
015
Р15
Q15
R15
S15
Т15
А16
В16
С16
D16
Е16
F16
G16
НЮ
116
Л6
К16
L16
МЮ
N16
016
Р16
Q16
R16
S16
ТЮ
А17
В17
С17
D17
Е17
F17
G17
Н17
117
Л7
К17
L17
М17
N17
017
Р17
Q17
R17
S17
Т17
А18
В18
С18
D18
ЕЮ
F18
G18
НЮ
118
Л8
К18
L18
МЮ
N18
018
Р18
Q18
R18
S18
ТЮ
А19
В19
С19
D19
ЕЮ
F19
G19
НЮ
119
Л9
К19
L19
МЮ
N19
019
Р19
Q19
R19
S19
ТЮ
А20
В20
С20
D20
Е20
F20
G20
Н20
I20
J20
К20
L20
М20
N20
020
Р20
Q20
R20
S20
Т20
488. АКБ "ЭЛЕКТРОНИКА"
1571. КБ "ЭРЗИ"
1975. АЛТАЙЭНЕРГОБАНК
2861.КБ"ПИРАНЬЯ"
2936. КБ "ИСЛАМ"
Рис. 7. Пример содержимого ячейки Т9 карты Кохонена для российских
банков (регистрационные номера и названия банков).
Так, например, рис. 7 иллюстрирует содержимое конкретной ячейки на карте
Кохонена российских банков, содержащей 20x20 ячеек (т.е. 400 нейронов).
Расположение на
карте банков с
отозванной лицензией
Достоинства карты Кохонена начинают проявляться после нанесения на нее какой-
либо графической информации. Рис. 8 показывает как выглядит карта Кохонена, на
которой отмечены ячейки, содержащие банки с отозванными по результатам 1994
года лицензиями. Видно, что банки с отозванными лицензиями группируются в правом
верхнем углу карты - "зоне риска". Мы увидим, что эта зона имеет и другие
признаки неблагополучия.
Ей
Рис. 8. Ячейки, содержащие хотя бы один банк с
отозванной в 1994 г. лицензией.
Отметим, что в отличие от анализа банкротств, описанного в первой части
главы, здесь информация о банкротствах не участвовала в обучении сети. Она
изображена на уже готовой карте, являясь лишь индикатором области параметров с
повышенным риском банкротства. Эта особенность описываемой методики позволяет вы-
явить область риска по относительно небольшому числу примеров (как в нашем
случае) .
Раскраски
карты Кохонена
Различные раскраски топографической карты являются удобным средством для
выявления взаимосвязей различных факторов. В принципе, любая финансовая
характеристика порождает свою раскраску карты, как это иллюстрирует рис. 9.
Рис. 9. Раскраска карты, порожденная i-ой статьей баланса.
Вместе подобные раскраски дают исчерпывающую и наглядную картину. Здесь
имеется полная аналогия с географическими картами различных типов на одной и той
же географической сетке, которые в совокупности дают полное представление о
данной местности.
Карта размеров банков
Рассмотрим, например как располагаются на построенной карте банки разных
размеров (см. рис. 10)6. Размеры банков берутся в логарифмической шкале, причем
клетки, отличающиеся на одну цветовую градацию, содержат банки с пятикратным
отношением активов. Напомним, что величин активов банков была изначально
выведена из набора параметров, т.к. она использовалась для нормировки остальных
статей. Несмотря на это, банки разных размеров располагаются не хаотично, а
регулярным образом, что свидетельствует о значимости размера банка при выборе им
своей финансовой стратегии. Визуально на карте можно выделить следующие большие
группы банков: большие банки (низ карты), малые банки (группа слева и группа
справа) и средние банки. Раскраска, отражающая относительный размер Уставного
фонда показывает, что между двумя группами малых банков имеются существенные
различия: банки в нижнем правом углу карты практически не растут (рис. 11).
6 К сожалению, в черно-белом варианте раскрасок многие эффекты не наблюдаются.
Рис. 10. Размер активов
российских банков.
Рис. 11. Уставной фонд.
Сравнение с расположением банков-банкротов, показывает, что вероятность
банкротства как больших, так и малых банков в 1994 году была невелика.
Балансовые показатели
Ниже приводится ряд раскрасок карты Кохонена российских банков по некоторым
статьям баланса. Как видно из карт «Итого доходов» и «Итого расходов», наиболее
активные банки (банки, у которых отношение доходов и расходов к их размеру
наибольшее) располагаются в левом верхнем углу карты. Карта размеров говорит нам о
том, что эти банки относительно невелики по своим размерам.
Рис. 12. Итого доходов.
Рис. 13. Итого расходов.
Очень показательны карты «Всего обязательств» и «Прибыль/убыток». Из карты
«Прибыль/убыток» ясно видно, что наиболее убыточной является группа банков-
банкротов (правый верхний угол). Эта же группа банков имеет больше всего
обязательств .
Интересно отметить, что меньше всего обязательств имеют обе группы малых
банков . Эти группы банков сходны по многим параметрам (на карте «Уставной фонд»
видно, что у малых банков отношение уставного фонда к размеру выше, чем у
остальных) . Однако, как видно из карты «Прибыль/убыток», в отличие от группы
малых банков слева, которая является самой прибыльной, группа справа имеет
прибыль ниже среднего. Это говорит о том, что, скорее всего, деятельность этих
групп имеет разные цели. Малая прибыль в совокупности с большим уставным фондом
и малыми обязательствами говорит о том, что банки из группы справа, скорее все-
го, служат для расчетных операций различных организаций, а не для получения
прибыли.
Рис. 14. Прибыль/убыток. Рис. 15. Всего обязательств.
Обсуждение
Приведенные выше раскраски в совокупности образуют атлас, отражающий
финансовое состояние банков или других фирм, занимающихся сжодными видами бизнеса.
Этот атлас дает графическое отображение положения любой конкретной фирмы среди
конкурентов и может использоваться как удобное средство финансового анализа. В
частности, можно рассматривать эволюцию финансового положения отдельной фирмы
во времени, выявлять существующие тенденции и циклы. С точки зрения
макроэкономики удобство такого рода карт состоит в том, что площади на этой карте
примерно пропорциональны доле фирм в силу более-менее равномерного заполнения ячеек.
Таким образом, можно зримо представлять себе, например, долю крупных банков или
банков, испытывающих трудности с возвратом кредитов.
Выводы
В данной главе были рассмотрены различные подходы к анализу рисков. Одни из
них для формирования обучающей выборки используют мнения авторитетных
рейтинговых агентств, другие - опираются на объективные данные о банкротствах. Наконец,
альтернативный подход использует для обучения сети "непомеченные" финансовые
данные, предлагая методику сравнительного финансового анализа.
Литература
1. Бэстенс, Д.-Э., Ван Ден Берг, В.-М., Вуд, Д. (1997). Нейронные сети и
финансовые рынки. Принятие решений в торговых операциях. ТВП Научное
издательство .
2. Шарп, У., Александер, Г., Бейли, Д. (1997). Инвестиции. 5-е изд., пер. с
англ. ИНФРА-М.
3. Altman, Е. I. (1968). "Financial ratios, Discriminant analysis and the
prediction of corporate bankruptcy". Journal of Finance, 23, No 4, 589-
609.
4. Altman, E. I. (1991). "Defaults and returns on high-yield bonds through
thr first half of 1991", Financial Analyst Journal, 47, No 6. 74-75.
5. Dutta, S., and Shekhar, S. (1988). "Bond Rating: A Non-Conservative
Application of Neural Networks", Proc. IEEE Int. Conf. on Neural Networks,
pp.II443-II450.
6. Horrigan, J.О. (1966). "The determination of long term credit standing
with financial ratios", Empirical Research in Accounting: Selected
Studies. Journal of Accounting Research.
7. Moody, J. and Utans, J. (1993). "Architecture Selection Strategies for
Neural Networks: Application to Corporate Bond Rating Prediction", in:
Neural Networks in the Capital Markets, Apostolos-Paul Refenes Ed., John
Wiley & Sons, 277-300.
8. Shumsky, S.A., and Yarovoy, A.V. (1998). "Self-Organizing Atlas of Russian
Banks", in: Deboeck, G. and Kohonen, T. (Eds). Visual Explorations in
Finance with Self-Organizing Maps. Springer, 1998.
9. Trippi, R. , and Turban, E., eds. (1993) Neural Networks in Finance and
Investing, Probus Publishing.
10. West, R.R. (1970). "An alternative approach predicting corporate bond
ratings", Journal of Accounting Research, Spring 1970.
ГЛАВА 11
НЕЙРОННЫЕ СЕТИ И
«Животные делятся на: а) принадлежащих
Императору, б) набальзамированных, в) прирученных, г)
сосунков, д) сирен, е) сказочных, ж) отдельных
собак, з) включенных в эту классификацию, и)
бегающих, как сумасшедшие, к) бесчисленных, л)
нарисованных тончайшей кистью из верблюжьей
шерсти, м) прочих, н) разбивших цветочную вазу,
о) издали напоминающих мух».
Х.Л.Борхес, Аналитический язык Джона Уилкинса
Нейрокомпьютинг имеет многочисленные точки соприкосновения с другими
дисциплинами и их методами. В частности, теория нейронных сетей использует аппарат
статистической механики и теории оптимизации. Области приложения нейрокомпью-
тинга подчас сильно пересекаются или почти совпадают со сферами применения
математической статистики, теории нечетких множеств и экспертных систем. Связи и
параллели нейрокомпьютинга чрезвычайно многообразны и свидетельствуют о его
универсальности. В данной главе, которую можно рассматривать как
дополнительную, так как она требует несколько большей математической подготовки, мы
поговорим только о наиболее важных из них.
Нейронные сети
и статистика
Поскольку в настоящее время нейронные сети с успехом используются для анализа
данных, уместно сопоставить их со старыми хорошо разработанными статистическими
методами. В литературе по статистике иногда можно встретить утверждение, что
наиболее часто применяемые нейросетевые подходы являются ни чем иным, как
неэффективными регрессионными и дискриминантными моделями. Мы уже отмечали прежде,
что многослойные нейронные сети действительно могут решать задачи типа
регрессии и классификации. Однако, во-первых, обработка данных нейронными сетями
носит значительно более многообразный характер - вспомним, например, активную
классификацию сетями Хопфилда или карты признаков Кохонена, не имеющие
статистических аналогов. Во-вторых, многие исследования, касающиеся применения
нейросетей в финансах и бизнесе, выявили их преимущества перед ранее
разработанными статистическими методами. Рассмотрим подробнее результаты сравнения методов
нейросетей и математической статистики.
Являются ли нейронные
сети языком описания?
Как уже отмечалось, некоторые статистики утверждают, что нейросетевые подходы
к обработке данных являются просто заново переоткрытыми и переформулированными,
но хорошо известными статистическими методами анализа. Иными словами,
нейрокомпьютинг просто пользуется новым языком для описания старого знания. В качестве
примера приведем цитату из Уоррена Сэрла:
"Многие исследователи нейронных сетей являются инженерами, физиками,
нейрофизиологами, психологами или специалистами по компьютерам, которые мало знают о
статистике и нелинейной оптимизации. Исследователи нейронных сетей постоянно
переоткрывают методы, которые известны в математической и статистической
литературе десятилетиями и столетиями, но часто оказываются неспособными понять как
работают эти методы"
Подобная точка зрения, на первый взгляд, может показаться обоснованной.
Формализм нейронных сетей действительно способен претендовать на роль
универсального языка. Не случайно уже в пионерской работе МакКаллока и Питтса было
показано, что нейросетевое описание эквивалентно описанию логики высказываний.
"Я в действительности обнаружил, что с помощью с помощью техники, которую я
разработал в работе 1961 года (...), я мог бы легко ответить на все вопросы,
которые мне задают специалисты по мозгу (...) или компьютерщики. Как физик,
однако, я хорошо знал, что теория, которая объясняет все, на самом деле не
объясняет ничего: в лучшем случае она является языком". Эдуардо Каянелло.
Не удивительно поэтому, что статистики часто обнаруживают, что привычные им
понятия имеют свои аналоги в теории нейронных сетей. Уоррен Сэрл составил
небольшой словарик терминов, использующихся в этих двух областях.
Табл. 1. Словарь аналогичных терминов
Нейронные сети
Статистические методы.
Признаки
переменные
входы
независимые переменные
выходы
предсказанные значения
целевые значения
зависимые переменные
ошибка
невязка
обучение, адаптация, самоорганизация
оценка
функция ошибки, функция Ляпунова
критерий оценки
обучающие образы (пары)
наблюдения
параметры сети: веса, пороги.
Оценочные параметры
нейроны высокого порядка
взаимодействия
функциональные связи
трансформации
обучение с учителем или гетероассоциация
регрессия и дискриминантный анализ
обучение без учителя или автоассоциация
сжатие данных
соревновательное обучение, адаптивная
кластерный анализ
векторная квантизация
обобщение
интерполяция и экстраполяция
В чем различие нейронных
сетей и статистики?
В чем же заключается сходство и различие языков нейрокомпьютинга и статистики
в анализе данных. Рассмотрим простейший пример.
Предположим, что мы провели наблюдения и экспериментально измерили N пар
точек, представляющих функциональную зависимость у(х): {(xl,yl),...(xN,yN)} . Если
попытаться провести через эти точки наилучшую прямую, что на языке статистики будет
означать использование для описания неизвестной зависимости линейной модели
у = ах + Ъ + a ,
(где s обозначает шум при проведении наблюдения), то решение соответствующей
проблемы линейной регрессии сведется к нахождению оценочных значений параметров
, минимизирующих сумму квадратичных невязок.
N
к=\
Если параметры йи Ъ найдены, то можно оценить значение у для любого значения
х, то есть осуществить интерполяцию и экстраполяцию данных.
Та же самая задача может быть решена с использованием однослойной сети с
единственным входным и единственным линейным выходным нейроном. Вес связи а и
порог Ь могут быть получены путем минимизации той же величины невязки (которая
в данном случае будет называться среднеквадратичной ошибкой) в ходе обучения
сети, например методом backpropagation. Свойство нейронной сети к обобщению
будет при этом использоваться для предсказания выходной величины по значению
входа.
Y
^^^^^^^^^^
ь!
xi X
Рис. 1. Линейная регрессия и реализующий ее однослойный персептрон.
При сравнении этих двух подходов сразу бросается в глаза то, что при описании
своих методов статистика апеллирует к формулам и уравнениям, а нейрокомпьютинг
к графическому описанию нейронных архитектур.
Если вспомнить, что с формулами и уравнениями оперирует левое полушарие, а с
графическими образами правое, то можно понять, что в сопоставлении со
статистикой вновь проявляется "правополушарность" нейросетевого подхода.
Еще одним существенным различием является то, что для методов статистики не
имеет значения, каким образом будет минимизироваться невязка - в любом случае
модель остается той же самой, в то время как для нейрокомпьютинга главную роль
играет именно метод обучения. Иными словами, в отличие от нейросетевого
подхода, оценка параметров модели для статистических методов не зависит от метода
минимизации. В то же время статистики будут рассматривать изменения вида
невязки, скажем на
N
Т.\Ук-(ахк+ь)\,
к=\
как фундаментальное изменение модели.
В отличие от нейросетевого подхода, в котором основное время забирает
обучение сетей, при статистическом подходе это время тратится на тщательный анализ
задачи. При этом опыт статистиков используется для выбора модели на основе
анализа данных и информации, специфичной для данной области. Использование
нейронных сетей - этих универсальных аппроксиматоров - обычно проводится без
использования априорных знаний, хотя в ряде случаев оно весьма полезно. Например, для
рассматриваемой линейной модели использование именно среднеквадратичной ошибки
ведет к получению оптимальной оценки ее параметров, когда величина шума s имеет
нормальное распределение с одинаковой дисперсией для всех обучающих пар. В то
же время если известно, что эти дисперсии различны, то использование взвешенной
функции ошибки
N
Лск1Ук ~(ахк +Ь)Т
к=1
может дать значительно лучшие значения параметров.
Помимо рассмотренной простейшей модели можно привести примеры других в
некотором смысле эквивалентных моделей статистики и нейросетевых парадигм
Табл. 2. Аналогичные методики
Нейронные сети
Статистические методы
Многослойный персептрон
Нелинейная (в т.ч. логистическая) регрессия,
Дискриминантные модели
Автоассоциативный персептрон
Анализ главных компонент
Векторная квантизация
Кластеризация с к-средними
Сети нейронов высоких порядков
Полиномиальная регрессия
Сеть Хопфилда имеет очевидную связь с кластеризацией данных и их факторным
анализом.
Факторный анализ используется для изучения структуры данных. Основной его
посылкой является предположение о существовании таких признаков - факторов,
которые невозможно наблюдать непосредственно, но можно оценить по нескольким
наблюдаемым первичным признакам. Так, например, такие признаки, как объем
производства и стоимость основных фондов, могут определять такой фактор, как масштаб
производства. В отличие от нейронных сетей, требующих обучения, факторный
анализ может работать лишь с определенным числом наблюдений. Хотя в принципе число
таких наблюдений должно лишь на единицу превосходить число переменных
рекомендуется использовать хотя бы втрое большее число значение. Это все равно
считается меньшим, чем объем обучающей выборки для нейронной сети. Поэтому
статистики указывают на преимущество факторного анализа, заключающееся в использовании
меньшего числа данных и, следовательно, приводящего к более быстрой генерации
модели. Кроме того, это означает, что реализация методов факторного анализа
требует менее мощных вычислительных средств. Другим преимуществом факторного
анализа считается то, что он является методом типа white-box, т.е. полностью
открыт и понятен - пользователь может легко осознавать, почему модель дает тот
или иной результат. Связь факторного анализа с моделью Хопфилда можно увидеть,
вспомнив векторы минимального базиса для набора наблюдений (образов памяти -
см. Главу 5). Именно эти векторы являются аналогами факторов, объединяющих
различные компоненты векторов памяти - первичные признаки.
Логистическая регрессия является методом бинарной классификации, широко
применяемом при принятии решений в финансовой сфере. Она позволяет оценивать
вероятность реализации (или нереализации) некоторого события в зависимости от
значений некоторых независимых переменных - предикторов: xi,...,xN. В модели
логистической регресии такая вероятность имеет аналитическую форму:
Pr (X) =(l+exp(-z ))-1, где z = а0+ aiXi+. . . + aNxN.
Нейросетевым аналогом ее очевидно является однослойный персептрон с
нелинейным выходным нейроном. В финансовых приложениях логистическую регрессию по ряду
причин предпочитают многопараметрической линейной регрессии и дискриминантному
анализу. В частности, она автоматически обеспечивает принадлежность вероятности
интервалу [0,1], накладывает меньше ограничений на распределение значений
предикторов . Последнее очень существенно, поскольку распределение значений
финансовых показателей, имеющих форму отношений, обычно не является нормальным и
"сильно перекошено". Достоинством нейронных сетей является то, что такая
ситуация не представляет для них проблемы. Кроме того, нейросети нечувствительны к
корреляции значений предикторов, в то время как методы оценки параметров
регрессионной модели в этом случае часто дают неточные значения.
В то же время многие нейронные парадигмы, такие как сети Кохонена или машина
Больцмана не имеют прямых аналогов среди статистических методов.
В каком-то смысле недоверие и даже "ревность" к нейросетевым методам в
сообществе статистиков аналогичны такому же отношению, существовавшему в недалеком
прошлом среди специалистов в области Искусственного Интеллекта. Теперь же
Значительную часть публикаций в журналах типа Artificial Intelligence (AI) или AI
Expert составляют работы, посвященные нейронным технологиям. В настоящее время
в статистическом сообществе растет интерес к нейронным сетям, как с
теоретической, так и с практической точек зрения. Это проявляется в инкорпорации нейро-
сетевых средств в стандартные статистические пакеты, такие как SAS и SPSS.
Что лучше, статистические
методы или нейронные сети?
Лучшим ответом на этот сугубо практический для прикладника вопрос является
"It depends". По-русски это означает "Все зависит от ситуации". Иногда,
особенно если априорная информация о данных отсутствует, разумнее использовать
нейронные сети. Такой выбор часто дает быстрое и качественное решение задачи, как
правило, не худшее, чем получаемое статистическими методами после тщательного
изучения структуры данных.
Иногда высказывается такое мнение, что статистические методы предназначены
для профессионалов, поскольку их использование требует основательной
теоретической подготовки. В то же время, нейронные сети - это инструмент любителей,
который можно быстро освоить и применять. Как бы то ни было, разработка нейросе-
тевой системы анализа данных действительно может быть осуществлена за
значительно более короткое время (порядка нескольких месяцев) нежели создание
аналогичной системы статистического анализа (требующее годы). Например, бизнес-
стратег Дэниэл Баррас, автор "Technotrands: How to Use Technology to Go Beyond
Your Competition" утверждает, что для того, чтобы остаться конкурентоспособным,
деловой человек должен не только использовать инструменты будущего, но и
использовать их по-новому. В частности, нейросетевые технологии снабжают людей
экспертизой, которая прежде могла быть получена лишь в течение многих лет
обучения и опыта.
При наличии дополнительных знаний о характере задачи статистические данные
могут оказаться предпочтительнее. При сравнительном анализе возможностей
нейронных сетей и статистических методов надо быть достаточно осторожными,
поскольку иногда весьма сложные нейросетевые подходы сопоставляются с простыми
статистическими моделями или наоборот. Существует мнение, что одинаково мощные
статистические и нейросетевые подходы дают результаты одинаковые по точности и
по затратам. Тем не менее, примеры решения действительно важных прикладных
задач могут дать представление о возможностях того или иного подхода.
Очень важной является проблема диагностирования инфаркта миокарда в приемном
покое. Опытные врачи правильно определяют это заболевание в 88% случаев и в 29%
случаев дают ложную тревогу. Разнообразные статистические методы, включая дис-
криминантный анализ, логистическую регрессию, рекурсивный анализ распределений
и пр. смогли лишь незначительно снизить число ложных тревог (до 26%) . А вот
Вильям Бакст, работающий на медицинском факультете университета в Сан-Диего,
использовал для диагностики многослойный персептрон и повысил число правильно
диагностированных инфарктов до 92%. Но более впечатляющим его результатом было
снижение числа ложных тревог до 4%(!). Заметим, что такое значительное
уменьшение ложно-положительных реакций является достаточно типичным преимуществом
использования нейронных сетей. Эта особенность стимулирует в настоящее время
разработку нейросетевых систем диагностики рака молочной железы, для которой
ложные диагнозы являются настоящим бичом.
Дэвид Эшби и Нед Кумар из Школы Бизнеса в Арканзасе сравнили результаты
применения нейросетевой технологии и классического дискриминантного анализа к
предсказанию невыполнения обязательств по высокодоходным облигациям ("junk-
bonds") . Такие облигации являются в настоящее время основным источником
внешнего финансирования американских корпораций. Невыполнение обязательств означает
либо потерю интереса к компании, либо потерю финансирования. Поскольку операции
с такими облигациями носят ярко выраженный спекулятивный характер, то
предсказание выхода их из игры представляет интерес для ее участников. Задача состоит
в классификации облигаций на два класса: выполнят - не выполнят. Первичный
набор признаков, характеризовавших каждую облигацию, включал 29 финансовых и
рыночных показатели фирм, из которых после корреляционного анализа было отобрано
16. Линейный дискриминантный анализ позволил провести классификацию с точностью
87.5%, в то время как двухслойный персептрон (16 нейронов в скрытом слое) дал
несколько лучший результат - 89.3% правильных ответов.
Нейронные сети помогают выявить связи между данными в тех случаях, когда
статистические методы не справляются с задачей. Например, статистика не
позволяет найти корреляцию в последовательностях ДНК двух бактериофагов PHIX174 и
MIG4XX, хотя было известно, что они являются ближайшими родственниками.
Использование сетей Хопфилда для поиска в этих последовательностях скрытых повторов
(периоличностей), обеспечившее учет корреляций между нуклеотидными парами, не
только показало несомненную близость геномов этих фагов, но и
продемонстрировало, что они представляют собой гены, "сбежавшие" с комплементарных цепей ДНК-
предшестенницы.
Почему статистики
ревнуют специалистов
по нейронным сетям,
а не наоборот?
Среди так или иначе конкурирующих методологий (а нейронные сети и статистика
имеют общую часть "электората" - анализ данных), как правило, побеждает не
более обоснованная и надежная, а та, что ставит новые задачи для исследования
(Имре Лакатош). Нейрокомпьютинг гораздо более молодая отрасль знания, нежели
статистика. Он бросает многочисленные вызовы специалистам различных профессий:
биологам, физикам, психологам, математикам и другим. Кроме того, сфера теории
нейронных сетей гораздо шире анализа данных. Она включает в себя и
моделирование мозга, и разработку нейрокомпьютеров. Статистики не могут претендовать на
соревнование в этих областях и ревностно следят за претензиями нейрокомпьютинга
на их экологическую нишу.
Перекрестное опыление
Конструктивный взгляд на взаимоотношение нейронных сетей и статистических
методов заключается в том, что в общем случае они должны помогать друг другу и
обогащать друг друга. Кристоф и Пьер Кувре назвали такой процесс перекрестным
опылением.
Например, было показано, что нейросетевые классификаторы оценивают
апостериорную Байесовскую вероятность и поэтому аппроксимируют оптимальный
статистический классификатор с минимальной ошибкой. Подобная статистическая интерпретация
значений выходов нейронной сети позволяет, в частности, компенсировать обычно
существующие диспропорции в объемах примеров, представляющих в обучающей
выборке различные классы.
Практические выводы
Джон Такер провел тщательное сравнительное исследование использования
логистической регрессии и нейронных сетей и определил следующее их принципиальное
различие, которое сохраняет свое значение и при общем сопоставления статистики
и нейрокомпьютинга. В то время как статистические методы фокусируются на
оптимальном методе выбора переменных, нейрокомпьютинг ставит во главу угла предоб-
работку этих переменных. Если нейронная сеть представляет собой многослойный
персептрон, то функцией скрытых слоев и является такая последовательная
предобработка данных. Вследствие этого нейронные сети занимают уникальное место среди
методов обработки данных, превосходя их в универсальности и сложности,
оставаясь при этом data-driven методом мало чувствительным к форме данных как
таковых.
Главный практический вывод, который может сделать читатель, сводится к фразе,
уже ставшей афоризмом:
"Если ничего не помогает, попробуйте нейронные сети".
Нейронные сети и
экспертные системы
Рассмотрим теперь отношения нейрокомпьютинга и экспертных систем. Обе эти
технологии иногда относят к направлению Искусственный Интеллект, хотя, строго
говоря, термин искусственный интеллект появился в 70-е годы в связи с
экспертными системами, как направления альтернативного нейронным сетям.
Первая конференция по проблемам искусственного интеллекта состоялась в США в
1969 году - в этом же году и была опубликована критическая книга Минского и
Пейперта "Персептроны".
Его основатели - Марвин Минский и Эдвард Фейгенбаум посчитали излишней
апелляцию к архитектуре мозга, его нейронным структурам, и декларировали
необходимость моделирования работы человека со знаниями. Тем самым, поставив в центр
внимания операции с формально-логическими языковыми структурами, они заведомо
выбрали ориентацию на имитацию обработки информации левым полушарием мозга
человека. Системы обработки таких формализованных знаний были названы
экспертными, поскольку они должны были воспроизводить ход логических рассуждений
эксперта (высокопрофессионального специалиста) в конкретной предметной области. Эти
рассуждения проводятся с использованием правил вывода, которые инженер знаний
должен извлечь у эксперта.
Заметим, что в настоящее время распространено более широкое толкование систем
искусственного интеллекта. К ним относят не только экспертные, но и нечеткие
системы, нейронные сети и всевозможные комбинации, такие как нечеткие
экспертные системы или нечеткие нейронные системы. Отдельным направлениями, выделяются
также эвристический поиск, в рамках которого в 80-е годы Ньюэллом и Саймоном
был разработан Общий Решатель Задач (GPS - General Problem Solver), а также
обучающиеся машины. И если GPS не мог решать практические задачи, то машинная
обучающаяся система EURISCO внесла значительный вклад в создание СБИС, изобретя
трехмерный узел типа И/ИЛИ.
Однако, экспертные системы претендовали именно на решение важных прикладных
задач прежде всего в таких областях, как медицина и геология. При этом
соответствующая технология в сочетании с нечеткими системами была в 1978 году положена
японцами в основу программы создания компьютеров 5-го поколения.
Парадокс искусственного интеллекта заключается в том, что как только
некоторая, кажущаяся интеллектуальной, деятельность оказывается искусственно
реализованной, она перестает считаться интеллектуальной. В этом смысле наибольшие
шансы остаться интеллектуальными имеют как раз нейронные сети, из которых еще не
извлечены артикулированные знания.
Сопоставление экспертных систем и нейрокомпьютинга выявляет различия, многие
из которых характерны для уже отмечавшихся в первой лекции различий обычных
компьютеров (а экспертные системы реализуются именно на традиционных машинах,
главным образом на языке ЛИСП и Пролог) и нейрокомпьютеров
Табл. 3. Сравнение методов нейронных сетей и экспертных систем
Нейронные сети
Экспертные системы
Аналогия
правое полушарие
левое полушарие
Объект
данные
знания
Вывод
отображение сетью
правила вывода
Важным преимуществом нейронных сетей является то, что разработка экспертных
систем, основанных на правилах требует 12-18 месяцев, а нейросетевых - от
нескольких недель до месяцев.
Рассматривая извлечение знаний из обученных нейронных сетей, мы уже показали,
что представление о них, как о черных ящиках, не способных объяснить полученное
решение (это представление иногда рассматривается как аргумент в пользу
преимущества экспертных систем перед нейросетями), неверно. В то же время, очевидно,
что, как и в случае мозга, в котором левое и правое полушарие действуют сообща,
естественно и объединение экспертных систем с искусственными нейронными сетями.
Подобные синтетические системы могут быть названы нейронными экспертными
системами - этот термин использовал Иржи Шима, указавший на необходимость интеграции
достоинств обоих типов систем. Такая интеграция может осуществляться двояким
образом. Если известна только часть правил, то можно либо инициализировать веса
нейронной сети исходя из явных правил, либо инкорпорировать правила в уже
обученные нейронные сети. Шима предложил использовать и чисто коннекционистскую
методику построения нейронных экспертных систем, которая обладает таким
достоинством, как возможность работы с неполными данными (ситуация типичная для
реальных баз данных). Такой возможностью обладают введенные им сети интервальных
нейронов.
Сети интервальных нейронов
Ситуация, в которой некоторые данные не известны или не точны, встречается
достаточно часто. Например, при оценке возможностей той или иной фирмы, можно
учитывать ее официально декларируемый капитал, скажем в 100 миллионов, но лучше
всего считать, что в действительности его величина является несколько большей и
меняется в интервале от 100 до 300 млн. Удобно ввести в данном случае
специальные нейроны, состояния которых кодируют не бинарные или непрерывные значения, а
интервалы значений. В случае, если нижняя и верхняя граница интервала
совпадают, то состояния таких нейронов становятся аналогичными состояниям обычных
нейронов .
Для интервального нейрона / на каждый его вход j подается не одно, а пара
значений, (а]., Ъ}^ определяющая гранит ты интервала, в котором лежит величина
воздействия j -го нейрона. Воздействие, оказываемое на / -й нейрон со стороны всех
связанных с ним нейронов само лежит в интервале (xt,y\ , где
I
(
а.
(
VI-1-е
-/К
1 + ел*".
Уг
IX,
а.
\\ + e^j i + e-
Д - обратная температура.
Интервальное значение, которое принимает / -й нейрон при данном воздействии,
равно
где
1-
Передаточная функция интервального нейрона приблизительно отражает идею моно-
тонности по отношению к операции интервального включения. Это означает, что при
в ^ со , если вход j-то нейрона лежит в интервале (арЬ^ , то выход / - го
нейрона, определенный по классической функции Ферми, обязательно попадет в интервал
(я;,#г-) • Интервальные нейроны могут являться элементами многослойных персептро-
нов. В этом случае их состояния вычисляются последовательно, начиная от
входного слоя к выходному. Для сетей интервальных нейронов может быть построено
обобщение метода обратного распространения ошибки, описание которого выходит за
рамки нашего курса.
Нейронные сети и
нечеткая логика
Системы нечеткой логики (fuzzy logics systems) могут оперировать с неточной
качественной информацией и объяснять принятые решения, но не способны
автоматически усваивать правила их вывода. Вследствие этого, весьма желательна их
кооперация с другими системами обработки информации для преодоления этого
недостатка. Подобные системы сейчас активно используются в различных областях, таких
как контроль технологических процессов, конструирование, финансовые операции,
оценка кредитоспособности, медицинская диагностика и др. Нейронные сети
используются здесь для настройки функций принадлежности нечетких систем принятия
решений. Такая их способность особенно важна при решении экономических и
финансовых задач, поскольку вследствие их динамической природы функции принадлежности
неизбежно должны адаптироваться к изменяющимся условиям.
Хотя нечеткая логика может явно использоваться для представления знаний
эксперта с помощью правил для лингвистических переменных, обычно требуется очень
много времени для конструирования и настройки функций принадлежности, которые
количественно определяют эти переменные. Нейросетевые методы обучения
автоматизируют этот процесс и существенно сокращают время разработки и затраты на нее,
улучшая при этом параметры системы. Системы, использующие нейронные сети для
определения параметров нечетких моделей, называются нейронными нечеткими
системами. Важнейшим свойством этих систем является их интерпретируемость в терминах
нечетких правил if-then.
Подобные системы именуются также кооперативными нейронными нечеткими
системами и противопоставляются конкурентным нейронным нечетким системам, в которых
нейронные сети и нечеткие системы работают вместе над решением одной и той же
задачи, не взаимодействуя друг с другом. При этом нейронная сеть обычно
используется для предобработки входов или же для постобработки выходов нечеткой
системы.
Кроме них имеются также нечеткие нейронные системы. Так называются нейронные
сети, использующие методы нечеткости для ускорения обучения и улучшения своих
характеристик. Это может достигаться, например, использованием нечетких правил
для изменения темпа обучения или же рассмотрением нейронных сетей с нечеткими
значениями входов.
Существует два основных подхода к управлению темпом обучения персептрона
методом обратного распространения ошибки. При первом этот темп одновременно и
равномерно уменьшается для всех нейронов сети в зависимости от одного
глобального критерия - достигнутой среднеквадратичной погрешности на выходном слое.
При этом сеть быстро учится на начальном этапе обучения и избегает осщ<шляций
ошибки на позднем. Во втором случае оцениваются изменения отдельных
межнейронных связей. Если на двух последующих шагах обучения инкременты связей имеют
противоположный знак, то разумно уменьшить соответствующий локальный темп - в
противном случае его следует увеличить. Использование нечетких правил может
обеспечить более аккуратное управление локальными темпами модификации связей. В
частности это может быть достигнуто, если в качестве входных параметров этих
правил использовать последовательные значения градиентов ошибки. Таблица
соответствующих правил может иметь, например следующий вид:
Табл. 4. Нечеткое правило адаптации темпа обучения нейронной сетию
Текущий градиент —»
Предыдущий градиент
NB
NS
Z
PS
РВ
NB
РВ
PS
Z
NS
NB
NS
NS
PS
Z
NS
NB
Z
NB
NS
Z
NS
NB
PS
NB
NS
Z
PS
NS
РВ
NB
NS
Z
PS
РВ
Лингвистические переменные «Темп Обучения» и «Градиент» принимают в
иллюстрируемом таблицей нечетком правиле адаптации следующие значения: NB - большой
отрицательный; NS - малый отрицательный; Z - близок к нулю; PS - малый
положительный; РВ - большой положительный.
Наконец, в современных гибридных нейронных нечетких системах нейронные сети и
нечеткие модели комбинируются в единую гомогенную архитектуру. Такие системы
могут интерпретироваться либо как нейронные сети с нечеткими параметрами, либо
как параллельные распределенные нечеткие системы.
Элементы нечеткой логики
Центральным понятием нечеткой логики является понятие лингвистической
переменной. Согласно Лотфи Заде лингвистической называется переменная, значениями
которой являются слова или предложения естественного или искусственного языка.
Примером лингвистической переменной является, например, падение производства,
если она принимает не числовые, а лингвистические значения, такие как,
например, незначительное, заметное, существенное, и катастрофическое. Очевидно, что
лингвистические значения нечетко характеризуют имеющуюся ситуацию. Например,
падение производства на 3% можно рассматривать и как в какой-то мере
незначительное, и как в какой-то мере заметное. Интуитивно ясно, что мера того, что
данное падение является катастрофическим должна быть весьма мала.
незначительное
заметное
катастрофическое
существенное
10 20 30 40 50
падение производства , %
Рис. 2. Функции принадлежности
лингвистической переменной «падение производства».
Смысл лингвистического значения X и характеризуется выбранной мерой - так
называемой функций принадлежности (membership function) ^ ^[0>Ч, которая
каждому элементу и универсального множества U ставит в соответствие значение
совместимости этого элемента с X . В нашем случае универсальным множеством является
множество всех возможных величин падения производства (от 0 до 100%).
Нечеткое правило связывает значения лингвистических переменных. Примером
такого правила может быть, например, следующее.
Если (падение производства - катастрофическое), то (доходы от экспорта
энергоресурсов - значительные).
Нечеткое подмножество универсального множества U характеризуется функцией
принадлежности juA: U —» [0,1], которая ставит в соответствие каждому элементу и е U
число juA (и) из интервала [ 0, 1 ] , характеризующее степень принадлежности элемента
и подмножеству А.
Носителем множества А называется множество таких точек в U, для которых
величина juA (и) положительна.
Нечеткие нейроны
Преобразование, осуществляемое типичным нейроном с двумя входами, имеет вид
У- f (w\x\+w2xi) ' гле /(') ~~ сяягмоидная функция. Для того, чтобы обобщить его,
нужно представить себе, что вес нейрона не обязательно должен умножаться на
значение соответственного входа, а здесь может быть применена какая-либо другая
операция. Далее, суммирование воздействий также может быть заменено неким
другим действием. Наконец, вместо сигмоидной функции потенциал нейрона может быть
преобразован каким-либо новым способом. В нечеткой логике операция умножения
заменяется для булевых переменных операцией И, а для числовых - операцией
взятия минимума (min). Операция суммирования заменяется соответственно операциями
ИЛИ и взятием максимума (max).
Если осуществить соответствующие замены в преобразовании, осуществляемом
знакомым нам нейроном, и положить в нем /(z) = z (линейный выход) , то мы получим так
называемый нечеткий ИЛИ-нейрон:
у = max{min(i4'1, хх), min(i4'2, х2)} .
Для нечетких нейронов полагается, что значения входов и весов заключены в
интервале [ 0, 1], поэтому и выход нейрона ИЛИ будет принадлежать этому же
интервалу.
Используя противоположную подстановку (умножениемmax) , (сложение^пип )
получим преобразование, характерное для нечеткого И-нейрона:
у = min{max(i4'1, хх), max(w2, х2)}
Извлечение правил if-then
В главе, посвященной извлечению знаний, мы уже познакомились с нейросетевыми
методами извлечения правил из данных. Настало время узнать, как можно извлечь с
их помощью нечеткие правила.
Рассмотрим набор нечетких правил
SR,-: Если х есть А± , то у есть В± , i = l,...,n.
Каждое из них может интерпретироваться как обучающая пара для многослойного
персептрона. При этом, условие (х есть А±) определяет значение входа, а
следствие (у есть В±) - значение выхода сети. Полное обучающее множество имеет вид
1,В1),...,(Ап,Вп)} . Заметим, что каждому лингвистическому значению А±, В±
соответствует своя функция принадлежности, так что каждое нечеткое правило определяет
связь двух функций.
Если же правила имеют более сложный вид, типа "два входа - один выход":
91г: Если х есть А± и у есть В± , то z есть С± , i = l,...,n,
то обучающая выборка принимает форму {(Д., Д.),Сг-} , i = l,...,n.
Существует два основных подхода к реализации нечетких правил типа if-then с
помощью многослойных персептронов.
В методе Умано и Изавы нечеткое множество представляется конечным числом
значений совместимости. Пусть [аг,а2] включает носители всех Д. , входящих в
обучающую выборку а также носители всех А' , которые могут быть входами в сети.
Предположим также, что [Д,Д] включает носители всех В. , входящих в обучающую
выборку, а также носители всех В' , которые могут быть входами в сети. Положим
x]=al+(j-l)(a2-al)/(N-l)J = l,...,N; N>1,
y1=Bi+(i-\)(B2-Bl)l(M-\)J = \...M; М>1,
Дискретный аналог обучающего множества правил (заменяющее функциональное)
имеет вид:
{(Д. (*,),..., Д. (xN )), (Д. (у,),.-, Д (Ум ))},/ = 1, • • •, п.
Если теперь ввести обозначения atj = Д(х;), Ъц = Bt(y.) , то можно представить
нечеткую нейронную сеть с N входными и М выходными нейронами (рис. 3)
О О О О О О О
X
X
X
Рис. 3. Нечеткая нейронная сеть и треугольные функции
принадлежности входных и выходных переменных.
Пример 1. Предположим, что обучающая выборка включает три правила:
IRj! Если город мал, то доход от продажи бриллиантов отрицателен,
912: Если город средний, то доход от продажи бриллиантов близок к нулю,
913: Если город велик, то доход от продажи бриллиантов положителен.
Функции принадлежности определим как
и
, 0<w< 50000
50000' ^ДОХОД<0И =
0, и> 50000
(ii):
1-
и,-\<и<0
0,w>0
я,
,(11):
и
50000:
300000 -и
0<и< 50000
250000
50000<w< 300000 uJu)
\-2\u\, \и\<0.5
0, \и\> 0.5
О, w > 300000
м5
о,
w — 50000
250000 :
1,
w <50000
50000<w< 300000 и.
и> 300000
что доход не
'доход >
0 и
\и, 0<и<1
I 0, w<0
превышает 100% или 1.0 в относительных
(Здесь предполагается,
величинах)
Тогда обучающая выборка принимает форму:
{(малый, отрицательный), (средний, близок к нулю), (большой, положительный)}
Если носитель множества входов [0, 10 ООО ООО], то для покрытия множества
населения городов равномерной сеткой, захватывающей и малые города, понадобится
несколько сот точек. Поэтому, ограничимся городами с населением 1 ООО ООО
человек. Тогда можно выбрать jV = 50-100. Носитель множества выходов [-1,1] может
быть описан набором из М = 5-10 . Таким образом, в рассматриваемом случае сеть
будет иметь умеренные размеры (например 50 - ... - 5) и 3 пары в обучающем
наборе.
В методе Уехары и Фуджицы вместо разбиения равномерной сеткой области,
покрывающей носители всех функций принадлежности, равномерно разбивается область
изменения этих функций [0,1]. Здесь видна явная аналогия с переходом от
интегрирования по Риману к интегралу Лебега. Остальные действия аналогичны уже
описанным.
Адаптация функций
принадлежности
В главе, посвященной извлечению знаний из обученных нейронных сетей, мы
познакомились с методами интерпретации отображения сетью входной информации в
выходную с помощью правил типа неравенств, правил m-of-n и других. В теории
нечетких множеств соответствующие нечеткие правила уже изначально имеют наглядный
смысл. Например,
IRj! если разрыв между бедными и богатыми высок, то уровень преступности
повышен.
Конечно, заманчиво иметь возможность получения не только качественного, но и
количественного правила, связывающего уровень разрыва в доходах с
преступностью. Мы знаем, что нейронные сети типа персептрона являются универсальными ап-
проксиматорами и могут реализовать любое количественное отображение. Хорошо бы,
поэтому построить нейронную сеть так, чтобы она, во-первых, воспроизводила
указанное нечеткое качественное правило (чтобы изначально знать интерпретацию
работы сети) и, во-вторых, давала хорошие количественные предсказания для
соответствующего параметра (уровня преступности). Очевидно, что добиться этого
можно подбором соответствующих функций принадлежности. А именно, задача состоит в
том, чтобы так определить понятия "высокий разрыв в доходах" и "повышенный
уровень преступности", чтобы выполнялись и качественные и количественные
соотношения. Нужно, чтобы и сами эти определения не оказалось дикими - иначе придется
усомниться в используемом нами нечетком правиле. Если такая задача успешно
решается, то это означает успешный симбиоз теории нечетких множеств и нейронных
сетей, в которых "играют" наглядность первых и универсальность последних.
Заметим, что использованные нами ранее функции принадлежности носили
достаточно специфический характер (так называемую треугольную форму). Успех же
сочетания нечетких моделей существенно зависит от разумного нечеткого разбиения
пространств входов и выходов. Вследствие этого, задача адаптации функций
принадлежности может быть поставлена как задача оптимизации, для решения которой и
могут использоваться нейронные сети. Наиболее простой путь для этого
заключается в выборе некоторого вида функции принадлежности, форма которой управляется
рядом параметров, точное значение которых находится при обучении нейронной
сети.
Рассмотрим соответствующую методику на следующем примере. Обозначим:
х1 - курс доллара США ($) по отношению к немецкой марке (DM);
х2 - курс доллара США ($) по отношению к шведской кроне (SK);
х3 - курс доллара США ($) по отношению к финской марке (FM);
Предположим, что мы имеем три нечетких правила:
9^: если $ слаб по отношению к DM и слаб по отношению к SK и слаб по отношению
к FM, то величина портфеля очень высока
912:если $ силен по отношению к DM и силен по отношению к SK и слаб по
отношению к FM, то величина портфеля высока
913:если $ силен по отношению к DM и силен по отношению к SK и силен по
отношению к FM, то величина портфеля мала.
Формально, эти правила можно записать следующим образом:
IRj! если Xj есть Li и х2 есть L2 и х3 есть L3 ,то PV есть VB
912: если х1 есть Hi и х2 есть Н2 и х3 есть L3 ,то PV есть В
91,: если х, есть Hi и х, есть Н2 и х, есть Н3 ,то PV есть S
Для всех нечетких правил L± и Н± используем сигмоидные функции принадлежности
А(0=1 + е)<(м), Ш=1 + е\«,»> L,(t) + Ht(t).
Для нечетких оценок величины портфеля вводятся следующие функции
принадлежности
SW = Y^**>> Д(')=1 + Л*')» ^(0+ 5(0 = 1-
re(0=1 + e,l-^), VB(t) = i + elr(t_9+C) .
Предположим, что точные количественные значения курса доллара по отношению к
немецкой марке, шведской кроне и финской марке равны а1,а2,а3, соответственно.
Поскольку любые значения этих курсов являются в какой-то мере слабыми и в
какой-то мере сильными (а соответствующие меры определяются функциями
принадлежности) , то все три правила вступают в игру. В этом случае можно определить
уровень активация каждого из них:
ах = min(Z1 (al), L2 (а2), L3 (а3))
а2 = min(^ (arj), Н2 (а2), Ь3 (а3))
а3 = ш1п(Я1 (а1), Н2 (а2), Н3 (а3))
Теперь можно вычислить и количественные оценки величины портфеля, даваемые
каждым из наших правил,
1 1 - а,
z, =VB-\a,) = & + C + -\n 1
у ах
, 1 1 - а9
z2 =В\а2) = 3 + -\п -
у а2
z3 = S l(a3) = 9
1 I- a3
— In
Г
a.
Оценка величины портфеля получается усреднением вышеприведенных оценок по
уровням активации каждого из правил
alzl + a2z2 + a3z3
al+ а2+ a3
Ниже на рисунке приведена архитектура нейронной сети, эквивалентной описанной
выше нечеткой системе (рис. 4).
слой 1 слой 2 слой 3 слой 4 слой 5
Рис. 4. Нейронная сеть (нечеткий персептрон), входами которой являются
лингвистические переменные, выходом - четкое значение величины
портфеля. Скрытые слои в нечетком персептроне называются слоями правил.
Значения выходов в узлах первого слоя отражают степень соответствия входных
значений лингвистическим переменным, связанными с этими узлами. Элементы
второго слоя вычисляют значения уровней активации соответствующих нечетких правил.
Выходные значения нейронов третьего слоя соответствуют нормированным значениям
этих уровней активации с. - Щ I^L cct. Выходные значения нейронов четвертого слоя
вычисляются как произведения нормированных значений уровней активации правил на
значения величины портфеля, соответствующего данной их (ненормированной)
активации:
c,z, = сув~х(a,), c2z2 = с2В\а2), c,z, = c,S~l(а.) .
Наконец, единственный выходной нейрон (слой 5) просто суммирует воздействия
нейронов предыдущего слоя.
Если мы имеем набор обучающих пар, содержащих точные значения курсов обмена
хк и точные значения величины портфеля ук : {(х1 ,ух),...,(хК,уК) , то определив ошибку
сети для к-й обучающей пары обычным образом, как Ek = \(ук - ок)2 (ок - реальное
значение состояния выходного нейрона), можно использовать метод градиентного
спуска для коррекции значений параметров, управляющих формой функции
принадлежности лингвистической переменной "величина портфеля":
дЕк г/ ах + а2 - а
y(t + \) = y(t)-?]—^ = r(t)-^2-ek
9(t + \) = 9(t)-r1^ = 9(t)-r1Skl
ду у~ а\ + а2 +а
39
сЕ ос
at+1)=at) -n-£ = at)+Фк ^ ' ,
oQ al+a2 + a3
8k =(yk ~ok) .
Аналогичным образом выводятся уравнения коррекции для параметров, управляющих
формой функций принадлежности нечетких понятий слабый L± и сильный Н± курс
доллара : Д, вг., / = 1,2,3. Легко заметить, что особенностью описанного нами совместного
использования нейросетевого и нечеткого подходов заключается в том, что
адаптируются не величины связей между нейронами, а формы нелинейного преобразования,
осуществляемого нейронами (формы функции принадлежности). С нейрокомпьютерной
точки зрения достоинства нечетких моделей как раз и связано с нелинейностью
функции принадлежности. Фиксирование и изначальное задание архитектуры сети
позволяет интерпретировать ее решения. И что особенно важно, описанный подход, по
сути, позволяет инкорпорировать априорные знания в структуру нейронной сети.
Нейронные сети и
статистическая физика
Данная тема заслуживает не одной книги и ей действительно посвящена
обширнейшая литература. В настоящем курсе лекций мы не можем хоть сколько-нибудь
подробно остановится на ней. Рассмотрим кратко лишь применение соответствующих
идей к анализу сети Хопфилда. Демонстрация тесной аналогии, существующей между
спиновыми стеклами и нейронными сетями, определила массированное и плодотворное
вторжение методов статистической физики в теорию нейронных сетей в начале
восьмидесятых годов. Сеть Хопфилда со стохастическими нейронами и явилась главной
моделью, в которой применение этих методов оказалось наиболее значительным. Это
чрезвычайно плодотворное обобщение модели, в некотором смысле эквивалентное
переходу к сетям с градуальными нейронами. В нем нейроны являются стохастическими
элементами, и это обстоятельство открывает путь использованию методов
статистической физики для анализа свойств ассоциативной памяти.
Стохастические нейроны
Стохастический нейрон, как и в оригинальной модели Хопфилда, является
бинарным - его состояние s,. принимает значения ±1. Однако то, в какое состояние
перейдет нейрон, связано со значением потенциала /г, не однозначно, а случайным
образом. Именно, вероятность перехода нейрона в состояния ±1: Pr(s. (7 +1) = l) = /(/гг),
Рг(5г (t +1) = -1) = f(-ht) = 1 - f(ht) , или иначе
Pi(s,(f + 1)) = /(/*),
1
где /(h)- распределение Ферми: f(h)= _2/lh , удовлетворяющее необходимым
условиям 0 < /(h) < 1; /(h) + f {-И) = 1 , и В= Г 1 - обратная температура. В
низкотемпературном пределе 7'—»0 распределение Ферми переходит в пороговую функцию, и
поведение сети из стохастических нейронов становится аналогичным поведению сети
Хопфилда, составленной из обычных бинарных нейронов.
Приближение
среднего поля
Поскольку динамика состояний стохастических нейронов является вероятностной,
можно интересоваться только средней активностью, или же ожидаемыми значениями
их состояний
s (1)./(/;) •( 1)./( h.
В силу нелинейности функции Ферми усреднение ее затруднительно, но в
приближении среднего поля (f(hfj = /((/*)) можно получить следующую замкнутую систему
уравнений.
-20(>h) ( Л
1-
1 + е
tanh(/?(A,.))
tanh
v
J
Фазовые переходы
На простом примере можно убедиться, что свойства сети критическим образом
зависят от температуры в1 . Действительно, если величины всех синаптических связей
положительны и равны между собой: Vw.
(такая система эквивалентна
ферромагнетику) , то все уравнения системы сводятся к одному
y{Sl) = (s) = tmh(/3(s)) .
Решение этого уравнения зависит от крутизны наклона функции гиперболического
тангенса в начале координат (см. рис. 5). При высокой температуре (Г > 1, В < 1)
уравнение имеет только тривиальное решение st =0 . Это означает, что состояния
всех нейронов беспорядочно флуктуируют, принимая с равной вероятностью значения
±1 .
tanh(/3(s))
tanh(/3(s))
Рис. 5. Иллюстрация к характеру решений уравнения среднего поля в
приближении высокой и низкой температур.
Однако, при снижении температуры ниже точки Кюри Т =1 в системе происходит
фазовый переход, при котором тривиальное решение становится неустойчивым, а у
уравнения среднего поля появляется еще два устойчивых нетривиальных решения
±S0.
Такое поведение характерно и для общего случая. Мы увидим далее, что в модели
Хопфилда свойства ассоциативного запоминания и вызова образов проявляются в
некоторой области температуры и дополнительного параметра - степени загрузки
памяти. Вне этой области система переходит в неупорядоченное состояние.
Сеть Хопфилда с
Хеббовскими связями
Рассмотрим интересующий нас случай сети, в которой связи вычислены по Хеббов-
скому правилу, исходя из вида Р запоминаемых векторов. В этом случае уравнения
среднего поля принимают вид
(
tanh
Nil ' 1
Если сеть работает как ассоциативная память, то разумно предположить, что
каждому запоминаемому вектору стк должно соответствовать некоторое решение
системы, совпадающего с ним с точностью до постоянного множителя
(s) = m<jk .
Подставляя это выражение в уравнения среднего поля и используя предположение,
что все векторы памяти не коррелированны и значения их компонент с равной
вероятностью принимают значения ± 1 , получим:
даст
tanh
Вт of + BmN1 £ of £ <rj о)
tanh
Brno* + ВтО
\P-l
N ,
В пределе N —» оо, Р «N получаем знакомое уравнение для множителя m:
т = tanh(Вт) .
Вновь при высокой температуре (Г>1) это уравнение имеет только тривиальное
решение и усредненная по времени конфигурация состояний нейронов не имеет
ничего общего с запоминаемыми образами. При (Г<1) уравнение имеет два решения
т = +тп , для которых средняя конфигурация активностей указывает на одно из
запоминаемых состояний (7к , или на его "зеркального двойника" - ск . Из этих
состояний однозначно восстанавливаются образы памяти. Однако, если сделать
моментальный снимок состояния сети, то в силу флуктуации она практически никогда не
находится ни в одном из состояний памяти, всегда воспроизводя их с некоторой
ошибкой. Теоретически было показано, что загрузка памяти, а = P/N , оказывает на
поведение системы такое же влияние, как температурный параметр в распределении
Ферми. Когда этот параметр мал, каждому из запоминаемых некоррелированных
образов соответствует стационарное состояние сети. Однако, при приближении его к
критической емкости ас = 0.138 , сеть внезапно теряет все свойства памяти. В
плоскости координат (а, Т) области памяти и неупорядоченного поведения сети
разделены границей, при пересечении которой происходит соответствующий фазовый
переход. Более детальный анализ выявляет на фазовой диаграмме следующие 4 области:
• парамагнитную (Р) фазу, в которой любой порядок разрушается высокой
температурой ;
• фазу спинового стекла (SG), в которой состояние сети не может
эволюционировать к запомненным образам;
• смешанную (F+SG) - в ней запомненные образы метастабильны;
• ферромагнитную (F) - в ней всем запоминаемым образам соответствуют
глобальные минимумы энергии.
Наличие тепловых флуктуации снижает вероятность попадания сети в состояние
ложных минимумов. Критическая температура, при которых множество таких
минимумов становится неустойчивыми, равна Т3 « 0.46 . Таким образом тепловой шум улучшает
свойства памяти и наиболее благоприятным температурным интервалом работы сети
является Т3 <Т <ТС .
1.5
т
0.0
0.5 -
1.0
0.0
а=0.138
0.00 0.05 0.10 0.15
0.00 0.05 0.10 0.15
а
а
Рис. 6. Упрощенная и детальная диаграммы фазовых состояний сети Хопфилда.
Литература
1.С. Couvrer and P. Couvrer. "Neural Networks and Statistics: A Naive
Comparison". Belgian Journal of Operations Research, Statistics and
Computer Sciences. 36, No 4, 1997
2. J. Tucker. "Neural Networks versus Logistic Regression in Financial
Modelling: A Methodological Comparison", http://www.bioele.nuee.nagoya-
u.ac.jp/wscl/papers/p031.html
3. W.S. Sarle. "Neural Networks and Statistical Models". Proceedings of the
Nineteenth Annual SAS Users Group International Conference, Cary, NC, SAS
Institute, April 3-4, 1994, 1538-1550.
ГЛАВА 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
«Плохая награда учителю, если ученики его
так и остаются учениками».
Ф. Ницше, Так говорил Заратустра
Лекции, составляющие этот краткий курс, конечно, далеко не исчерпывают тему.
Мы успели затронуть лишь малую долю всех возможных приложений искусственных
нейросетей к задачам экономики и бизнеса. Это диктовалось как ограниченным
объемом данной книги, так и нашим стремлением поподробнее остановиться хотя бы на
нескольких приложениях, может быть в ущерб полноте охвата.
Чтобы как-то компенсировать этот недостаток, приведем в заключении несколько
дополнительных примеров нейроприложений в области экономики и бизнеса. В
следующих изданиях мы надеемся поподробнее изложить и этот материал. Пока же эти
примеры призваны лишь "запитать" воображение читателя, облегчив ему поиск
аналогичных перспективных приложений нейротехнологий.
Оценка
стоимости
недвижимости
Нейросетевых оценщиков недвижимости можно найти в Internet, например, по
адресам:
• http://www.neuralbench.ru/RUS/APP/REALEST.HTM - оценщик стоимости
подмосковных дач,
• http://canopus.lpi.msk.su/neurolab/NNgallery/NNlive/nnrieltor/Neurielt.html
- оценщик стоимости квартир в Москве.
Последняя программа, в создании которой один из авторов принимал
непосредственное участие, представляет собой нейросеть, обученную на реальной базе
данных. Пользователю достаточно заполнить стандартный бланк характеристик
квартиры, включая район и степень удаленности от ближайшей станции метро, и ему
мгновенно выдается средневзвешенная "рыночная" цена такой квартиры, полученная ней-
росетью обобщившей все накопленные в базе данные по известным предложениям.
Карта
состояний
фондового рынка
Каждый день фондового рынка характеризуется сотнями параметров - котировками
всех составляющих его акций. Можно ли как-то визуализировать состояние этого
рынка, ввести обобщенные координаты, наиболее полно характеризующие его?
Читатель может легко убедиться, что эта задача аналогична визуализации массивов
банковской информации, только вместо конкретного банка, характеризуемого своим
балансом, здесь выступает исторический момент фондового рынка. В группе
нейрокомпьютинга ФИАН была построена такого рода карта состояний российской торговой
системы, на которой история рынка выглядит как траектория, выписывающая сложные
кривые.
Транспонировав базу данных, получим набор компаний-эмитентов, каждая из
которых характеризуется своей историей движения акций. Теперь можно, напротив,
построить самоорганизующуюся карту Кохонена всех российских компаний,
кластеризующие их по степени коррелированности рыночных движений.
Карта состояний
российских предприятий
Предприятия характеризуются не только динамикой их ценных бумаг, но также
различными экономическими показателями, отражающими его реальные успехи в
бизнесе. В частности, таблицы важнейших экономических показателей двухсот самых
крупных российских компаний ежегодно публикует журнал "Эксперт". Опять же,
самоорганизующиеся карты Кохонена дают возможность комплексного сравнения
положения флагманов российской индустрии, позволяют обозреть российскую
промышленность в целом и проанализировать тенденции ее развития.
Подобные примеры можно множить и множить. В частности, в вышедшей в 1997 году
в издательстве "ТВП" книге Бэстенса, ван ден Берга и Вуда "Нейронные сети и
финансовые рынки. Принятие решений в торговых операциях" можно найти
дополнительные примеры применения нейросетей для прогнозирования денежных потоков и
налоговых поступлений, оценки индексов акций и управления портфелями.
Мы же, напомним, в этой книге стремились выделить главные особенности новой
технологии обработки данных с помощью искусственных нейросетей. Насколько это
нам удалось - судить читателю. Нам же остается надеяться, что книга окажется
полезной хотя бы для некоторых из них, и тем самым внесет свой вклад в
распространение идей нейрокомпьютинга в России.
Ликбез
ПРОИСХОЖДЕНИЕ МОЗГА
СВ. Савельев
ГЛАВА II. ВОЗНИКНОВЕНИЕ
НЕРВНЫХ КЛЕТОК И МОЗГА1
Причиной возникновения нервной системы стала низкая скорость получения
информации о внешнем и внутреннем мире организма с донервной организацией. Его
ткани состояли из клеток со сходной химической, световой и механической
чувствительностью. Такой организм не мог оперативно получить дифференцированные
сведения из внешнего мира и от собственного тела. Решение проблемы без
участия нервной системы было найдено растениями и одноклеточными животными, что
разбиралось в главе I. Этот путь оказался биологически очень успешным и
привёл к появлению процветающих групп организмов. Можно сказать, что растения и
одноклеточные животные выиграли ничуть не меньше, чем животные с развитой
1 Начало в №9 За 2009 г.
нервной системой. Тем не менее, нервная система возникла. Она давала одно, но
огромное преимущество, которого невозможно достичь при помощи универсальных
свойств неспециализированных клеток. Это увеличение скорости реакции
организма на изменяющиеся внутренние и внешние условия. Как только нервная система
позволила животным быстро адаптироваться к изменяющимся условиям, активно
разыскивать пищу и половых партнёров, наступило время динамичной эволюции
животного мира. Скорость решала почти все проблемы. Конкуренция за источники
питания привела к появлению бесконечного разнообразия растительноядных
организмов, но они сами были питательнее растений. Ещё более быстрые и
эффективные хищники должны были обладать более совершенной нервной системой, чем
травоядные. Это касалось как позвоночных, так и беспозвоночных животных. Кто
обладал эффективной нервной системой, тот быстрее поднимался на вершину пищевой
цепочки, питаясь не грубой растительной пищей, а калорийными родственниками.
В самом общем виде эта ситуация сохранилась и в социальных структурах высших
приматов.
Преимущества и достоинства нервной системы вполне понятны. Причины её
появления вполне логичны и не вызывают сомнения. Совершенно иная ситуация с
вопросом о том, как это произошло. Нет ясного представления о механизмах
появления первых нервных клеток. Почему они дифференцировались от других тканей и
от чего возникли их уникальные свойства? Почему мозг позвоночных имеет 5
гомологичных отделов? Почему так различно поведение животных из одной
систематической группы и так сходно у отдалённых видов? Как возникли и строились
ассоциативные центры на различных структурных принципах? Эти вопросы пока
остаются без ответа. Не менее принципиальны проблемы становления мозга при
появлении первых хордовых, выходе позвоночных на сушу, появлении птиц и
млекопитающих. Эти глобальные эволюционные события требовали перестройки нервной
системы и органов чувств. Как это могло произойти с такой консервативной и
инертной системой, как мозг? Его же нельзя частично выключить из работы или
рудиментировать, как задние конечности у китообразных. В нервной системе
происходили процессы, совершенно не похожие на эволюцию конечностей,
позвоночника , сердца, лёгких или хвоста. Эволюционные преобразования в нервной системе
не укладываются полностью в рамки традиционной морфологической методологии. В
связи с этим мне пришлось несколько адаптировать приёмы эволюционной
морфологии к реконструкции событий, произошедших в непроверяемом прошлом.
Происхождение
нервных клеток
Происхождение нервных клеток в процессе эволюции животных довольно спорно.
Существует несколько основных точек зрения на эту проблему. Наибольшее
распространение получила точка зрения братьев Гертвигов. Их гипотеза состоит в
том, что нервные и мышечные клетки происходят из эктодермального эпителия.
Они возникают независимо друг от друга и вступают во взаимодействия уже
вторично (рис. II-1, а-в). В соответствии с гипотезой Гертвигов источником всех
нервных клеток является первичная чувствительная клетка, возникшая из
эктодермы и получившая возможность воспринимать раздражения, генерировать и
проводить возбуждение. Специализированные отростки этих клеток вступают в связь
с независимо возникшими мышечными клетками. По мнению авторов этой гипотезы,
мышечные волокна возникли из клеток, сходных с эпителиально-мышечными
клетками кишечнополостных. Такой простейший нервно-мышечный комплекс развивается по
пути дифференциации нервного аппарата, что приводит к возникновению
вставочных нейронов или ганглиев (см. рис. II-1, в) . Нервная система подразделяется
на чувствительные клетки, лежащие в эктодерме, и вставочные нейроны,
обладающие интегративной функцией. Вставочные нейроны являются предвестниками цен-
трализации обработки сенсорной информации и возникновения мозга. На выходе
расположены эффекторные нейроны, иннервирующие мышцы и железы.
Рис. 11-1. Две гипотезы происхождения нервных и мышечных клеток:
а-в — гипотеза братьев Гертвигов; г-е — гипотеза Клейненберга-
Заварзина. По гипотезе Гертвигов нервные и мышечные клетки
происходят независимо из эктодермы, а затем объединяются в нервно-
мышечный комплекс. По представлениям Клейненберга-Заварзина, из
эктодермы возникает клетка одновременно с сенсорными и моторными
функциями. Затем она дифференцируется на нервную и мышечную
системы. Красные — мышечные клетки или волокна, синие и фиолетовые
— чувствительные нервные клетки.
Другая точка зрения на происхождение нервных клеток сформировалась в
работах Клейненберга и Заварзина. Её суть сводится к тому, что нервная и мышечная
системы рассматриваются как «единое и нераздельное целое».
Считается, что обе системы возникли одновременно в виде образования,
которое не имело дифференцированных мышечных и нервных компонентов. В
соответствии с этой гипотезой первичными были клетки, выделившиеся из эктодермы и
обладавшие как нервными, так и мышечными функциями (см. рис. II-1, г, д). Часть
клетки была способна к чувствительности, а другая — к сокращению. В гипотезе
подчёркивается первичность морфофункциональной связи между нервными и
мышечными клетками. В дальнейшем, по мнению авторов, произошла дифференциация
чувствительно-сократимых клеток на чисто сенсорные и моторные, а общность их
происхождения стала основой нервно-мышечных взаимодействий (см. рис. II-1,
е) .
Обе теории роднит то, что они ничего не объясняют. Непонятно, зачем вообще
понадобились нервные, да и мышечные клетки, почему они возникли одновременно
и откуда взялись отростки нервных клеток вместе с особыми свойствами рецепти-
ровать, генерировать и проводить сигналы. В дискуссии о природе нервно-
мышечных взаимодействий как-то сам собой исчез биологический смысл
происхождения нервных клеток. Этот вопрос можно рассмотреть и с других позиций.
§ 19. Происхождение нейронов
и пронейрональной сети
Сначала определимся с эпохой и животными, претендующими на первенство в
появлении нервной системы. Если рассмотреть возможных кандидатов на это
почётное место, то самыми соблазнительными выглядят кишечнополостные, или
стрекающие (Cnidaria) (см. рис. 1-2; рис. II-2) — радиально-симметричные,
прикреплённые и свободноплавающие животные с одним анусо-оральным отверстием и
несложной биологией. Стенка тела сформирована всего двумя слоями клеток и
промежуточной тонкой неклеточной мезоглеей. В наружном слое клеток лежат
уникальные клетки — книдоциты, содержащие стрекательные органеллы. Таких клеток
нет у многоклеточных других групп. Их диффузная нервная система распределена
в мезоглее и слабо дифференцирована. Нервные клетки весьма универсальны и
обладают как чувствительной, так и зффекторной функцией. Они объединены в сеть
с радиальной симметрией почти без выраженных ганглиев. Единственным местом,
пригодным на роль нейрального центра, является окологлоточное нервное кольцо.
Столь же незатейливо и поведение этих животных. Прокачивание воды и захват
щупальцами проплывающей мимо добычи — не самое интеллектуальное занятие,
поэтому симбиотические рыбки из рода Amphiprion легко обманывают простодушных
актиний и пользуются их защитой. Актинии вступают в симбиотические отношения
с другими видами рыб, офиурами, креветками-чистильщиками, гребневиками,
крабами и раками-отшельниками. Однако при всей кажущейся простоте
кишечнополостные обладают уже функционально специализированной нервной системой. У многих
видов она представлена не одной сетью, а двумя. В одних случаях обе сети
расположены в наружном слое клеток (эктодерме) , а в других в эктодерме и
энтодерме (внутреннем слое клеток). Такая двойная диффузная нервная сеть,
окологлоточное нервное кольцо и чёткое разделение на 5-6 типов эктодермальных и
знтодер-мальных клеток позволяют считать стрекающих достаточно совершенными
организмами. Их знтодермальный слой состоит из эпителиально-мышечных клеток.
Среди них есть клетки, секретирующие ферменты, слизь, обладающие подвижными
жгутиками, и пищеварительно-мускульные клетки. Сходные, но морфологически не
идентичные клетки расположены в эктодермальном слое. Там могут находиться ин-
терстициальные (эмбриональные депонированные клетки, способные к
пролиферации) , стрекательные, эпителиально-мускульные, секретирующие слизь и даже
особые сенсорные клетки. Сенсорные клетки могут чувствовать физические
воздействия на эктодерму и передавать их во внутреннюю диффузную нервную сеть.
Рис. II-2. Актиния с симбионтом рода Amphiprion: а —
микроскопический срез и его увеличенные фрагменты (б-д) . На тёмном фоне в
поляризованном свете видны стрекающие спироцисты (г).
У стрекающих развит сложный зффекторный аппарат, который управляется
нервными клетками. Они могут заставлять сокращаться щупальца и тела прикреплённых
актиний, дифференциально управлять работой зонтика свободноплавающих медуз,
влиять на активность эпителиально-мышечных клеток энтодермы и эктодермы. У
них даже можно вырабатывать непродолжительные условные рефлексы, как
отмечалось выше. Следовательно, нервная система уже вполне достаточна и весьма
эффективна для их образа жизни. По-видимому, её организацию надо рассматривать
как далеко не первый этап возникновения нервного аппарата многоклеточных.
Скорее всего, стрекающие демонстрируют один из множества древних вариантов
строения нервной системы — слишком отточены функции и совершенен их нервный
субстрат. Минимальный объём нервных клеток для столь крупных организмов и их
эффективность стали результатом длительного отбора и, возможно, некоторого
вторичного упрощения.
Нельзя исключить, что прикреплённые стрекающие с двойной нервной сетью были
свободноплавающими активными хищниками. При разделённой активности эктодер-
мальной и энтодермальной нервных сетей возможны асинхронное свободное
плавание и пищеварение. Пища, попавшая в полость тела, должна была там
перемешиваться и перевариваться в результате движений пищеварительно-мышечных клеток.
Если животное при этом будет плыть, а не лежать на дне, то его плавание
должно осуществляться эктодермально-мышечными клетками. Они должны работать в
совершенно ином режиме, нежели пищеварительная система. Двойная нервная сеть
стрекающих наталкивает на вывод о существовании подвижных хищников среди их
предковых форм и возможное упрощение современных видов. У актиний строение
тела намного сложнее, чем у сцифоидных или гидроидных стрекающих. Их тело
имеет ряд особенностей и внутренних приспособлений как для захвата пищи, так
и для её эффективного переваривания (см. рис. II-2). Внутренняя полость
выстлана энтодермой, но в ней образуются выступающие складки, которые называют
септами, или мезентриями. Такие мезентрии показаны на гистологических срезах.
Они увеличивают площадь всасывания пищи и способствуют повышению
эффективности пищеварения. Для нас важно то, что в мезентриях расположены мезоглея с
нервными клетками и стрекающие книдоциты. По-видимому, это свидетельство
высокой вторичной специализации группы.
Таким образом, нервная система стрекающих, по-видимому, хотя бы у некоторых
видов, вторично упрощена, а у некоторых весьма специализирована, поэтому
стрекающих нельзя рассматривать как образец примитивности нервной системы.
Наоборот, именно к такому эффективному строению нервной системы нам надо
стремиться, реконструируя эволюцию возникновения нервных клеток.
Единственной приемлемой группой для воссоздания гипотетических причин
появления нервных клеток являются губки. Это прекрасные сидячие многоклеточные
животные с полным отсутствием симметрии, слабым кремнезёмным, известковым или
белковым (коллагеновым) скелетом и внутренней камерой (атриум) с входными
порами (остии) и одним выводным отверстием (оскулум). Губки — водные фильтрато-
ры с простейшими клеточными приспособлениями для протока воды. В клеточной
организации губок не нашлось места для нервных клеток, хотя определённая
клеточная специализация уже возникает (рис. II-3, а). Снаружи губки покрыты пи-
накоцитами, которые могут сокращаться и деформировать тело животного. Внутри
они выстланы воротничковыми клетками — хоаноцитами, которые обеспечивают ток
воды через пороциты и захват пищевых частиц. Между этими двумя слоями
расположен мезохил — студенистое вещество белковой природы. В нём активны
амебоциты, универсальные клетки, которые секретируют коллаген, мезохил, фагоцитируют
пищу и могут трансформироваться в любой другой тип клеток. Все слои клеток
достаточно условны, поскольку никаких базальных мембран, их подстилающих,
нет. В связи с этим губки являются достойным объектом для эволюционных
фантазий .
Допустим, что донервное многоклеточное существо было отдалённо похоже на
современную губку с простейшей асконоидной организацией (см. рис. II-3, а) .
Пища и вода поступают во внутреннюю камеру через остии, захватываются
воротничковыми клетками, а не захваченные частицы выводятся через оскулум. Часть
пищевых частиц попадает амебоидным клеткам. Эти частички передаются другим
клеткам — пинакоцитам.
Начинать эволюционную реконструкцию появления нервных клеток с заявления о
«необходимости рецептировать внешнюю среду» невозможно, так как клетки ничего
о среде не знали, а вызвать в их цитоплазме «необходимость» можно только
крайне вескими причинами. По-видимому, никакой связи с нервными функциями у
будущих нервных клеток быть не могло. Если допустить, что нервные клетки
возникли из эктодермы, а это подтверждается всем опытом эмбриологии, то надо
обратить внимание на положение пинакоцитов в клеточной системе губок. Их
основная функция — защита внешней поверхности губки. Для того чтобы их превратить
в нервные клетки, надо ответить на несколько вопросов. Во-первых, почему
изменилась морфология этих клеток — образовались отростки? Во-вторых, как они
оказались в мезохиле? В-третьих, почему другие клетки стали подчиняться
активности этих пронейронов?
Рис. II-3. Гипотетические этапы происхождения нервных клеток в
процессе эволюции многоклеточных: а — разрез современной губки с
простейшей асконоидной организацией без нервных клеток; б, в —
два этапа физиологической дифференцировки и появления отростков
у клеток эктодермы; г — образование нервной сети, как у
гидроидных стрекающих. Стрелками показано движение воды.
Учитывая, что важнейшим параметром эволюции нервной системы является
уровень метаболизма нервной системы, посмотрим на вопрос происхождения нервных
клеток с позиции элементарного потребления пищи. Нейроны обладают
метаболизмом, сопоставимым с нагруженными мышечными клетками, что требует оценки
происхождения нервной ткани именно с этих позиций.
Кратко рассмотрим механизм питания губок. Вода всасывается в губку через
отверстия пороцитов и попадает во внутреннюю полость — атриум (см. рис. II-3,
а). В атриуме находятся жгутики хоаноцитов, которые своим биением увеличивают
ток воды, проходящей через губку. Хоаноциты фильтруют воду и захватывают
своими микроворсинками, образующими воротничок, мелкие частицы пищи. Вокруг
них, в мезоглее, находятся амебоциты, которые могут также захватывать
частички пищи. В некоторых случаях эти частички даже крупнее, чем у хоаноцитов.
Таким образом, хоаноциты и амебоциты являются самыми привилегированными в
отношении пищи клетками. Их можно назвать первичными пищевыми. Всем остальным
достаётся только то, что могут передать эти два типа клеток. Они делятся
частичками пищи, но метаболизм остальных клеток всегда будет намного ниже, чем у
них. К вторичным пищевым клетками относятся пороциты и пинакоциты. Они
непосредственно не получают пищевых частиц из атриума и довольствуются тем, что
им достаётся от хоаноцитов и амебоидных клеток. Именно эти различия в
потреблении пищи могли привести к первичным морфологическим изменениям пинакоцитов.
Пинакоциты являются прообразом эктодермальных клеток, что отражено в названии
этого слоя — пинакодерма. По-видимому, на первом этапе пинакоциты просто
стремились увеличить свой метаболизм путём удлинения отростков (см. рис. II-
3, б). Эти отростки доходили до амебоцитов или даже хоаноцитов, что позволяло
получать большее количество пищевых частиц. Пища стала тем стимулом, который
привёл к изменению формы клеток покровного слоя. Следующим этапом стало
увеличение размеров отростков и ещё большее повышение метаболизма некоторых
пинакоцитов . Они оказались в уникальном положении. Находясь на внешней
поверхности тела, они получали максимум информации обо всех событиях вокруг
организма. Вместе с тем, располагаясь на основных пищеварительных клетках, они
получали исчерпывающую информацию об успешности питания (см. рис. II-3, е) .
Увеличив количество отростков, пинакоциты трансформировались в пронейроны, а
их тела начали погружаться в мезоглею. Инерционность биохимических процессов
обусловила запоминание донервного типа. Если внешнее воздействие
коррелировало с увеличением количества пищи, то такие пронейроны начинали
взаимодействовать с хоаноцитами. Хоаноциты увеличивали ток воды через атриум, что
приводило к увеличению потребления пищи и хоаноцитами, и пронейронами. Эта простая
система позволила организмам дифференциально увеличивать активность
хоаноцитов при наличии пищи и уменьшать при её отсутствии. Биологические
преимущества такой регуляции очевидны.
Затем наступил принципиальный этап интеграции отдельных пронейрональных
клеток в элементарную сеть, охватывающую всё тело древней губки (см. рис. II-
3, г). Для этого должны были произойти следующие события. Во-первых,
отдельные пронейроны несколько трансформировали своё тело, оставив в пинакодерме
только чувствительные отростки. Во-вторых, они сформировали контакты между
собой и клетками других слоев. Причины этих событий довольно понятны. Если
речь идёт о пище, то любая информация, увеличивающая её поступление, будет
поддерживаться в эволюции, поэтому пронейроны могли быстро специализироваться
на решении указанной проблемы. Они интегрировали работу губки - кишечнополо-
стного по принципу пища — направленная активность. В такой информации
заинтересованы не только хоаноциты, но и пинакоциты и амебоидные клетки. Поэтому
отростки образовывали не только пронейроны, но и клетки всех остальных типов.
Эти отростки заканчивались на поверхности пронейронов. Через них по состоянию
пронейронов другие типы клеток информировались о наличии или отсутствии пищи.
Важным этапом в эволюции стала интеграция пронейронов и пинакоцитов,
способных сокращаться. Современные пинакоциты губок не утратили этой способности.
Следствием такой интеграции тела губок при помощи пронейронов стало огромное
пищевое преимущество нового организма. Он мог направленно изменять своё тело
или перенаправлять поток воды в зоны с большим количеством пищи. Надо
отметить, что такой тип интеграции нервной и моторной систем сохранился и до
наших дней. Нервно-мышечный комплекс круглых червей (Nematoda) состоит из
мышечных клеток, которые образуют отростки, устанавливающие связи с нервными
стволами, а не наоборот. При этом формируются синаптические связи, и мышечные
клетки подчиняются активности нервных стволов. Сходным образом устроен эффек-
торный аппарат головохордовых (Cephalochordata). У ланцетника отростки
мышечных клеток проникают в нервную трубку и устанавливают синаптические контакты
с нейронами. Передача управляющих мускулатурой сигналов осуществляется по
отросткам мышечных клеток, а не нейронов. Следовательно, такой вариант
интеграции не уникален и мог существовать у губкообразных существ с пронейрональной
нервной системой.
Заметным моментом эволюции стало появление пронейрональной сети. Охватывая
всё тело, она давала возможность сопоставить пищевую информацию от разных
участков тела или пороцитов, а, следовательно, определить направление на
пищу. Если такие животные были неподвижны, то перенаправлялся поток воды, а
если они были подвижны, то появлялась возможность перемещения к источнику пищи.
Не исключено, что подобные пронейрональные сети появились одновременно как у
свободноплавающих, так и у прикреплённых форм. Что это дало для поведения
гипотетических организмов? Если даже первые пронейрональные системы возникли у
малоподвижных животных, это могло быстро привести к появлению подвижных форм
и активных хищников. Рассмотрим биологические выгоды от приобретения
пронейронов .
Допустим, что та водная среда, где происходили описанные события, была
полна губкообразными организмами без нервной системы, которые сосуществовали
совместно с водной растительностью. Большая часть животных питалась фильтрацией
растительных и животных остатков. По-видимому, разнообразие таких существ
было крайне велико, что подтверждает палеонтологическая летопись
предполагаемого периода. Маловероятно, что в такой обстановке и без нервной системы могли
появиться успешные хищники. Скорее всего, автотрофные губки представляли
собой довольно пассивные формы. Они почти не отличались от растений,
составлявших основу биоразнообразия океана. Обилие пищи определённого типа является
основным условием появления организмов новых типов. Таким ресурсом стало
изобилие пассивных фильтраторов, которые намного ценнее в пищевом отношении, чем
растения. Сложились условия, которые представляли собой почти безграничную
возможность для возникновения и эволюции хищничества. Приобретение
минимальных способностей к сопоставлению сигналов из внешней среды с оценкой
количества потребляемой пищи и способность к управлению собственным телом стали
первым шагом к появлению хищников. Даже примитивная пронейрональная система
могла принципиально изменить как биологию организмов, так и их эволюционное
будущее. Животные, способные оценивать увеличение количества пищи внутри
организма и определять направление на её источник, стали идеальным прототипом
для начала эволюции нервной системы.
Следовательно, основной причиной появления нервных клеток было стремление
«голодных» клеток покровов увеличить свой метаболизм. Следствием роста
отростков стала интеграция внешней и внутренней информации организма об
эффективности питания. В этой информации были заинтересованы все клетки этого
древнего животного, что заставило их сформировать встречные отростки, направленные
к пронейронам. Объединение пронейронов в сети дало огромный выигрыш в
получении пищи и увеличении метаболизма животного. Организм смог не пассивно фильт-
ровать воду, а активно находить богатые пищевые участки или поедать себе
подобных. Началась конкурентная эволюция эффективности нервных систем, которая
быстро превратилась в физическую битву морфологических конструкций. В
кратчайшие по историческим меркам сроки были опробованы все мыслимые и немыслимые
типы интегрирующих нервных систем. Они сталкивались между собой и порождали
ещё более оригинальные и эффективные устройства. О них мы можем судить только
по фантастическим вариантам строения нервных систем беспозвоночных, дошедших
до наших времён.
Беспозвоночные животные
Беспозвоночные были первыми многоклеточными обладателями нервной системы.
Эволюция этой группы животных наполнена запутанными и драматическими
коллизиями , которые пока не входят в круг нейробиологических интересов. Стараясь
не вмешиваться в проблемы эволюции беспозвоночных, мы рассмотрим только самые
общие принципы организации их нервной системы.
§ 20. Нервная система
с радиальной симметрией
Наиболее простой вариант строения нервной системы мы встречаем у стрекающих
(кишечнополостных). Как уже говорилось выше, их нервная система построена по
диффузному типу. Клетки образуют пространственную сеть, которая расположена в
мезоглее (рис. II—4, а). Небольшое скопление нервных клеток в окологлоточной
области образует подобие распределённого нервного центра. Он интегрирует все
несложные реакции тела кишечнополостных и является эволюционным
предшественником ганглиозной нервной системы. В окологлоточном нервном кольце
формируются параллельные ганглии, описанные в главе I (см. рис. 1-16). По-видимому,
этот тип строения нервной сети был исходным для всех групп животных.
При всей кажущейся простоте диффузный тип нервной системы обеспечивает
довольно сложное поведение кишечнополостных. Хорошо известно, что раки-
отшельники используют актиний для защиты от хищников. Они выбирают наиболее
подходящих особей и пересаживают их себе на раковину. Классическим примером
является симбиоз актиний и рака-отшельника. Однако мало известно, что сами
актинии также могут выбирать наиболее подходящую поверхность раковины и
перемещаться на неё. Иначе говоря, актинии такие же активные, хотя и
бессознательные, участники симбиоза, как и раки-отшельники.
В скромных рамках диффузной нервной системы известно необычайно большое
количество вариантов строения. Их всех объединяют радиальная или изоморфная
симметрия и общая тенденция к объединению нервных клеток в некие скопления. С
момента появления пронейральной сети у губкоподобных организмов началась
дифференциальная концентрация нервных элементов. В начале эволюции
многоклеточных животных появилось бесконечное разнообразие вариантов строения нервной
системы, которые реализовались у кишечнополостных и частично сохранились до
нашего времени (см. рис. II-4).
Нервные клетки концентрировались различными способами. Самым простым
способом интеграции нервных сетей стало окологлоточное нервное кольцо. Его
появление вполне оправдано тем, что оно находилось на границе поступления пищи в
организм кишечнополостных. Пища была тем ведущим стимулом, который определял
и оценивал успех морфологических изменений нервной системы. Тот, кто мог
эффективнее контролировать поступление пищи, увеличивал свой метаболизм и
репродуктивные возможности. Самым простым движением, позволяющим
проиллюстрировать действие диффузной нервной системы, является реакция на механическое
раздражение. Пресноводная гидра (Pelmatohydra oligactis) при малейшем раздра-
жении сжимается в микроскопический комочек. Это происходит за счёт
расположенных продольно в эктодерме и поперечно в энтодерме сократимых белков. Кроме
генерализованной реакции, кишечнополостные могут дифференциально пользоваться
отдельными щупальцами или их группами. Гидры способны передвигаться, чередуя
при переворотах опору на подошву и ротовое отверстие.
Рис. II-4. Предполагаемые первые этапы (показано стрелками)
усложнения строения нервной системы кишечнополостных с радиальной
симметрией: а — однослойная сеть примитивных гидроидов; б —
двойная нервная сеть актиний; в — нервная сеть актиний со
скоростными проводящими цепями клеток; г — нервная сеть восьмилучево-
го полипа; д — нервный аппарат радиально-комиссурального типа.
Тем не менее диффузная сеть с окологлоточным нервным кольцом была
относительно медленно действующим устройством. Измеренная проводимость по нервной
сети кишечнополостных составляет не более 5-20 см/с. Этого явно не хватает
животным размером более 5 см, поэтому уже у актиний выделились участки нерв-
ной сети с высокой скоростью проведения (см. рис. II-4, е). В некоторых
случаях она достигает 150 см/с, что делает актиний изощрёнными охотниками за
значительно более эволюционно продвинутыми позвоночными. Окологлоточное
нервное кольцо было явным достижением, но оно не могло дифференциально управлять
всем телом или обеспечить контроль за свободным плаванием.
Среди предков современных одиночных актиний явно были свободноплавающие
существа. На это указывает двойная нервная сеть в их теле (см. рис. II—4, б) .
Одна диффузная сеть расположена под эктодермой в мезоглее и ничем не
отличается от таковой у других кишечнополостных (см. рис. II—4, а) . Другая нервная
сеть лежит в той же мезоглее, но уже около энтодермы. Они связаны между собой
только в зоне окологлоточного нервного кольца, которое начинает играть как
интегрирующую, так и разделяющую роль. По-видимому, такие двойные сети
возникли на заре эволюции нервной системы и были нужны для активного свободного
плавания. Животное с автономной «эктодермальной» сетью могло активно
двигаться в толще воды. Сокращение эктодермальных клеток позволяло животному
перемещаться, не вовлекая в этот процесс пищеварительную систему.
Не исключено, что мезоглея была у этих существ намного толще и рыхлее.
Пищеварительная нервная сеть с энтодермальными сократимыми клетками
функционировала относительно автономно, перемещая пищевые частицы без зктодермальных
сокращений. Такой самодвижущийся пылесос мог быть крайне эффективным при
избытке мелких пищевых частиц. Эволюционные преимущества подвижных фильтраторов
хорошо известны, поскольку усатые киты являются самыми крупными животными на
планете.
Совершенно иная нервная система у свободноплавающих сцифоидных медуз. Они
преимущественно хищники с диффузной нервной системой, которая интегрируется
околоротовым круговым скоплением нейронов и несколькими нервными кольцами в
зонтике. Эти существа имеют интересные высокоспециализированные участки
нервной системы — ропалии. Это небольшие скопления нейронов по краям зонтика. Ро-
палии могут содержать статоцисты, или светочувствительные глазки. В статоци-
стах конкреции различной природы образуют давящий на нейроны «камушек». Он
позволяет определять направление на гравитационный центр Земли и
ориентировать тело в воде. Глазки измеряют освещённость, а движущиеся волны
механически влияют на нервную сеть, что позволяет медузам выбирать направление
движения. Подобные нервные образования не смогли стать значимыми центрами для
интеграции поведения кишечнополостных, но были первыми специализированными
органами чувств. Подобные примитивные рецепторные системы неоднократно
возникали в эволюции, что подтверждается разнообразием их структурной организации
при общей убогости рецепторных возможностей.
Можно предположить, что потенциальный предковый вариант строения нервной
системы беспозвоночных выглядел как некое кишечнополостное со скоростными
тяжами проведения нервных клеток (см. рис. II-4, е) . Если допустить
эволюционное продолжение концентрации нервных клеток, то из такой морфологической
организации с равной вероятностью могла появиться нервная система двух типов
строения (см. рис. II-4, г, д). Эти типы различаются только по туловищным ко-
миссурам, которые соединяют продольные нервные стволы. Окологлоточное нервное
кольцо имеет примерно одинаковое строение и интегрирует активность всей
нервной сети животного. В хорошо известном плане строения радиально-симметричной
нервной системы многих современных кишечнополостных нет поперечных комиссур,
соединяющих нервные стволы. Этот тип мог эволюционировать по пути сокращения
числа нервных стволов. При этом, по-видимому, возникали самые оригинальные
варианты симметрии нервной системы. Примером может служить нервная система
нематод (рис. II-5, б) . Она представлена 4 параллельными стволами, которые
соединяются только окологлоточным нервным кольцом. Других комиссур в
глоточной зоне и теле круглых червей нет. Важно подчеркнуть, что 4 нервных ствола
нематод расположены симметрично, но вопреки ожиданиям в дорсальном,
вентральном и латеральном положении (см. рис. II-5, б) , 4 нервных ствола иннервируют
треугольный рот и не имеют отростков, проникающих в мышечные клетки.
Наоборот, мышечные клетки образуют отростки, которые оканчиваются на дорсальном и
вентральном нервных стволах, идущих вдоль тела. Каждая мышечная клетка имеет
несколько таких отростков, а сократимые белки локализованы в дистальном
участке цитоплазмы. По этим отросткам проходит нервный сигнал, который и
заставляет сокращаться группы мышечных клеток.
мТГ/
< _ )
Рис. II-5. Общий вид и сечения основных вариантов строения
нервной системы кишечнополостных и червей: а — нервная сеть восьмилу-
чевого полипа; б — нервная система нематод; в — нервный аппарат
радиально-комиссурального типа; г, е — нервная система турбелля-
рий; д — нервная система печёночного сосальщика. Синим цветом на
сечениях обозначены нервные стволы.
Вполне вероятно, что у нематод сохранился древнейший механизм
«информирования» клеток организма со стороны нервной системы. Мышечные клетки сами
заботятся об источнике информации, пригодном для повышения метаболизма. Такой тип
нервно-мышечных связей крайне примитивен и претендует на эволюционную
первичность , что косвенно подтверждает высказанную ранее гипотезу происхождения
нервных клеток. Нематоды многочисленны, но не разнообразны по строению
органов чувств. В основном это внешние и внутренние механорецепторы, хеморецепто-
ры (чувствительные ямки, сосочки) и простые глазки. Механорецепторы
специализированы на мужские сенсорные органы и спикулы, головные и соматические
щетинки. Однако это пример крайней специализации, который показывает, что
наиболее эволюционно перспективным был «комиссуральный» путь (см. рис. II-5, е).
Комиссуры, посегментно связывающие продольные нервные стволы, дают
существенные преимущества в дифференциальной активности отдельных участков тела.
Вполне возможно, что комиссуральные нервные стволы сформировались ещё на
уровне гипотетических кишечнополостных с радиальной симметрией. Множественные
нервные стволы таких животных могли иметь комиссуры, которые создавали
развитую пространственную нервную сеть. Неподвижным особям вполне достаточно бес-
комиссурного варианта (см. рис. II-5, а), поэтому комиссуры свидетельствуют
скорее о подвижном образе жизни. Сегментированная сеть носила вполне
практический характер и использовалась для перистальтического движения. Животное
двигалось в результате распространения кольцевых перистальтических волн по
телу назад относительно движения. Дифференциальное управление такими
полостями и окружающими их мышцами возможно только при наличии повторяющихся ней-
ральных сегментов. В таком сегменте должен быть автономный центр, управляющий
мышцами, — ганглий. У радиально-симметричного животного их может быть
несколько, у билатерально-симметричного — 2 или 4. Такие ганглии расположены в
узлах пересечения нервных стволов и поперечных комиссур.
Пересечения постепенно трансформируются в контактные узлы, а затем и в
полноценные ганглии. Появление дополнительных периферических центров позволяет
им принять на себя часть забот об управлении телом животного. Сегментарные
комиссуры с ганглиями являются основным условием возникновения внутри тела
специализированных полостей и целома. Без развитой посегментной иннервации
септально-целомические конструкции не имели бы биологического смысла. Их
использование для перистальтических движений было бы невозможно. Развитая
иннервация позволяет деформировать их в широких диапазонах и развивать большие
усилия при различных способах перистальтического движения. Следовательно,
комиссуры и узловые ганглии создали у радиально-симметричного животного все
предпосылки для возникновения сегментарной и билатеральной симметрии.
Радиально-симметричное животное, похожее на трубу с пробегающими по ней
волнами, не самый лучший пловец. Этот тип движения очень эффективен в почве,
но в воде преимущество получают животные с меньшим числом осей симметрии.
Плоскотелые животные с волнообразными движениями тела двигаются быстрее, а их
энергетические затраты ниже. Это касается как придонной зоны, так и толщи
воды. Замена радиальной симметрии на билатеральную была делом очень небольшого
времени. По-видимому, уменьшение числа продольных нервных стволов происходило
путём их слияния. Стволы сближались и сливались, как это происходит при
метаморфозе насекомых. Мы не знаем, из какой радиальной системы складывалась
билатеральная нервная система, но маловероятно, что в ней было нечётное число
нервных стволов. В конечном итоге слияние продольных стволов привело к
возникновению билатерально-организованной нервной системы. Вероятнее всего, би-
латеральность сложилась в придонном слое. Древнее свободноплавающее существо
перешло к придонному образу жизни. Успешно передвигаться внутри придонного
слоя могла и радиально-симметричная трубка. Однако более эффективно плавать
или ползать по поверхности может билатерально-симметричное существо. Такой
тип организации нервной системы широко распространён и среди современных сво-
бодноживущих плоских червей — турбеллярий. Встречаются варианты строения с 4
и 2 параллельными нервными стволами (см. рис. II-5, г, е) . Судя по всему,
примерно с такого набора нервных устройств началась эволюция симметричных
нейральных конструкций.
Надо отметить, что все достоинства описанной нервной системы не могут
«противостоять» обильной пище и возможности бесконтрольно размножаться. Идеальные
условия обитания или гиперспециализация разрушают любую нервную систему. В
связи с этим у паразитических червей часто отсутствуют поперечные комиссуры
(см. рис. II-5, д) , а иногда и вся нервная система. Тем не менее некоторые
свидетельства существования множественных продольных нервных стволов можно
встретить даже у трематод. Их нервная система состоит из трёх пар
неравноценных нервных тяжей, проходящих вдоль всего тела, похоже устроена нервная
система паразитической аскариды. У неё два главных нервных тяжа выполняют
основные функции, хотя и не имеют комиссур. Кроме этого, существуют 4 более тонких
нервных ствола с второстепенными функциями. Эти примеры крайней специализации
показывают, что на первых этапах эволюции различные формы радиальной
симметрии были заменены билатеральной.
§ 21. Билатеральная
нервная система
Появление билатеральной симметрии стало переломом в эволюции нервной
системы . Это не означает, что билатеральность лучше радиальной симметрии. Скорее
наоборот. Из-за того, что в далёком прошлом билатеральная симметрия была
утрачена, мы лишились явных достоинств. У нас нет множества конечностей,
дистантных рецепторов, направленных во все стороны, способности менять
направление движения без поворота тела и т. д. Трудно гадать о фантастических
характеристиках организмов, которые могли бы возникнуть на основе радиальной
симметрии. Билатеральные существа сузили диапазон вероятных вариантов эволюции
нервной системы до нескольких архетипов. Среди возможных планов
билатерального строения выделяется нервная система свободноживущих червей. Они могут
показать спорные морфологические следы исчезнувших эволюционных
предшественников . Наиболее примитивны свободноживущие плоские черви —
турбеллярий, которые обладают лестничной нервной системой, изображённой на рис. II-5,
г, е. Таких животных сохранилось относительно немного. Всего насчитывается
около 500 видов плоских свободноживущих червей. Они обитают в море, пресной
воде и почве. Среди червей это очень небольшая группа и состоит
преимущественно из непаразитических видов. Их сегментарная нервная система как с 4, так
и 2 продольными стволами очень соблазнительна как предполагаемая предковая
конструкция для других червеобразных, членистоногих и сходных с ними групп.
Парные нервные стволы у большинства представителей перечисленных животных
сближены на брюшной стороне, а не лежат латерально, как у плоских червей.
Наиболее характерную нервную систему для большей части кольчатых червей
представляют полихеты, дождевой червь и обычная медицинская пиявка (рис. II-
6) . У этих беспозвоночных парные нервные стволы сближены на брюшной стороне
тела. Они в различной степени объединены продольными и поперечными волокнами.
Как правило, ганглии каждого из нервных стволов сливаются или соединены
незаметной комиссурой (см. рис. II-6, а). Основным анатомическим принципом
организации становится брюшная нервная цепочка. Она состоит из нервных стволов и
ганглиев. Очень демонстративен сегментарный ганглий полихет (Polychaeta) (см.
рис. II-6, е) . Внутри он состоит из переплетённых отростков нейронов самого
ганглия и пришедших к нему в составе нервного ствола латеральных нервов. В
результате формируется нейропиль, который окружён нейронами ганглия. Ганглии
полихет, как правило, в центральной зоне сливаются почти полностью и образуют
общий нейропиль. Нервные стволы можно идентифицировать только между
сегментами. У примитивных аннелид брюшные стволы могут быть широко расставлены, как у
плоских червей. Однако независимо от положения нервных стволов в головной
части ганглии объединяются, образуя своеобразный ганглиозный «мозг» со
специализированными отделами. Обычно выделяют несколько долей, которые отвечают
за фоторецепцию, хеморецепцию и механорецепцию головных щетинок, усиков и
конечностей — параподий. Каждая такая доля может быть представлена одним или
несколькими ганглиями. Рецепторные нейроны беспозвоночных лежат обычно в
непосредственной близости от органов чувств, хотя иногда располагаются и в теле
головных ганглиев.
Поднд кинь/и I опопноч
Рис. II-6. Нервная система и ганглии различных видов червей: а, в, г
— полихета (Nereis virens); б, д, е, ж — пиявка (Hirudo
medicinalis); з, и — дождевой червь (Lumbricus terrestris); г, д, з
— гистологические поперечные срезы через червя; в, ж, и —
сегментарные ганглии брюшной нервной цепочки; е — надглоточный ганглий.
Специализированные конечности для передвижения — параподий — крайне
усложнили нервную систему полихет. Каждый сегмент тела обычно иннервируется
несколькими нервами. Среди них выделяется подиальный нерв, имеющий собственный
ганглий (см. рис. II-6, а) . Это знаковое приобретение в эволюции, поскольку
подвижный периферический орган имеет собственный «интеллектуальный» центр
управления — подиальный ганглий. У некоторых подвижных форм специализация
затронула систему управления параподиями так глубоко, что их ганглии объединены
непосредственно между собой при помощи коллатерального нерва. Это позволяет
согласовывать активность педальных ганглиев, минуя центральный брюшной
нервный ствол. Нервная система у высших полихет уже настолько концентрированна,
что возникла необходимость в выделении функций управления движением.
Ганглии тела аннелид являются динамично адаптирующимися структурами. Они
могут сливаться между собой, образуя огромные сплетения. Примером может
служить нервная система пиявок (Hjrudinea) (см. рис. II-6, б). В нервной системе
всех видов пиявок всегда 33 слившихся сегментарных ганглия. В ростральном
участке тела расположены головные ганглии. Они подразделены на надглоточные
(см. рис. II-6, е) и подглоточные ганглии (см. рис. II-6, ж), соединённые
латеральными нервными стволами. Между этими ганглиями проходит начало пищевода.
Каудальнее подглоточного ганглия, под пищеварительной трубкой, расположена
брюшная нервная цепочка. Как правило, пиявки имеют две присоски: ротовую и
заднюю, или каудальную. Это позволяет пиявкам одинаково успешно присасываться
к субстрату или животному любым концом тела. Управление присосками — довольно
сложный процесс, что приводит к укрупнению ганглиев, как в головной, так и в
каудальной части тела. Непосредственно около головной и задней присосок
ганглии слиты, что подчёркивает адаптивную лабильность такой нейральной
конструкции, как брюшная нервная цепочка. Органы чувств пиявок достаточно развиты для
активного поиска добычи. Даже обычная медицинская пиявка обладает 8 парами
глаз на передних члениках. Говорить о совершенстве механорецепторов и хеморе-
цепторов пиявки не приходится. Отдельное внимание следует уделить поведению
небольших коричневатых наземных пиявок Цейлона. Эти охотники влажных лесов
достигли невероятного совершенства. Наряду с обычными органами чувств они
обладают прекрасно развитыми фото- и терморецепторами, которые находятся на
головном конце тела. Эти пиявки прикрепляются задней присоской, а передний
конец тела вытягивается и ориентируется на источник тепла или перепад
освещённости. Достаточно провести рукой над листвой, кажущейся безжизненной, как
мгновенно вытягиваются вверх алкающие присоски десятков пиявок. Они обладают
целомическими полостями, которые позволяют создавать нагнетающее усилие и
совершать сложные движения, замкнутой кровеносной системой и используют
дыхательные пигменты для переноса кислорода. Управление таким совершенным
организмом достигается всего несколькими тысячами нервных клеток.
При этом пиявки не только активные хищники, но и существа со сложной
биологией. Большинство пиявок гермафродиты, но при размножении происходит
перекрёстный перенос сперматозоидов между партнёрами. Процесс копуляции у пиявок
представляет собой довольно сложный поведенческий акт, который весьма
разнообразен у различных видов. Во время копуляции происходит внутреннее
оплодотворение и даже подкожная «инъекция» сперматозоидов, которые передвигаются к
яичникам по телу полового партнёра. После оплодотворения пиявки скапливаются
в подземных камерах около воды, где откладывают коконы. Из яиц, лежащих
внутри коконов, у медицинской пиявки развивается по 10—16 молодых пиявок. При
таком жизненном цикле пиявки обычно живут 1 год, но есть свидетельства, что
максимальный срок их жизни может превышать 10 лет. Такая длительность жизни в
сочетании с активным хищничеством делает пиявок достойными обитателями нашей
странной планеты.
Малощетинковые черви (Oligochaeta) — одна из самых доступных для исследова-
ний групп червей. Интересно отметить, что большинство малощетинковых
кольчатых червей сходны по морфологии с обыкновенным дождевым червём. Линейные
размеры малощетинковых червей могут превышать 120 см. Дождевые черви — намного
более прозаический объект для анализа нервной системы и поведения, чем
пиявки. Они не хищники, а скорее почвенные фильтраторы. Пропуская через себя
богатую микроорганизмами почву, дождевые черви извлекают необходимые для
поддержания жизни соединения. Одной из самых сложных форм их поведения является
размножение. Дождевые черви, как и пиявки, гермафродиты, но оплодотворение
происходит у пары животных перекрёстно. Кольцевой железистый поясок на
поверхности тела вырабатывает слизь, когда два червяка прижимаются друг к другу
при спаривании. Сперматозоиды переходят к ростральному краю пояска, где
депонируются в семяприёмниках. Этим копуляция завершается, и животные
разделяются. При откладке яиц образуется новый железистый поясок, который начинает
двигаться вдоль тела. В него выходят неоплодотворённые яйца. Вместе с пояском
яйца достигают семяприёмников, где происходит их оплодотворение. Слизистый
кокон с оплодотворёнными яйцами откладывается в почву.
Пищевое поведение дождевых червей не так примитивно, как кажется на первый
взгляд. Они не только пропускают через себя почву, но и подготавливают в
почве субстрат для размножения микроорганизмов. Для этого черви затаскивают в
норки опавшие листья. В норках листья перепревают и становятся излюбленной
пищей для червей. Подсчитано, что широкий лист в узкую норку червяк может
втащить примерно 20 способами, что достойно опытного фокусника.
Для не богатой нейронами брюшной нервной цепочки и маленького головного
ганглия дождевого червя это более чем сложное поведение (см. рис. II-6, з,
и). Понятно, что довольно скромный нейроморфологический субстрат не
предполагает заметных способностей к научению даже в Т-образном лабиринте. Попытки Ч.
Дарвина с помощью флейты и рояля приобщить дождевых червей к музыкальной
культуре принесли примерно такой же результат, как и их запугивание горячей
кочергой, — черви прятались или не реагировали вовсе. Примерно из таких
опытов довольно давно известно, что черви обладают светочувствительными
глазками, позволяющими им избегать яркого света. У них развиты хемо- и механорецеп-
торные системы рецепторов. Они очень чувствительны к температуре и влажности.
Этот набор органов чувств тоже не выделяется какими-либо особыми качествами
среди беспозвоночных.
Тем не менее, весьма ограниченные возможности дождевых червей реализуются
удивительно полно благодаря жёстким врождённым поведенческим программам. Их
немного, они просты и универсальны для червей. Выбор программ поведения
зависит от физиологического состояния животного или состояния окружающей среды.
Эти переменные являются своеобразными включателями и выключателями форм
поведения. Можно сказать, что коэффициент полезного действия у соотношения
поведение/организация нервной системы дождевого червяка и пиявки просто
блестящий. Если бы этот коэффициент был бы пропорционально воспроизведён у
человека , мы могли бы творить чудеса.
Полихеты и кольчатые черви стали прообразом одной из самых совершенных
групп животных на этой планете — членистоногих. Под этим названием следует
понимать более широкую группу существ, которые имеют сегментарные конечности.
Именно они стали шедевром биологического программирования поведения. Другим
способом достичь столь невероятно сложной биологии при минимальном размере
нервной системы просто невозможно. Нервная система членистоногих и сходных с
ними групп построена по общему плану (рис. II-7). Она состоит из брюшной
нервной цепочки с ганглиями в каждом сегменте тела. В головной части
животного расположены головные ганглии, которые могут иметь несколько
специализированных отделов и ассоциативные центры — грибовидные тела (corpora
pedunculate). Они непосредственно не связаны с конкретными системами анализа-
торов, а являются своеобразной надстройкой над головными ганглиями.
§ 22. Нервная
система членистоногих
Организация нервной системы членистоногих и сходных с ними групп может
существенно варьировать, но в пределах общего плана строения. Рисунок нервной
системы дневной бабочки (Lepidoptera) довольно точно отражает типичное
расположение основных ганглиев в теле насекомых (см. рис. II-7, а) . У насекомых
самыми крупными являются головные ганглии. Они имеют довольно сложное
строение .
Рис. 11-7. Нервная система и ганглии различных членистоногих: а —
чешуекрылые (Lepidoptera); б — двукрылые (Diptera); в — равноногие
(Isopoda); г — веслоногие (Copepoda); д — ракушковые (Ostracoda); е-
и — головной ганглий чёрного таракана; к, л — туловищный и подгло-
точный ганглии речного рака. Прямоугольником отмечен участок
ганглия, показанный с большим увеличением.
Обычно в них выделяют несколько отделов (см. рис. II-7, е-и). Ростральнее
всех расположены грибовидные тела, или corpora pedunculate. Они являются
высшим «интеллектуальным» центром беспозвоночных. По сути, это функциональный
аналог лобных долей большого мозга человека. В грибовидных телах принимаются
решения об использовании той или иной программы поведения. Более того, они
организованы по принципам, общим с корой головного мозга млекопитающих. В
коре и грибовидных телах нервные клетки расположены слоями или стратифицированы
(см. рис. 1-16). Такой тип строения ассоциативных центров универсален для
различных позвоночных и беспозвоночных животных. Он позволяет оптимально
организовать обработку распределённых потоков разнородных сигналов от
специализированных сенсорных центров. Когда какой-либо отдел мозга позвоночных или
ганглиев беспозвоночных специализируется на сложных анализаторных
/ассоциативных функциях, он всегда формирует стратифицированные структуры.
Грибовидные тела не имеют прямых связей с анализаторами. Только сигналы,
предварительно обработанные в зрительных, вкусовых, обонятельных или
соматических центрах, попадают в грибовидные тела. В них собирается и сравнивается
уже интегрированная информация от внутренних и внешних рецепторов. Сравнение
разнородных воздействий позволяет выбрать приоритетное и запустить
максимально адекватную программу поведения. Программ довольно много и они могут
модифицироваться в зависимости от возникающих обстоятельств. Однако
принципиальным изменениям они, как правило, не подвергаются. Адекватность выбора
программы поведения грибовидными телами — залог успеха или выживания конкретной
особи. Для оптимального выбора принципиально важна предельная точность оценки
внешних и внутренних сигналов, поэтому органы чувств многих беспозвоночных
достигли феноменальной чувствительности, несопоставимой с возможностями
позвоночных животных. В основе дистантной чувствительности беспозвоночных лежат
зрение, обоняние, механорецепция и различные формы слуховой чувствительности.
В соответствии с развитием рецепторных систем различается и морфология
головных ганглиев. К протоцеребруму относятся и грибовидные (стебельчатые) тела.
Протоцеребрум представляет собой зрительный центр, расположенный рострально
(см. рис. II-7, ж; рис. II-8, г).
Дейтоцеребрум представляет собой хеморецепторный центр, в котором есть
представительство обонятельных антенн (см. рис. II-7, з) . Это
представительство может различаться в десятки раз по объёму нервных клеток. Однако если
антенны у многих ночных бабочек имеют площадь поверхности примерно в 700 раз
больше, чем у дневных, то различия по объёму дейтоцеребрума намного меньше.
Тем не менее, у хелицеровых вместе с редукцией антенн практически исчезает и
дейтоцеребрум. Тритоцеребрум выражен далеко не так хорошо, как два предыдущих
отдела. Он связан преимущественно с работой нервов, иннервирующих верхнюю
губу (см. рис. II-7, и). Поскольку ротовой аппарат членистоногих крайне
изменчив , тритоцеребрум часто морфологически не выражен. Подглоточный ганглий у
всех членистоногих хорошо развит. Он иннервирует ротовые придатки и слюнные
железы.
Этот общий план строения членистоногих был бы неполным без упоминания об
нейроэндокринной системе. Основным центром секреции нейрогормонов у насекомых
является нейрогемальный орган (см. рис. II-8, г). Это традиционное название в
современной литературе несколько трансформировано. Под нейрогемальным органом
понимают не всю гормональную часть головных ганглиев, а только его запасающий
участок. Гормональный комплекс расположен позади головных ганглиев и состоит
из нескольких отделов. Большую часть этого комплекса составляет кардиальное
тело, которое включает в себя железистую (секреторную) и запасающую части. В
первой происходит синтез гормонов, а во второй — их накопление и по мере
необходимости выделение. Кроме кардиального тела, к нейроэндокринным органам
относят и небольшой парный ганглий, называемый прилежащим телом. Он связан
нервными волокнами как с кардиальным запасающим телом, так и с протоцеребру-
мом. Из ганглиев нейрозндокринного комплекса гормоны выделяются
непосредственно в кровь или действуют опосредованно, влияя на эндокринные органы.
Примером может служить проторакальная железа, активность которой регулируется
проторакотропным гормоном, выделяемым кардиальным телом. Эта железа выделяет
экдизон, который регулирует начало линьки. Примером прямого действия нервной
системы на периферические органы является синтез диуретического гормона. Он
синтезируется нейросекреторными клетками головных ганглиев и накапливается в
запасающей части эндокринного отдела. Выделяясь из кардиального тела, он
стимулирует выделение мочевины мальпигиевыми сосудами.
Нейрогормонов у членистоногих определено достаточно много, что вполне
соответствует нашим представлениям о детерминационном принципе организации
поведения животных этой группы. Её суть сводится к запуску определённой программы
поведения в зависимости от состояния организма или окружающей среды. При
такой организации выбора стратегической направленности поведения гормональная
регуляция является простым и эффективным способом управления всем организмом
животного. Если летающее насекомое отправляется в полёт, то вырабатывается
адипокинетический гормон. Он мобилизует липиды организма как источник энергии
для обеспечения полёта. Такой способ управления организмом построен на
принципах обратной связи и по сути ничем не отличается от гормональной регуляции
у млекопитающих.
Головные ганглии у членистоногих расположены над пищеварительной трубкой и
соединены с подглоточным ганглием при помощи парных комиссур (см. рис. II-7;
II-8) . Подглоточный ганглий весьма разнообразен как по размерам, так и по
клеточному составу. Даже у речного рака качественное разнообразие типов
нейронов подглоточного ганглия сопоставимо с мозговыми структурами млекопитающих
(см. рис. II-7, л) . От подглоточного ганглия начинаются отростки нейронов,
иннервирующие ростральный участок пищеварительной трубки и ротовые придатки.
Контроль потребляемой пищи является одним из ключевых процессов, что
отражается и на размерах этого нервного центра. Позади подглоточного нервного
ганглия лежит нервная цепочка, состоящая из раздельных или интегрированных
ганглиев (см. рис. II-7, а-д). Половая система обычно иннервируется группой
объединённых ганглиев в конце тела.
Различные формы организации ганглиев брюшной нервной цепочки обычно не
сказываются на поведении членистоногих и сходных с ними групп. Крайне сложное
инстинктивное поведение можно наблюдать как у общественных насекомых, так и у
представителей ракообразных с сегментарно-лестничной организацией брюшной
нервной цепочки. Таким примером могут быть представители равноногих
ракообразных (Isopoda) (см. рис. II-7, е) . Продольные нервные стволы и ганглии
равноногих ракообразных полностью разделены, как и у плоских червей.
Поперечные комиссуры образуют сходные «ступеньки» лестницы, но головные ганглии
намного крупнее и дифференцированнее, чем у червей. В такой нервной системе
достаточно полно сохраняется древнее сегментарное строение, но поведение
представителей этой группы крайне разнообразно и не менее сложно, чем у
высших членистоногих. Сухопутные мокрицы, размножающиеся в норах, заботятся о
своих потомках на протяжении 10 нед. Взрослые особи не выпускают молодь из
норы и выкармливают её остатками растений. Процесс спаривания водяных осликов
продолжается более 10 ч и осложнён переносом спермы при помощи шприцевидной
конечности. Такая забота о потомстве, постоянные места для размножения и
сложный половой процесс говорят о практическом равенстве возможностей
членистоногих с различным строением нервной системы.
Концентрация головных и туловищных ганглиев членистоногих шла различными
путями. Самым общим принципом стали укорочение комиссур и слияние ганглиев
правой и левой стороны тела (см. рис. II-7, а-е). Этот процесс может сопрово-
ждаться рострокаудальным уменьшением количества нервных сегментов. В конечном
счёте может происходить полная интеграция брюшной нервной цепочки до двух или
одного анатомического центра: головных и грудных ганглиев. Среди насекомых
своеобразным венцом совершенства организации такого типа являются двукрылые
(Diptera). В этом отряде, как правило, брюшные нервные ганглии отсутствуют
(см. рис. II-7, б). У десятиногих раков (Decapoda) хорошо выражены только
головной и торакальный ганглии. При этом относительная длина продольных
комиссур существенно меньше, чем у насекомых.
Надг лог очный
гангпии
ПоДГ лоточный
гангани
Пищевари тельная
трубка
Туловищные
ганглии
Protocerebrum
Deutocerebrjm
Tntocerebrum
Буквальные
ганглии
Неиро/емальныи орган
Церебральные
г ант лии
Плевральнь>е
ганглии
Висцеральные
ганглии
\ Педальные
ганглии
Рис. II-8. Нервная система различных беспозвоночных: а — первич-
нотрахейные (Onychophora) ; б — многоножки (Myriapoda) ; в — хели-
церовые (Chelicerata); г — насекомые (Insecta). Процесс торсии —
перекручивания внутренностного мешка и нервных стволов: до
начала перекручивания (д) и после его окончания (е) у брюхоногих
моллюсков (Gastropoda).
Однако латеромедиальное и каудоростральное слияние ганглиев может приводить
к своеобразному строению нервной системы членистоногих и сходных с ними
групп. Примером могут служить свободноживущие веслоногие ракообразные
(Copepoda, Calanoida) (см. рис. II-7, г) . Их головные и туловищные нервные
ганглии сливаются в непрерывную структуру, которая мало напоминает нервную
цепочку. Это связано с тем, что у этих в основном мелких (1-6 мм)
ракообразных голова сливается с грудью, а поведение очень незатейливо. Находясь в
толще воды, они являются специализированными фильтраторами. В этой группе
ракообразных сердце стало редкостью, а полостные жидкости передвигаются под
механическим воздействием кишечника. Жабры обычно отсутствуют, а газообмен
осуществляется через всю поверхность тела. Об уровне специализации веслоногих
ракообразных говорит то, что края их жующих ротовых пластинок усилены
кремниевыми соединениями, не встречающимися у других высших членистоногих. Надо
отметить , что нервная система свободноживущих веслоногих ракообразных намного
сложнее, чем у представителей этой группы, питающихся придонными осадками или
ведущих паразитический образ жизни. Для последних характерно упрощение
организации и уменьшение размеров всей нервной системы.
Самая высокая концентрация нервных ганглиев у ракушковых ракообразных
(Ostracoda) (см. рис. II-7, д) . Эти рачки обычно небольшого размера, у них
утрачена сегментация. Тело рачка обычно заключено в двустворчатую хитинизиро-
ванную и кальцифицированную раковину. Раковина часто может закрываться, а
снаружи появляются только конечности. Биология этих ракообразных очень
разнообразна. Среди них встречаются как фильтраторы, так и настоящие хищники. Они
могут обитать и в морском грунте, и на суше, что говорит о высокой
адаптивности их нервной системы. Надо отметить, что у этих ракообразных встречается
как партеногенетическое, так и половое размножение. Их половые органы крайне
сложны в строении и использовании. Самцы должны ввести свой половой аппарат
под панцирь самки и только потом выпустить сперматозоиды в защищенную
полость . После оплодотворения самка обычно откладывает яйца в какое-либо
укрытие. Ракушковые ракообразные проявляют своеобразную заботу о потомстве,
поскольку оплодотворённые яйца могут развиваться до вылупления под раковиной
матери. Все половые процессы у ракушковых ракообразных невероятно затруднены
тем, что у многих видов длина сперматозоидов в несколько раз больше длины
тела. Так, у представителей рода Pontocypris сперматозоид в 8 раз длиннее тела
взрослой особи и достигает 6 мм. Ракушковые ракообразные являются
своеобразными сексуальными рекордсменами, поскольку и относительные, и абсолютные
размеры их сперматозоидов не имеют аналогов среди животных.
Таким образом, у членистоногих и сходных с ними групп мы видим значительное
разнообразие анатомического строения брюшной нервной цепочки и головных
ганглиев . Однако они вписываются в общий архетип и обеспечивают сложное
инстинктивное поведение. Поведение свободноживущих форм как при лестничной нервной
системе, так и при единственном цереброторакальном ганглии существенно не
различается. В обоих случаях мы видим многоступенчатые инстинкты, заботу о
потомстве, сложное пищевое и половое поведение. Структурная организация
головных ганглиев и брюшной нервной цепочки даёт идеальную возможность для
создания универсальной системы с запрограммированным, но адаптивным поведением.
Брюшной нервной цепочкой далеко не исчерпываются варианты строения нервной
системы беспозвоночных. Существует множество групп этих животных, достойных
рассмотрения, как с позиций строения нервной системы, так и в связи со
сложностью поведения. Весьма демонстративна организация моллюсков (Mollusca). У
этих беспозвоночных встречаются самые контрастные формы строения нервной
системы с невероятным разнообразием поведения. У моллюсков известны
примитивнейшие нервные системы, состоящие из нескольких асимметричных ганглиев или
вообще без них. Такой тип нервной системы характерен для малоподвижных или при-
креплённых животных, и среди моллюсков есть настоящие рекордсмены. Самое
крупное неподвижное животное на этой планете — тридактна (Т. gigas) достигает
вместе с раковиной массы более 200 кг. Хорошо известны и свободноживущие
брюхоногие (Gastropoda) и головоногие (Cephalopoda) моллюски со сложным
инстинктивным поведением и способностью решать сложные экспериментальные задачи, не
встречающиеся в естественных условиях обитания.
§ 23. Нервная
система моллюсков
Наибольший морфофункциональный контраст представляют собой организация
нервной системы головоногих и двустворчатых моллюсков (рис. II-9; 11-10, а).
У двустворчатых моллюсков есть парные головные, висцеральные и педальные
ганглии, соединённые комиссурами (см. рис. 11-10, а) . Нервные стволы, идущие
от головных ганглиев, обычно замкнуты. Головные ганглии (cerebral ganglion)
могут быть построены по различному типу. У мидий нейроны расположены в самом
нейропиле ганглия (см. рис. II-9, и), а у сердцевидок и шаровок — по его
периферии (см. рис. II-9, г) . Различия в гистологическом строении ганглиев не
сказываются на их функциях. Головные ганглии в обоих случаях иннервируют
ротовые лопасти, передний аддуктор и мантию. Головные ганглии двустворчатых
моллюсков составного типа. Они образовались в результате слияния
церебрального и плеврального ганглиев. Висцеральный ганглий (visceral ganglion) также
образовался в результате слияния с париетальным ганглием. Он обычно несколько
меньше головного и расположен в каудальной части моллюска (см. рис. II-9, д).
Висцеральный ганглий иннервирует мышцы ретрактора, заднего аддуктора, сердце,
почку, сифон, половые органы и жабры. Пара педальных ганглиев (pedal
ganglion) иннервирует мускулатуру ноги (см. рис. II-9, е) . Они меньше других
ганглиев, но имеют разветвлённые эффекторные отростки, оканчивающиеся среди
мышц. Таким образом, нервная система двустворчатых моллюсков представлена
всего тремя парами ганглиев, которые образовались в результате слияния. Это
упрощение нервной системы связано с малоподвижным образом жизни и отсутствием
рецепторных головных структур. Органы чувств у двустворчатых моллюсков
достаточно специфичны и распределены по всему телу. На мантии, сифонах и жаберных
нитях встречаются вторичные глаза, которые не связаны непосредственно с
головным ганглием. Они имеют относительно сложное строение и могут воспринимать
не только освещённость, но и направление её изменения. Это позволяет
некоторым двустворчатым моллюскам перемещаться, пользуясь ногой или применяя
реактивное движение — хлопая створками, как морской гребешок. У двустворчатых
моллюсков хорошо развиты хеморецепторы — осфрадии и механорецепторные
осязательные клетки. Есть и статоцисты, которые локализованы в крае ноги вблизи от
педального ганглия.
Двустворчатые моллюски в основном являются малоподвижными фильтраторами с
довольно пассивным образом жизни. Среди них относительно активны только кам-
неточцы и корабельные черви. Камнеточцы делают ходы в камнях специальными
зубчиками или при помощи кислоты, выделяемой железами мантии. Размножение
сводится к откладке одиночных яиц и их наружному оплодотворению. Забота о
потомстве практически отсутствует, хотя яйца и могут развиваться на жабрах.
По сравнению с двустворчатыми моллюсками брюхоногие моллюски (Gastropoda)
являются образцом активного образа жизни и сложного поведения. Это
единственные моллюски, перешедшие к наземному образу жизни. Их тело разделено на
голову, ногу и туловище. В голове сосредоточены церебральные ганглии и основные
органы чувств. Обычно это две пары щупалец и глаза, имеющие довольно сложное
строение. Глаза могут представлять собой элементарные светочувствительные
ямки или сложные системы с хрусталиком и аналогом стекловидного тела. На щу-
пальцах расположены органы осязания и обоняния. Контактные хеморецепторы
представлены осфрадиями, а органы равновесия — статоцистами. Статоцисты
являются важнейшим органом чувств, особенно для наземных брюхоногих. Это отражено
и в их иннервации. Как правило, статоцисты иннервируются волокнами головного
ганглия.
Цер**Ьроп певро
Рис. II-9. Нервная система двустворчатых моллюсков (Bivalvia): а-е
— С. gallina corrugatula; ж-и — P. canaliculus. Красными точками на
микрофотографии (в) показана локализация увеличенных ганглиев (г,
д) ; г, и — головные ганглии (cerebral ganglion); д — висцеральный
ганглий (visceral ganglion); е — педальный ганглий
ganglion). Стрелками показаны этапы препаровки моллюсков.
(pedal
Рис. 11-10. Нервная система двустворчатых, панцирных и
головоногих моллюсков: Схема строения нервной системы двустворчатых
моллюсков (а) и хитона (б) ; внешний вид нервной системы (в) и
головного мозга (ж, з) кальмара; микрофотографии срезов головных
ганглиев осьминога (Octopus vulgaris): г — брахиальный ганглий;
д — висцеральный ганглий; е — церебральный ганглий.
Нервная система брюхоногих представлена 5-6 основными парами ганглиев,
которые связаны между собой продольными нервными стволами и поперечными комис-
сурами (см. рис. II-8, д, е). Головные ганглии расположены над глоткой и ин-
нервируют голову, глаза, щупальца и статоцисты. Плевральные ганглии
расположены позади головных и иннервируют переднюю часть мантии. Под пищеводом
расположены буккальные ганглии, иннервирующие глотку, пищевод и желудок. Этот
комплекс из трёх сближенных ганглиев связан несколькими комиссурами и пред-
ставляет собой головной центр — своеобразный мозг гастропод. Педальные
ганглии служат исполнительным механизмом управления ногой. Висцеральные ганглии
могут лежать сближенной парой или полностью сливаться. Они иннервируют
внутренние органы: почки, половые органы, кишечник и сердце. Отдельно лежащая
пара париетальных ганглиев иннервирует дыхательную систему жабр — ктенидий и
хеморецепторные осфрадии. У брюхоногих в связи с развитием асимметрично
закрученной раковины возникает торсия — перекручивание продольных нервных
стволов. Это приводит к тому, что париетальные ганглии левой и правой стороны
тела меняются местами, как показано на рис. II-8, е. Существует несколько
вариантов торсии, что зависит от расположения жаберного аппарата или лёгких.
Относительно скромная организация нервной системы брюхоногих моллюсков
оказалась весьма эффективной как в воде, так и на суше. Большинство брюхоногих
раздельнополы, хотя встречаемся и гермафродитизм с чередованием мужских и
женских периодов размножения. В большинстве случаев гастроподы — подвижные
животные, которые питаются растениями или хищничают. Однако встречаются и
прикреплённые колониальные формы, такие, как каури. Подобные фильтраторы
являются скорее исключением среди гастропод, чем правилом.
Поведение брюхоногих не отличается интеллектуальными поступками и
достаточно однообразно. Обычно брюхоногие питаются растительными остатками,
непосредственно растениями или грибами. В этом случае их активность сводится к поиску
пригодной пищи. Однако среди брюхоногих есть и настоящие хищники. Примером
агрессивного хищника является тестацелла (Т. maugei), которая питается
дождевыми червями. Она обладает достаточно развитыми органами чувств, чтобы
охотиться на дождевых червей в их норах. Многие хищные улитки охотятся на себе
подобных, но не брезгуют никакой животной пищей. В той или иной степени к
хищничеству могут прибегать представители разнообразных семейств.
Особую популярность в качестве объекта зоопсихологии приобрели головоногие
моллюски (Cephalopoda). Осьминоги, кальмары и каракатицы являются, по мнению
исследователей их поведения, своеобразными приматами мира беспозвоночных. Они
ведут преимущественно активный образ жизни, перемещаясь по дну на
многочисленных конечностях или плавают, используя принцип реактивного движения.
Выталкивание воды из мантийной полости позволяет им быстро плавать в толще
воды, но только задом наперёд. У головоногих в крайней форме проявляется цефа-
лизация нервных ганглиев (см. рис. 11-10, е, ж, з). Ганглии с различными
функциями сливаются над или под пищеварительной трубкой и образуют крупный
головной ганглий. Поскольку головоногие могут достигать 20-метровой длины,
размеры их головного ганглия могут быть сопоставимы с размерами мозга собаки.
При таких размерах конструкции и традиционной для беспозвоночных ганглиозной
организации нервной системы трудно представить себе эффективное
метаболическое обеспечение. Именно размеры головных ганглиев головоногих неизбежно
привели к возникновению внутри мозговых полостей. У большинства головоногих
моллюсков головные ганглии внутри полые. Однако надо оговориться, что речь идёт
только о надглоточной части головного ганглия.
Подглоточная часть обычно не имеет внутренней полости. Разделение головного
ганглия на подглоточный и надглоточный отделы функционально вполне обосновано
(см. рис. 11-10, ж, з). Подглоточная часть головного ганглия состоит из бра-
хиальных, педальных и висцеральных ганглиев, объединённых общим нейропилем
(см. рис. 11-10, г, д). Педальные ганглии уже внутри общей структуры
разделены на ганглии щупалец и ганглии воронки. Брахиальные и педальные ганглии
иннервируют щупальца и мантийную полость. Висцеральные ганглии отвечают за
иннервацию внутренних органов и содержат центр автоматической регуляции
дыхания .
Полый внутри надглоточный ганглий является своеобразным интеллектуальным
центром головоногих. В нём выделяют от 3 до 6 отделов. В самом сложном случае
к ним относят буккальные ганглии (ротовые), три пары центральных и две пары
церебральных ганглиев. Буккальные ганглии вынесены вперёд, не сливаются с
головным ганглием и отвечают за иннервацию ротовой зоны передней части
пищеварительной системы (см. рис. 11-10, ж) . Самыми ростральными надглоточными
(уже головными) являются центральные ганглии, которые расположены поперёк оси
головного центра. Их передняя пара контролирует механизм захвата, удержания,
подведения к клюву, расчленения и заглатывания пищи; 2-я и 3-я пары
центральных ганглиев хорошо развиты в связи с тем, что они отвечают за
гидродинамическую систему плавания и контролируют обновление воды в воронке. Эти
процессы осуществляются не непосредственно, а через контроль за исполнительными
висцеральными центрами. Эти же центры контролируют перемещения головоногих
при помощи щупалец, отвечают за осязательные ощущения и изменения направления
движения при плавании. В центральных ганглиях находятся и центры управления
окраской животных.
Надо отметить, что головоногие могут очень широко изменять свою окраску из-
за прямой иннервации пигментных клеток. Нервная система имеет
непосредственные окончания на каждой пигментной клетке, что позволяет головоногим
динамично изменять свой цвет при маскировке и смене настроения. Такой тип управления
пигментацией позволил каракатицам использовать смену окраски тела как
своеобразный цветовой язык. Во время брачных игр и оплодотворения самцы и самки
ведут переговоры на языке смены цветовой гаммы покровов, поэтому не
удивительно, что в тех же центральных ганглиях находятся и зрительные зоны. Туда
приходит информация от глаз, которые у головоногих моллюсков самые большие среди
животных. У крупных глубоководных головоногих описаны глаза диаметром 40 см —
абсолютный рекорд для фоторецепторных систем. Позади центральных ганглиев
расположены две или три пары продольно ориентированных церебральных ганглиев
(см. рис. 11-10, е, ж, з). Они непосредственно не связаны ни с какими
конкретными моторными или сенсорными системами.
Церебральные ганглии — своеобразная ассоциативная надстройка над подглоточ-
ными и надглоточными ганглиями. Они необходимы для принятия поведенческих
решений, что предопределяет развитость их связей со всеми центрами головных
ганглиев. Церебральные ганглии являются своеобразным аналогом ассоциативных
«лобных долей» высших млекопитающих и человека. Однако приматам придётся
скромно поджать хвост (у кого он есть), если сравнить относительные размеры
лобной доли человека и церебральных ганглиев небольшого осьминога. Если мозг
человека и осьминога уравнять в размерах, то ассоциативные центры головоногих
окажутся в 3 раза больше, чем лобные доли человека. Эти достойные различия
сказываются и на поведении головоногих.
Особое развитие их мозга связано с появлением головных щупалец, которые
могут быть дифференцированы по функциям. Эти своеобразные манипуляторы требуют
для своего управления развитого мозга. Обладая развитыми щупальцами,
головоногие могут прекрасно различать предметы на ощупь, вырабатывать устойчивые
навыки и надолго запоминать полученный опыт. У них прекрасно развита
исследовательская деятельность. Они сами обучаются открывать банки, отвинчивать
крышки, открывать двери и совершать многие другие антропоморфные действия,
привыкают к экспериментаторам, узнают их индивидуально, умеют бесцельно
играть с предметами и решать многоступенчатые задачи.
Головоногие моллюски давно бы стали безусловными интеллектуальными лидерами
нашей водянистой планеты, но природа сыграла с ними довольно злую шутку.
Наградив их развитым ассоциативным мозгом, сверхзффективными манипуляторами,
осязанием, хеморецепторами и зрением, она лишила их времени — главного
условия для накопления индивидуального опыта. Головоногие моллюски живут очень
недолго, обычно не более трёх лет. Кроме того, большая часть видов этой
группы моноцикличны. Они рождаются, растут, один раз размножаются и погибают.
Продолжительность жизни в 1 год ограничивает реализацию интеллектуальных
возможностей головоногих. Живи они подольше, и приматов могло бы не быть, а сушу
осваивали бы каракатицы в скафандрах.
Среди головоногих как бы в насмешку существуют и настоящие долгожители —
наутилусы (Nautiloidea). Все 6 видов этих головоногих обладают раковиной,
которую они заполняют газом и добиваются нейтральной плавучести. Они плохо
плавают, у них очень примитивно организованная нервная система. Окологлоточное
нервное кольцо не имеет выраженных центров, как у других головоногих.
Наоборот , нейроны не собраны в концентрированные ганглии, а довольно равномерно
распределены по нервным стволам и комиссурам. Вместо головных ганглиев у
наутилусов есть своеобразные нервные тяжи, которые огибают переднюю часть
пищеварительной трубки. Над ней проходит дорсальный тяж, гомологичный
церебральным ганглиям. Под пищеварительной трубкой проходят две комиссуры. Они
гомологичны подпищеводным ганглиям. Передняя соответствует педальным ганглиям, а
задняя — плевровисцеральным ганглиям. От последних идут два укороченных
ствола, которые заканчиваются оформленными висцеральными ганглиями. Подобная
распределенность нейронов по нервным тяжам характерна только для примитивных
параллельных ганглиев кишечнополостных и панцирных моллюсков. Понятно, что
столь примитивная «доганглиозная» нервная система не может претендовать на
морфологический субстрат интеллекта. Однако именно наутилусы живут достаточно
долго, чтобы приобрести индивидуальный опыт, который, правда, негде хранить.
Среди моллюсков особое положение занимает примитивная группа панцирных
моллюсков, или хитонов (Loricata). Это уплощённые билатерально-симметричные
моллюски с большим щитовидным панцирем на спинной поверхности. Он состоит из 8
пластин, которые расположены, как черепица на крыше. Обтекаемая форма тела
хитонов способна выдерживать прибрежные волны, а мускулистая подошва создаёт
разрежение, удерживающее животных на субстрате. Голова анатомически отделена
небольшой бороздкой от ноги, но на ней нет головных щупалец или
специализированных глаз. Светочувствительными органами являются особые раковинные глазки,
которые не встречаются у беспозвоночных других групп. Глазки появляются по
мере роста раковинных пластинок около их края. Общее число этих простых
глазков может достигать нескольких тысяч. Кроме светочувствительных глазков, у
хитонов есть рецепторы давления и глоточные вкусовые рецепторы. Присутствуют
и хеморецепторы — осфрадии, которые находятся возле жабр. Понятно, что от
животных с такими органами чувств трудно ожидать занимательного пищевого или
полового поведения. В основном они поедают растительные остатки, хотя не
брезгуют и животной пищей. Размножение хитонов обычно примитивно и состоит в
выбрасывании в воду половых продуктов самками и самцами. Вероятностное
оплодотворение компенсируется количеством яиц и сперматозоидов — некоторых видов
бывает более миллиона. Однако при вынашивании потомства в жаберных складках
число яиц снижается в тысячи раз.
Эта группа уникальна не столько поведением задумчивых моллюсков, поедающих
всё, что можно найти в приливной зоне морей и океанов, сколько нервной
системой. Под панцирем и жёсткой мантией скрывается одна из самых древних нервных
конструкций среди билатерально-симметричных животных планеты. Основой
организации нервной системы хитонов является окологлоточное нервное кольцо (см.
рис. 11-10, б) . От него начинаются 4 симметричных нервных ствола, которые
продолжаются вдоль всего тела. Между стволами присутствуют нерегулярные
поперечные комиссуры, а отходящие от них нервы не имеют чёткой сегментарной
организации. В основном это отдельные нервные волокна, формирующие диффузную ин-
нервационную сеть.
Наиболее важной характеристикой нервной системы хитонов является отсутствие
ганглиев. Их нет ни в зоне глоточного кольца, ни на протяжении туловищных
нервных стволов. Нейроны распределены практически равномерно по всей нервной
системе. Нервная система хитонов представляет собой по сути дела огромный
параллельный ганглий с афферентными и эфферентными волокнами. Такой примитивный
тип строения нервной системы встречается в окологлоточном кольце
кишечнополостных и некоторых червей. Однако целой нервной системы, построенной по
принципу примитивного параллельного ганглия, больше ни у кого не известно. Судя
по всему, такая организация была у первых билатерально-симметричных животных,
возникших на ранних этапах эволюции многоклеточных. О том, что параллельные
нервные ганглии предшествовали современным ганглиозным структурам, говорит и
то, что у некоторых видов хитонов вблизи рта встречаются признаки парных
ганглиев, напоминающих строение головных ганглиев двустворчатых моллюсков
(см. рис. II-9, и) . Следовательно, у наиболее примитивных хитонов нервная
система представлена параллельными ганглиями и периферической диффузной
нервной сетью. В таком субстрате не смогли возникнуть способности к обучению или
к сложной ассоциативной деятельности. Несложное поведение соответствует
описанному строению нервной системы.
Среди моллюсков существуют животные, мало похожие на кальмаров, улиток или
слизней, но очень интересные для оценки основных эволюционных тенденций в
развитии нервной системы. Это беспанцирные, или бороздчатобрюхие моллюски
(Aplacophora). Небольшая группа таких моллюсков напоминает скорее червей, чем
моллюсков. Беспанцирные моллюски — морские животные длиной несколько
сантиметров . Они ведут малоподвижный образ жизни и не обладают специализированными
органами зрения. Их нервная система отдалённо напоминает нервную систему
хитонов . Однако у беспанцирных моллюсков есть настоящие ганглии. Их нервная
система состоит из окологлоточного нервного кольца и 4 продольных стволов,
связанных нерегулярными комиссурами. Два брюшных ствола начинаются от подгло-
точных парных ганглиев, а боковые стволы — от асимметричного надглоточного.
Нижние и верхние стволы заканчиваются в конце тела ганглиями, которые попарно
соединены между собой. Надо отметить, что окологлоточное нервное кольцо у
беспанцирных двойное, лежащее рострально, не связано с нервными стволами и
имеет на брюшной поверхности парные небольшие ганглии. Под это описание
вполне подходит нервная система и некоторых плоских червей, показанная на рис.
II-5, г.
Таким образом, беспозвоночные демонстрируют значительное разнообразие в
организации нервной системы и поведении от примитивного поедания грунта до
активной охоты на себе подобных и позвоночных. Хотя перечисленными группами
далеко не исчерпывается многообразие мира беспозвоночных, в наши интересы
входит только то направление эволюции, которое имеет отношение к проблемам
возникновения хордовых. Мы рассмотрели только некоторые морфологические варианты
строения радиальных нервных систем и их возможные преобразования в
билатеральные конструкции. Попробуем подвести предварительный итог изложенным
данным.
§ 24. Эволюция
ганглиозной
нервной системы
На заре эволюции многоклеточных сформировалась группа кишечнополостных с
диффузной нервной системой (см. рис. II-4, а; рис. 11-11, а) . Возможный
вариант возникновения такой организации описан в начале этой главы. В случае
кишечнополостных отдельные нейроны объединены в элементарную нервную сеть,
которая относительно равномерно распределена между внутренним и наружным слоем
клеток. При всей простоте эта конструкция оказалась достаточно эффективной, и
её обладатели дожили до настоящего времени. Обычная для Европы пресноводная
гидра является классическим образцом поведения животного с такой нервной сис-
темой (см. рис. 1-2). Из этой стартовой позиции начался гигантский
эволюционный эксперимент по созданию эффективной системы управления организмом.
♦ ft ♦
9 ь
« 4
t
- ©
©
©
4 €
О
©
©
Рис. 11-11. Эволюционные изменения расположения центров нервной
системы от радиально- к билатерально-симметричным животным: а, б
— кишечнополостные; в, г — плоские черви; д — членистоногие; е —
позвоночные; ж — круглые черви. На поперечных сечениях: нервные
тяжи и комиссуры — голубые, ганглии и скопления тел клеток —
синие. Стрелками вокруг сечений показаны направления слияния
нервных стволов, одним и тем же цветом — последствия концентрации
нервных элементов.
На первом этапе эволюции произошёл наиболее простой вариант усложнения
нервной системы — концентрация нервных клеток в ганглии. Процесс объединения
нервных клеток шёл различными путями: во-первых, вокруг глотки, что
характерно для всех без исключения животных того периода, во-вторых, вдоль
несимметричного тела.
По выделенным тяжам нервных клеток проще проводить общий для всего тела
управляющий сигнал. Это произошло уже у кишечнополостных, и такие животные
дошли до нашего времени. У многих современных актиний есть «скоростные»
морфологически выделенные нервные стволы (см. рис. II-4, е) . Появление таких,
стволов с признаками параллельных ганглиев произошло в результате объединения
соседних нейронов. Для огромного большинства кишечнополостных такого
усложнения диффузной нервной системы оказалось более чем достаточно. Они достигли
того неврологического максимума, который при их образе жизни гарантировал
питание и размножение. Однако даже среди радиально-симметричных
кишечнополостных этот процесс происходил неодинаково. По-видимому, возникали как
продольные, так и поперечные стволы из нервных клеток (см. рис. II-4, г, д).
Судя по всему, достижением стало появление радиально-комиссуральной
конструкции, которая могла сочетать в себе как дифференциальные сегментарные
реакции, так и генерализованные ответы на раздражения (см. рис. II-5, в; 11-11,
б) . Радиально-комиссуральная нервная система могла стать основой для
появления любых сегментированных существ. Это связано с тем, что отдельные сегменты
имели собственные комиссуры, что позволяло решать сегментарные «проблемы» на
месте, за счёт автономных нервных механизмов. Организм из повторяющихся
сегментов становится менее уязвимым. Способность к масштабной регенерации — не
менее важное свойство, чем эффективность питания или размножения. Из такого
организма могли произойти самые разнообразные билатерально-симметричные
конструкции (см. рис. 11-11, е, ж).
Причиной этих процессов могли быть дальнейшая концентрация нервной системы
в виде стволов и комиссур. В одном случае стволы могли сливаться дорсально,
латерально и вентрально, как показано на рис. 11-11, б, зелёными стрелками.
Результатом стало появление 4 продольных нервных стволов (см. рис. 11-11, ж).
Один ствол лежит дорсально, два — латерально и один — вентрально. Возникла
своеобразная билатеральная симметрия, которая относительно редко встречается
у других беспозвоночных. Такая нервная система характерна для нематод. По-
видимому, комиссуральные тяжи у нематод исчезли уже вторично, в связи с
упрощением их биологии (см. рис. II-5, б). Аналогичное, но альтернативное слияние
нервных стволов показано фиолетовыми стрелками (см. рис. 11-11). Оно могло
произойти у ползающего в придонном слое организма. После слияния нервных
стволов возникла конструкция, похожая на нервную систему нематод, но нервные
стволы расположены иначе: 4 нервных ствола лежат попарно, 2 сверху и 2 снизу.
Нервная система такого строения встречается у многих плоских червей и хитонов
(см. рис. II-5, г; 11-10, б; 11-11, е). Дальнейшая концентрация нервных
элементов могла пойти по пути, отмеченному коричневыми или красными стрелками.
При слиянии нервных стволов по принципу, отмеченному коричневыми стрелками
(см. рис. 11-11, е) , возник вариант строения, характерный для большинства
современных плоских червей. Это уже лестничная нервная система с симметричными
парными нервными тяжами, идущими вдоль всего тела (см. рис. 11-11, г). Её
широкая распространённость среди беспозвоночных говорит сама за себя. Однако
самое существенное состоит в том, что этот тип организации дал начало нервной
системе членистоногих и сходных с ними животных (см. рис. 11-11, д) . Слияние
двух продольных нервных стволов произошло в вентральной части тела, как
показано на рис. 11-11, г зелёными стрелками. Следы незавершенности этого
процесса встречаются у многих современных членистоногих (см. рис. II-6; II-7).
Возникновение брюшной нервной цепочки и специализированных головных
ганглиев стало решающим событием в развитии животного мира. С такой нервной
системой, конечно, невозможно творческое мышление в нашем понимании. Однако
животным с небольшой продолжительностью жизни, развитой системой инстинктивных
форм поведения, эффективной стратегией размножения и скромными линейными
размерами в развитом интеллекте нет особой нужды. Проблемы выживания решаются не
менее эффективно другими путями. Баланс между потенциальными возможностями
инстинктивного поведения, ограниченной памятью и совершенством органов чувств
был достигнут в ограниченном объёме головных ганглиев и скромной брюшной
нервной цепочке. Это привело к распространению членистоногих и сходных с ними
групп в мировом океане, освоению пресноводных водоёмов, почвы и суши. Плодами
процветания стали поведенческое разнообразие, самое большое число видов и
сложнейшая биология представителей этой группы.
Не менее интересен другой вариант слияния нервных стволов, показанный на
рис. 11-11, е красными стрелками. В этом случае произошло объединение парных
дорсальных и парных вентральных нервных тяжей. Результатом такой концентрации
нервных стволов могло стать весьма оригинальное беспозвоночное с
билатеральной симметрией и двумя нервными стволами: дорсальным и вентральным. На это
могут претендовать отдельные щупальца иглокожих (Echinodermata). Однако
строение их нервной системы имеет мало общего с другими рассматриваемыми
конструкциями. Иглокожие представляют собой интереснейшую в неврологическом
отношении группу. Основная часть их нервной системы — околопищеводное нервное
кольцо, поскольку о голове говорить не приходится. От него тянутся нервные
стволы вдоль амбулакральной системы (по нижней части щупальца). Выраженных
ганглиев нет, а нейроны расположены в стволах диффузно. Этот отдел нервной
системы иглокожих носит название эктоневрального. Кроме него, у голотурий,
офиур, морских звёзд и ежей встречается гипоневральная нервная сеть, а у
морских лилий — ещё и апикальная. Все три параллельные нервные сети одновременно
хорошо развиты только у офиур. Специализация офиур столь высока, что
гипоневральная сеть имеет даже небольшие ганглиозные утолщения по ходу нервных
стволов . В остальных группах обычно развита гипоневральная нервная сеть, которая
часто анатомически сливается с эктоневральной сетью, как у голотурий.
Считают, что апикальная и гипоневральная сети выполняют моторные функции, а экто-
невральная — сенсорные. Это не совсем так, поскольку разбросанные по телу
осязательные клетки и светочувствительные глазки могут быть связаны с любой
из сетей. Эволюция нервной системы иглокожих настолько специфична, что
заслуживает отдельного глубокого рассмотрения. Однако всерьёз считать иглокожих
эволюционными преемниками дорсального и вентрального слияния нервных стволов
невозможно (см. рис. 11-11, в) . Причиной для такого вывода является наличие у
иглокожих трёх параллельных нервных систем, хотя у всех видов только одна эк-
тоневральная сеть. По-видимому, она и была первичным нервным образованием в
этой группе. Апикальная и гипоневральная сети возникли у иглокожих вторично,
что подтверждается их вариабельностью или полным отсутствием у многих
представителей этого типа.
Нервная
система
хордовых
Палеонтологическая летопись содержит более чем скромные сведения о
происхождении хордовых. Разрозненные и отрывочные данные не позволяют пока ясно
представить себе события, которые привели к появлению первых хордовых, а
затем и позвоночных животных. Все современные теории происхождения первых
позвоночных построены на весьма сомнительных предположениях. В их основе лежат
особенности строения современных условно «примитивных» видов, немногие
ограниченные палеонтологические данные и столько же здравого смысла в сочетании с
творческой фантазией. На таком сомнительном субстрате трудно создать
достоверную гипотезу происхождения одной из ключевых групп животных, тем более что
проверить её, по-видимому, никогда не удастся. В связи с этим имеют право на
существование самые невероятные гипотезы эволюционного происхождения
позвоночных. Любая из них может получить дополнительные доказательства по мере
расширения наших палеонтологических знаний и технических возможностей. При
создании настоящей теоретической реконструкции давно прошедших событий я
старался опираться на основные принципы морфологических преобразований нервной
системы.
Воссоздание событий, приведших к появлению современных позвоночных,
сводится к двум частным задачам. Первая состоит в том, чтобы обнаружить или пред-
ставить себе древнее беспозвоночное животное, которое могло бы стать
гипотетическим предком позвоночных. Вторая задача связана с реконструкцией событий,
которые могли привести к появлению древних позвоночных. Для решения этих
задач необходимо создать самый общий план строения позвоночных и беспозвоночных
животных. Их сравнение позволит определить те морфологические проблемы,
которые были решены в процессе эволюции.
Современные позвоночные представляют собой весьма пёструю в морфологическом
плане группу. У них билатеральная симметрия, хорда или позвоночник и
дорсально расположенная центральная нервная система с полостью внутри (рис. 11-12,
б) . Среди современных беспозвоночных также много билатерально-симметричных
животных с дорсально расположенными головными ганглиями. Однако эти ганглии
соединены комиссурами с нервной цепочкой, расположенной вентрально, под
пищеварительной трубкой (см. рис. 11-12, а) . Морфология головных ганглиев
беспозвоночных намного более разнообразна, чем строение головного мозга
позвоночных животных (см. рис. II-7; II-8) . В нервной системе беспозвоночных (за
исключением головоногих) отсутствуют мозговые желудочки или центральный канал
спинного мозга. Нервная система позвоночных намного более консервативна, чем
беспозвоночных, что отразилось и на её общем плане строения. Она состоит из
двух больших отделов: центрального и периферического. К центральной нервной
системе относят головной и спинной мозг. Эти два отдела переходят друг в
друга и представляют собой трубчатую структуру, расположенную над хордой или
позвоночником. Головной мозг расположен в передней части тела и представляет
собой скопление нейронов, обслуживающих основные органы чувств и эффекторные
центры. Спинной мозг вытянут вдоль тела над хордой или позвоночником. В
спинном мозге расположены нейроны, передающие сигналы от мышц, внутренних органов
и покровов в головной мозг. Через нейроны спинного мозга поступает большая
часть эффекторных сигналов, управляющих работой внутренних органов и
скелетной мускулатуры. Ганглии и нервы, расположенные среди внутренних органов,
считают периферической нервной системой. Она представлена чувствительными и
эффекторными нервами и ганглиями. Головной мозг состоит из 5 основных
отделов , связанных с развитием основных дистантных и внутренних органов чувств,
нейрогормональных и моторных центров (см. рис. 1-14; 1-20; 1-22). У низших
хордовых нет анатомически выраженного головного мозга и специализированных
отделов (см. рис. 11-12, б).
Следовательно, основным отличием нервной системы позвоночных от
беспозвоночных является её дорсальное положение, наличие внутренней полости и
отсутствие окологлоточного нервного кольца. Для преодоления имеющихся различий в
строении нервной системы этих групп мы должны попытаться найти какие-либо
варианты организации, пригодные для воссоздания древней переходной формы.
Идентификация возможных предковых форм хордовых осложнена тем, что явных
претендентов на роль их беспозвоночных предшественников не обнаружено. Выбор
наиболее вероятной предковой группы хордовых обычно основан на одном или двух
признаках, которые встречаются одновременно у беспозвоночных и позвоночных
животных .
Это приводит к парадоксальной ситуации. Мы имеем набор видов с явным
сходством строения, но не можем представить себе механизм перехода одной формы в
другую. Для того чтобы избежать подобных затруднений, можно использовать
приём морфогенетической реконструкции. При анализе событий происхождения
хордовых наиболее адекватен сравнительно-анатомический и эмбриологический подход,
который акцентирует внимание не на родственных связях животных, а на морфоге-
нетических принципах эволюционных преобразований нервной ткани. С этих
позиций можно провести оценку различных гипотез происхождения нервной системы
хордовых.
Рис. 11-12. Общий план строения беспозвоночных и позвоночных.
Схема нервной системы членистоногих (а) и позвоночных (б) .
Буквенное обозначение сечения (в) соответствует схеме в; г —
увеличенный участок сечения ланцетника; д — сечение тела круглого
червя. У круглых червей и ланцетника мышечные клетки формируют
длинные отростки, которые доходят до нервных стволов или
проникают в нервную трубку. Нейроны по этим отросткам передают
управляющие сигналы к мышечным волокнам.
§ 25. Теории
происхождения хордовых
Бытует несколько точек зрения на возникновение хордовых, которые
различаются как по подходам к решению проблемы, так и по животным, избранным в
качестве представителя предковых групп. Наиболее известны гипотезы возникновения
хордовых от предковых форм членистоногих, паукообразных, немертин, кольчатых
червей, иглокожих, гребневиков и кишечнодышащих. Для серьезного обсуждения
пригодны только некоторые наиболее известные и обоснованные концепции. Тем не
менее, краткого упоминания заслуживают и весьма оригинальные идеи, если
только они не обходят стороной проблему филогенетического становления нервной
системы.
Гипотеза происхождения хордовых от паукообразных построена на принципе
дорсальной миграции нервной системы. В её основе лежат предположения о том, что
паукообразные имеют кишечник, сходный по форме с трубчатой нервной системой
позвоночных. Нервная цепочка паукообразных расположена на брюшной стороне,
непосредственно под пищеварительным каналом (см. рис. II-8, е) . В
соответствии с этой гипотезой нервные клетки мигрировали дорсально и расположились
вокруг пищеварительного канала. Они вросли в него, сформировав трубчатую
нервную систему, а кишечная полость стала мозговыми желудочками и спинномозговым
каналом. Повторно пищеварительный канал сформировался из вентральных эктодер-
мальных складок, которые возникли между конечностями. Однако несколько
особенностей строения паукообразных не могли исчезнуть бесследно. Во-первых, для
всех хелицеровых характерно дорсальное расположение сердца. У хордовых оно
лежит под хордой и нервной системой, а в предложенной гипотезе оно остаётся
над ними. Во-вторых, у паукообразных развита сложная выделительная система,
состоящая из мальпигиевых сосудов. Весьма сомнительно, что при обрастании
кишечного канала нервными клетками она могла бесследно исчезнуть. Кроме этого,
у паукообразных должны были редуцироваться развитая дыхательная система и
возникнуть жаберное дыхание; разрушиться плотная кутикула (непроницаемая для
воды) и возникнуть хорда. При этом хорда должна была сформироваться между
древним кишечником, ставшим нервной трубкой, и новым кишечником, возникшим из
брюшной эктодермы. Если бы это произошло, то при эмбриональном развитии
кишечник позвоночных закладывался бы из эктодермы, а нервная трубка — из
мезодермы. Это не известно ни для одной из групп позвоночных. Маловероятно, что
без следа могли исчезнуть весьма совершенные членистые конечности и
возникнуть зачатки плавников. Дополнительной проблемой является наличие двух
отделов тела у паукообразных: просомы и опистосомы. Эти два отдела имеют
возможность независимо регулировать внутреннее давление, что позволяет выпрямлять
конечности при увеличении давления в просоме, а в опистосоме давление
остаётся неизменным. В такой ситуации какой-либо смысл появления трубчатой нервной
системы отпадает, поскольку внутрижелудочковое движение спинномозговой
жидкости становится невозможным. Надо отметить, что эта гипотеза не имеет никаких
эмбриологических и сравнительно-морфологических подтверждений и представляет
художественный интерес как иллюстрация диапазона научных фантазий.
С точки зрения организации нервной системы довольно трудно выводить предков
хордовых от полихет, хелицеровых и членистоногих. Это связано с тем, что их
мозг уже сильно специализирован. Он имеет первичные и вторичные зрительные и
антеннальные центры, хорошо развитые грибовидные тела и совершенную нейроэн-
докринную систему, которая регулирует рост, линьку и созревание животного.
Допуская возможность происхождения хордовых от этих групп, нельзя объяснить
редукцию наиболее развитых отделов мозга и замену высокоспециализированной
эндокринной регуляции на нейральную. Эта идея противоречит многочисленным
данным об основных закономерностях эволюции нервной системы. При упрощении
строения нервной системы в первую очередь происходит редукция ассоциативных,
а затем и вторичных мозговых центров периферических анализаторов. Система
нейрогормональной регуляции начинает играть всё большую роль, постепенно
подменяя физиологические функции нервной системы. Иначе говоря, при редукции
нервной системы все события развиваются в обратном порядке: эндокринные
функции заменяют нейральные, а не наоборот. Следовательно, у низших хордовых мы
должны были бы видеть упрощённую нервную систему и весьма совершенную
эндокринную регуляцию функций, чего на самом деле не наблюдается.
Не менее оригинальна старая идея Дорна о существовании предков хордовых,
похожих на кольчатых червей. Основной проблемой этой модели также является
брюшное расположение нервной цепочки и отсутствие внутри неё полости.
Гипотеза происхождения хордовых от кольчатых червей строится на изящной идее о
переворачивании червя. В этом случае нервная система оказывается сверху, а
кровеносная система внизу; направление тока крови у перевёрнутого червя и
хордовых совпадает. Иначе говоря, чтобы из вентральной нервной цепочки и
надглоточного ганглия, изображённого на рис. 11-12, а, получить дорсальную нервную
трубку с мозгом в одной плоскости (см. рис. 11-12, б) , надо допустить
множество невероятных событий. Для того чтобы обойти перечисленные затруднения,
было предложено универсальное объяснение, которое предполагает
дифференциальную редукцию наиболее «неудобных» для таких филогенетических построений
отделов нервной системы. Этот подход возник ещё в конце XIX в. в связи со старой
идеей о том, что предком позвоночных могло быть животное с вентральной
нервной цепочкой и надглоточным ганглием. Это существо по загадочным причинам
перевернулось к верху брюхом и стало ползать на спине. Понятно, что в этом
случае надглоточный ганглий оказывается под пищеводом. Однако мозг у позвоночных
находится не на груди. Таким образом, возникла проблема, связанная с
«неудобным» положением головных ганглиев у перевернувшегося животного. Было сделано
предположение, что головной специализированный ганглий беспозвоночных мог
просто ненадолго редуцироваться, а затем возникнуть вновь. Его вторичное
возникновение произошло в новом месте, уже соответствующем положению мозга
хордовых .
В несколько изменённом виде эта гипотеза продолжает разрабатываться в
настоящее время. Её сущность сводится к переносу гипотетического процесса
переворачивания дорновского червя на эмбриологическую стадию. Считается, что в
эмбриональном периоде мозг «небольшой», и можно легче допустить его редукцию.
Это простодушное предположение привело к выведению вторичноротых из
гипотетического диплеуруло-образного предка. Предполагается, что личинки
кишечнодышащих — типичные диплеурулы, сходные по организации с предковыми формами
хордовых. Согласно этой гипотезе рот и анус диплеурулообразного предка являются
частями длинного щелевидного бластопора, а анус смещён на морфологически
спинную сторону. У вторичноротых выделяют постнатальный (IV) отдел тела,
снабжаемый целомической полостью от 3-й пары целомических карманов
диплеурулы. На основании этого вывода телосома погонофор гомологизируется с IV
отделом тела всех прочих вторичноротых. Исходя из этих рассуждений,
предполагается, что «хордовые являются перевёрнутыми вторичноротыми», стебель
Pelmatozoa гомологичен постнатальному отделу, а мадрепоровая плоскость
иглокожих гомологична сагиттальной плоскости остальных вторичноротых. Гипотеза
неотенического происхождения хордовых от диплеурулообразной личинки оказалась
наиболее жизнеспособной, но её основные положения весьма дискутабельны. С
одной стороны, гомологизация нервной трубки и нейротрохоида полихет не совсем
ясно обоснована, а морфогенетические механизмы и биологические цели подобных
трансформаций довольно трудно представить. С другой стороны, крайне спорно
неожиданное превращение нервной пластинки, закладывающейся по месту замыкания
бластопора, не в брюшной, а в спинной нервный тяж. Для реализации таких
событий должно радикально измениться не только окончательное строение органа, но
и весь эмбриональный морфогенез, включая закладку основных зародышевых
листков .
Эти проблемы не решены и в других гипотезах неотенического происхождения
хордовых. Их основной подход состоит в утверждении, что близкая к личинкам
асцидий неотеническая форма стала родоначальницей всего типа хордовых, хотя
возникновение самой этой личинки остаётся очень проблематичным. Её
существование в прошлом умозрительно и не имеет никаких реальных аналогов. При появ-
лении нервной системы хордовых превращение диплеурулы в нотонейрулу и
головастика асцидий является самым сомнительным моментом гипотезы, поскольку даже
косвенных доказательств этой точки зрения крайне мало.
Существует менее впечатляющая, но более реалистичная гипотеза редукции
надглоточного ганглия без перемещения ротового отверстия. В пользу происхождения
хордовых от сегментированных предков говорят данные о сегментарном
расположении выделительной системы. Она очень сходна у ланцетника и кольчатых червей,
но это не гомологичные органы, а результат конвергентного развития. В этой
гипотезе не преодолены проблемы, связанные с отсутствием каких-либо признаков
хорды и жаберных щелей. Кроме этого, ротовое отверстие должно было бы
переместиться на брюшную сторону, а посегментный простомиум с нервными ганглиями
и посегментный перигидиум должны были бы слиться в большей части тела. Ещё
менее вероятно объединение посегментных схизоцелей и изменение механизма
образования мезодермы. Дополнительные трудности возникают при анализе развития
кольчатых червей. Их развитие происходит со спиральным дроблением или при
помощи эпиболии у форм с богатыми желтком яйцами. Для хордовых характерно орто-
радиальное дробление, что коренным образом отличает их развитие от червей и
моллюсков. Несмотря на некоторое сходство хордовых и кольчатых червей,
довольно мало оснований для принятия такой точки зрения.
У кишечнодышащих и иглокожих происходит радиальное дробление яйца, как и у
хордовых животных. В обеих группах в процессе развития формируется бластула,
переходящая в гаструлу при помощи инвагинации стенки зародыша. Это явление
типично для вторичноротых, хотя оно изредка встречается у кишечнополостных.
Их также сближает с хордовыми недетерминированное развитие яйца. Эта
способность к регуляции в сочетании с образованием целома и закладкой бластопора
позволила гипотезе происхождения хордовых от иглокожих приобрести большую
популярность среди эволюционистов. У морских лилий доминирует апикальный отдел
нервной системы, который происходит из целомического эпителия. Он, как и ги-
поневральный отдел, выполняет основные нервные функции организма и приобрёл
роль центрального нервного аппарата. В этом случае эктодермальный отдел
нервной системы развит ещё менее, чем у морских звезд и ежей. Надо отметить, что
дорсальное положение радиальных стволов апикальной нервной системы более
всего напоминает топологию нервной трубки позвоночных, но её происхождение из
фагоцитобласта нивелирует это преимущество.
По сути дела, у иглокожих возникает нервная система, характерная для
большинства беспозвоночных. Она расположена на брюшной стороне тела, но
происходит или из гипоневральных каналов либо из эпителия целомических полостей.
Понятно , что гомологизировать её с нервной системой хордовых невозможно. Для
преодоления этой проблемы вновь предлагается «дегенеративный» подход.
Считается, что в какой-то момент нервная система иглокожих стала дегенерировать.
«Дегенерация» была весьма своеобразной. В первую очередь стали исчезать не
слаборазвитые дериваты эктодермального нервного отдела, а
высокоспециализированные и совершенные гипоневральный и апикальный отделы. Когда такая
«дегенерация» успешно завершилась, то по необъяснимым причинам вновь возникла острая
необходимость в совершенной нервной системе, которая возникла из эктодермаль-
ных стволов вторично. Однако даже при допущении столь странной редукции
основной вопрос остаётся открытым. Эктодермальные нервные тяжи расположены на
вентральной стороне тела иглокожих. Их перемещение в дорсальное положение
приводит к тем же проблемам, что и в гипотезе происхождения хордовых от
хелицеровых или кольчатых червей. Кроме того, имеются неясности в сходстве цирку-
ляторной «гемальной» системы иглокожих и хордовых. У хордовых ток крови
направлен вперёд по нижней части тела и назад по верхней, а у иглокожих цирку-
ляторные функции выполняет целомическая жидкость. Сопоставить выделительные
системы обеих групп невозможно, так как у иглокожих аналогов экскреторных ор-
ганов хордовых нет. Не менее проблематично возникновение хорды у иглокожих.
Довольно трудно представить трансформацию субэпидермальных известковых
косточек (правда, мезодермального происхождения) в хорду, перемещение нервной
системы в дорсальное положение, формирование нервной трубки и появление жаберных
щелей. У всех приведённых гипотез происхождения хордовых есть общая черта,
которая не подвергается сомнению, — гомологичность билатеральной симметрии
первично- и вторичноротых.
Основой для установления такой гомологии является положение ротового
отверстия. Считается, что возникновение оси симметрии связано с переходом рта в
одну из антимер, разделяемых щупальцевой плоскостью. Сколециды после перехода
к ползанию формируют рот на ползательной стороне и в оральной плоскости,
которая становится сагиттальной плоскостью симметрии. Трохофорные животные
начинают ползать на оральной стороне. Их первичный рот вытягивается вдоль оси
тела, смыкается в центральной части и разделяется на ротовое и анальное
отверстия. В этом случае сагиттальная плоскость симметрии сохраняется. У
вторичноротых первичный рот превращается в анальное отверстие, а вторичное
ротовое отверстие формируется в той же сагиттальной плоскости. Во всех трёх
группах животных ось симметрии остаётся неизменной. Несмотря на стройность этой
гипотезы, реальная первичноротость характерна только для плоских червей, а
истинная вторичноротость свойственна иглокожим. В остальных случаях
проведение строгих гомологии вызывает большие трудности. В основе этих рассуждений
лежит допущение о строгой гомологии симметрии тела у всех групп животных. Это
утверждение весьма спорно, поскольку высокая пластичность и многообразие
вариантов возникновения рта-ануса говорит о невысокой консервативности этого
признака. По-видимому, вторичноротость возникала неоднократно, что привело к
многообразию способов закладки кишечника в онтогенезе. Следовательно,
закладка и положение рта-ануса у первично- и вторичноротых не являются строгим
доказательством гомологичности правой и левой стороны тела в обеих группах
животных. Гомологизация симметрии тела у первично- и вторичноротых приводит и к
чисто биологическим трудностям. Если разделять эту точку зрения, то
становится неразрешимой проблема происхождения дорсального положения нервной
системы хордовых. При сохранении неизменности билатеральной симметрии во всем
филогенезе предков хордовых мы не можем без больших допущений объяснить
перемещение нервной системы из брюшного положения в спинное.
§ 26. Происхождение
нервной системы хордовых
Наиболее часто обсуждаемые гипотезы происхождения не могут объяснить
появление одного из основных признаков хордовых — трубчатой нервной системы,
которая располагается на спинной стороне тела. Мне хотелось бы использовать
другой подход. На основании анализа морфологической организации нервной
системы можно попытаться воссоздать последовательность этапов её
филогенетического становления. Стоит обратить внимание на строение современных личиночно-
хордовых.
Это большая группа морских животных, имеющих на стадии личинки выраженную
спинную струну — хорду, над которой расположена нервная трубка (рис. 11-13).
Их личинки, как правило, свободноплавающие и всегда снабжены хвостом.
Наиболее характерным представителем этой группы является асцидия.
Свободноплавающие личинки асцидий по общему виду немного напоминают головастиков лягушек
с овальным телом и длинным, сжатым с боков хвостом. По оси хвоста идёт хорда,
представляющая собой столбик студенистого вещества, одетый одним слоем
клеток. Над хордой расположена нервная трубка, а по бокам — мышцы.
В теле личинки нервная трубка утолщается, а в головной зоне приобретает вид
пузырька (см. рис. 11-13). Это чувствительное образование является
предшественником мозга и содержит рецепторы. Личинка асцидий может воспринимать свет
с помощью светочувствительного глазка и узнавать о направлении
гравитационного поля благодаря статоцисту. Активно перемещающееся животное имеет глотку,
сердце, околосердечную полость и выделительную систему, открывающуюся наружу
одиночным отверстием. В таком состоянии большинство личинок находится только
несколько часов. Затем они прикрепляются к какому-либо предмету при помощи
специальных сосочков и превращаются во взрослое оседлое животное.
© О
Рис. 11-13. Внешний вид, общий план строения половозрелой
асцидий и реконструкция головы свободноплавающей личинки: а, г —
внешний вид и схема строения асцидий; б — ганглий половозрелой
асцидий; в — схема строения головы и сечение личинки асцидий. У
личинки нервная система представлена трубкой с асимметричным
головным расширением и двумя нервными стволами. Один ствол лежит
выше нервной трубки, а другой — ниже хорды.
Такое превращение носит название регрессивного метаморфоза. Он заключается
в увеличении числа глоточных дыхательных отверстий, полном исчезновении
хвоста и хорды. Наибольшим изменениям подвергается нервная система. Исчезают
хвостовой отдел нервной трубки, глазок и статоцист. Вместо головного пузырька
и туловищной нервной трубки формируется одиночный ганглий, свойственный
нервной системе беспозвоночных (см. рис. 11-13). Он лежит между ротовым и
анальным отверстиями, вытянут в спинно-брюшном направлении и формирует несколько
нервных стволов. На брюшной стороне нервного узла расположена субнейральная
железа, которую гомологизируют с гипофизом позвоночных. Таким образом, из
активной свободноплавающей личинки с хорошо развитыми органами чувств, хордой и
сложноорганизованной нервной системой возникает сидячее взрослое животное. У
прикреплённой асцидий органы, указывающие на родство с позвоночными,
изменяются до неузнаваемости. Большую часть тела оседлой формы занимает
пищеварительный тракт U-образной формы с обширной глоточной полостью.
Описанный жизненный цикл не является универсальным для всех оболочников. У
некоторых примитивных родов этой группы хвостатой стадии развития нет, а у
других развитие личинки происходит в родительском организме. Этому
способствует гермафродитизм (двуполость) взрослых оболочников.
Следующими по уровню организации являются бесчерепные, или головохордовые,
которые обладают всеми основными признаками хордовых. Они имеют во взрослом
состоянии хорошо развитые хорду, спинной мозг и жаберные щели. Единственным
представителем группы является ланцетник (Amphioxus lanceolatus) — небольшое
животное с прозрачным телом, которое заострено с обоих концов и сжато с
боков . Нервная система ланцетника расположена над хордой, между мышцами правой
и левой стороны тела (см. рис. 1-12, б-г) . При этом мышечные волокна не ин-
нервируются отростками нервных клеток ланцетника. Сами мышечные клетки
образуют отростки, которые входят в нервную трубку. По ним поступает управляющий
сигнал в мышечные волокна. Аналогичное строение имеют нервно-мышечные связи у
круглых червей. Их мышечные клетки также образуют отростки, соединяющие мышцы
с нервными стволами, проходящими вдоль тела (см. рис. 1-12, д) .
Центральная нервная система имеет вид трубки, которая в поперечном разрезе
представляет собой треугольник с полым центральным каналом. Сама трубка
состоит преимущественно из продольных нервных волокон и тел клеток,
сгруппированных вокруг центрального канала. Периферическая нервная система состоит из
нервов, отходящих от центральной нервной системы. Они делятся на две группы:
первая образована несимметричными парами нервов, отходящих от передней части
нервной трубки, называемой мозгом; вторая группа состоит из большого числа
спинных нервов, отходящих от спинного мозга (рис. 11-14). Первая пара
головных нервов отходит от переднего края нервной трубки, а вторая — от его
спинной стороны. Обе пары нервов имеют нервные узлы, которые размещены в головной
части ланцетника. Спинные нервы распределены посегментно и соответственно
расположению миомеров нервы правой и левой стороны отходят поочередно, а не
друг против друга. В каждом сегменте с каждой стороны тела есть два нерва:
спинной и брюшной. Спинной нерв отходит одним корешком от верхней стороны
спинного мозга. Нервы идут к коже и к мышцам, являясь как чувствительными,
так и двигательными. Брюшной нерв состоит из многочисленных отдельных
волокон, которые входят в нервную трубку от миомеров (см. рис. 11-12, г; 11-14).
В передней части нервной трубки центральный канал незначительно
расширяется, образуя большую полость — желудочек передней части нервной трубки, а
несколько позади него формируется спинное расширение. Это образование, как и
вся нервная трубка, покрыто тонкой соединительнотканной оболочкой. Передний
верхний отдел нервной трубки выдаётся небольшим полым мешком (асимметричная
ямка Кёлликера), который соединяется с органом обоняния и носит название
средней обонятельной доли. На его заднем конце с брюшной стороны есть неболь-
шое углубление, называемое воронкой. Органы чувств ланцетника представлены
асимметричной обонятельной ямкой, открывающейся наружу на левой стороне
головы. Этот хеморецепторный орган имеет полость, которая открывается через ней-
ропор в центральный канал нервной трубки. Органы зрения ланцетника весьма
своеобразны. В головной части они представлены непарным глазом, который
выглядит как пигментное пятно. Небольшие светочувствительные клетки расположены
в толще нервной трубки на всём её протяжении. Каждая из них частично окружена
пигментной клеткой. Такая пара клеток представляет собой отдельный простой
глазок, способный улавливать различия освещённости. Органы осязания
представлены ротовыми щупальцами, а орган вкуса — небольшой ямкой Гатчека, которая
расположена на верхней стороне предротовой воронки.
Рис. 11-14. Внешний вид передней части нервной трубки и
гистологические срезы через нервную систему и хорду ланцетника: а, б — две
проекции реконструкции передней части нервной трубки ланцетника; в —
микрофотографии клеток Рохда; г — светочувствительные и пигментные
клетки; обзорная схема среза (д) и микрофотография участка тела
ланцетника позади головной зоны (е) ; д — очерчен фрагмент,
иллюстрированный микрофотографией на е.
Строение нервной системы ланцетника имеет ряд особенностей, которые
проливают свет на происхождение трубчатой нервной системы хордовых. Она является
нервным стволом с узкой центральной щелью внутри. Эта щель часто пересекается
аксонами и дендритами нейронов, которые расположены вокруг спинномозгового
канала. В головной части мозга ланцетника спинномозговой канал расширяется и
становится мозговым желудочком. В самой ростральной части нервной трубки
находится непарное пигментное пятно. Каудальнее этого пятна расположена
асимметричная обонятельная долька. Долька обнаружена только слева и соединена
нервными волокнами с одиночной обонятельной ямкой. Строение нервов ланцетника
асимметрично, что нехарактерно для хордовых. Известны две пары симметричных
нервов, отходящих от головной части нервной трубки. Они не имеют двигательных
ветвей, что позволяет считать их настоящими головными нервами. Эти нервы
парные , но размеры левых нервов более чем в 2 раза превышают правые. Непарный
обонятельный нерв состоит из нескольких разрозненных волокон. Он начинается
от обонятельной дольки и оканчивается в одиночном обонятельном мешочке.
Кроме упомянутых нервов, выявлены ещё два нерва. Один нерв является парным
и расположен на уровне обонятельной дольки (см. рис. 11-14, а, б). Второй
нерв непарный и выходит из левой половины мозга между первой и второй парами
симметричных нервов. Таким образом, у ланцетника имеется 5 головных нервов,
которые нуждаются в простейшей классификации. Обонятельный асимметричный нерв
логично называть I головным нервом, первую симметричную пару — II головным
нервом, симметричную пару нервов, лежащую каудальнее, — III головным нервом,
асимметричный левосторонний нерв — IV головным нервом, а последнюю головную
пару нервов — V головным нервом. Вентрально расположенные симметричные
двигательные корешки нервов, лежащие каудальнее V пары головных нервов, уже
следует относить к дериватам спинного мозга. Надо отметить, что эта
классификация не имеет отношения к гомологизации нервов ланцетника с позвоночными.
Внутреннее строение нервной системы также даёт достаточно фактов,
свидетельствующих о сближении морфологических особенностей ланцетника с возможными
предками хордовых. Это асимметричный глазок, который лежит в переднем крае
головного желудочка, асимметричная обонятельная долька и гигантские нейроны,
которые находятся в центре желудочка (см. рис. 11-14, е). Гигантские нейроны
имеют уникальное для хордовых морфологическое строение. Их отростки
распространяются вдоль нервной трубки и объединяют нервные центры управления
сегментированной мускулатурой. Благодаря интегративным функциям гигантских
нейронов ланцетник может совершать волнообразные движения. Нейроны с аналогичным
расположением и морфологией отростков нехарактерны для позвоночных. Они
больше напоминают организацию нервной системы беспозвоночных.
В процессе развития ланцетника закладка органов асимметрична. Рот
ланцетника закладывается на левой стороне тела, что совпадает с одним из вариантов
предлагаемой гипотезы происхождения хордовых. Надо подчеркнуть, что
эмбриональная асимметрия ланцетника затронула и жаберный аппарат, который
закладывается на правой стороне тела. На этой стороне тела формируются как правые,
так и левые жаберные щели. Ротовое отверстие закладывается на брюшной
стороне . Только при формировании взрослого ланцетника жаберные щели перемещаются
через брюшную поверхность и становятся парными. Ротовое отверстие в свою
очередь передвигается слева в центр, и симметрия восстанавливается.
Перечисленные особенности морфологической организации личиночно- и головохордовых
позволяют предложить двухвариантную гипотезу возникновения нервной системы
хордовых. Ключевым препятствием любой гипотезы является вопрос перемещения
нервной системы беспозвоночных из вентрального положения в дорсальное. На этот
вопрос можно предложить два формально непротиворечивых ответа. Первым
вариантом можно считать предположение о перемещении центральной нервной системы на
спинную сторону в результате поворота или переворота всего животного. Второй
вариант предполагает, что нервная система никогда не была на вентральной
стороне тела и сформировалась совершенно иным образом.
Рис. 11-15. Основные этапы (показано большими стрелками)
возникновения хордовых: а, б — прикреплённое и свободноплавающее
животное с радиальной симметрией; в-д — билатерально-симметричное
животное с 4 нервными стволами; е — хордовое животное с
продольно сливающимися ганглиями; ж, з — свободноплавающее хордовое с
нервной трубкой и периферическими нервными ганглиями; д, ж —
поперечные сечения тел животных; д — стрелками показано
направление слияния нервных стволов.
Для обоих вариантов гипотез существуют общие проблемы. Является ли
трубчатая нервная система гомологом брюшной нервной цепочки беспозвоночных? Если
да, то как возникла полость внутри нервной трубки и откуда произошли
вегетативные нервные ганглии, расположенные около внутренних органов? Нужно
ответить на вопрос о происхождении черепно-мозговых и спинномозговых нервов, а
также и о причинах асимметрии нервной системы низших хордовых. Если предполо-
жить, что гомологии между нервной системой беспозвоночных и дорсальной
нервной трубкой хордовых нет, то правомерен вопрос об источнике происхождения
трубчатой нервной системы. Предположение о новообразовании трубчатой нервной
системы хордовых крайне маловероятно. По-видимому, преемственность между
позвоночными и беспозвоночными следует искать в строении червеобразных и в
морфологических особенностях современных хордовых и позвоночных животных.
Допуская, что кишечнополостные являются безусловными предками основных
групп животных, мы получим гипотетическое существо, изображённое на рис.
Ills, а. Внутри животного проходит пищеварительный канал, который представляет
собой гастроваскулярную полость кишечнополостных, открытую спереди ротовым
отверстием. У этого организма ещё нет билатеральной симметрии, и оно могло
представлять собой какой-либо гидроид, перешедший к свободно-подвижному
образу жизни. Примерное представление об этом организме и его нервной системе
может дать рис. II-4. Такое существо могло свободно перемещаться в трёхмерной
водной среде в результате сокращений щупалец, перистальтически или пассивно с
током воды. Чтобы поддерживать своё тело во взвешенном состоянии, необходимо
обеспечить его плавучесть. Увеличение объёма мезоглеи, в которой находятся
нервные клетки, стало наиболее простым способом повышения плавучести
кишечнополостных, поэтому расстояние между гастродермисом и эпидермисом значительно
увеличилось. По-видимому, спустя некоторое время основным достижением
перехода к такому образу жизни явилось появление скоплений нервных клеток, которые
сформировали окологлоточное нервное кольцо и аборальный орган. Наиболее
вероятной группой животных, похожих на описываемую модель, являются гребневики.
Животное с радиальной симметрией не нуждалось в усложнении организации,
пока не перешло к придонному образу жизни. На первых этапах оно представляло
собой кожно-мышечный мешок без отчётливой оси симметрии. При передвижении по
дну неизбежно должны были возникнуть спинная и брюшная поверхность
эпидермиса, ротовое и анальное отверстия и билатеральная симметрия. Надо отметить,
что механизмы появления вторичноротости не имеет смысла рассматривать
одновременно с эволюцией нервной системы. Это самостоятельная проблема, которая
не имеет однозначных решений.
Можно предположить, что с переходом к придонному образу жизни с активным
движением по субстрату у подобного предка хордовых могли появиться
затруднения с дыханием. В воде придонной части океанов и морей растворённого
кислорода намного меньше, чем под поверхностью или в толще воды. Возникла
потребность в усилении метаболизма. Если это произошло, то на спинной стороне
кишечной трубки могли сформироваться щели, которые играют роль жаберного
аппарата (см. рис. 11-15, е). Появление гомологов жабр у таких животных
маловероятно, но полностью отрицать такую возможность нельзя, поскольку, не зная
размеров тела этого животного, мы не можем оценить его метаболизм. Замена
радиальной симметрии на билатеральную с неизбежностью приводит к возникновению
одной или нескольких симметричных пар нервных тяжей, идущих вдоль тела.
Исходя из элементарных принципов эффективной работы нервной системы, мы
можем остановиться на двух вариантах организации: 2 или 4 нервных тяжа (рис.
11-16, б, д) . Два нервных ствола могут располагаться на боковых краях
уплощённого и вытянутого тела животного (см. рис. 11-16, б) . Краевое положение
нервных тяжей обусловлено тем, что каждый тяж имеет рецепторы, расположенные
на поверхности тела, а боковые поверхности являются основными контактными
зонами. Чем ближе к ним будет расположен нервный тяж, тем быстрее будет реакция
организма на оказываемое воздействие. Такое строение нервной системы
характерно для многих плоских червей, хотя описываемое животное является
исключительно гипотетической моделью и не имеет отношения к рецентным формам. Два
нервных головных ганглия переходят в широко расставленные нервные тяжи,
расположенные по бокам тела животного. В центре расположен пищеварительный ка-
нал, дорсальнее и вентральнее которого проходят поперечные комиссуры,
соединяющие левый и правый нервные тяжи (см. рис. 11-16, б).
Рис. 11-16. Два варианта возможного возникновения нервной трубки
(показано стрелками). В верхнем ряду показаны этапы формирования
нервной трубки из 4 нервных стволов. Дорсальные и вентральные
нервные стволы сливаются попарно, что приводит к формированию
нервной трубки а, д, е, г. В нижнем ряду иллюстрировано
появление нервной трубки из варианта организации с двумя нервными
стволами а—г. Он предусматривает поворот животного на 90°, что
менее вероятно, чем слияние дорсальных и вентральных нервных
стволов.
При ползании по горизонтальной поверхности у животных самых различных
систематических групп возникают сходные приспособления: пучки мышечных волокон,
расположенные вдоль тела и имеющие сегментарное строение. Такая мускулатура
необходима для обеспечения волнообразных продольных движений тела, которые
позволяют двигаться головой вперед. Последовательно расположенные сегменты
мускулатуры требуют согласования сокращений, что осуществляется посегментно
расположенными латеральными ганглиями. Вполне возможно, что для таких
морфологических перестроек достаточно простого усиления локомоции. В любом случае
метамерная организация нервной системы сформировалась у этих гипотетических
животных для управления согласованными, но относительно независимыми
сокращениями отдельных сегментов мускулатуры.
Известная посегментная автономность нервной системы привела к формированию
скоплений нервных клеток — ганглиев. Каждый мышечный сегмент имел собственный
ганглий, который был соединён с соседними ганглиями при помощи отростков
нервных клеток. Это описание повторяет уже приведённое выше строение нервной
системы свободноживущих турбеллярий. Турбеллярии с подобной нервной системой
широко распространены в современном мире. Поскольку их биология и поведение
выдерживают конкуренцию с более совершенными видами, не будет большой
фантазией допустить процветание описываемой группы в далёком и неконкурентном
прошлом.
Вполне естественно, что ползание привело к формированию переднего
(головного) скопления нервных клеток — головных ганглиев. Надо подчеркнуть, что
локализации головных ганглиев не следует придавать существенной роли. Головные
нервные центры с равной вероятностью могут располагаться как на оральном, так
и на аборальном полюсе животного. Для становления нервной системы это не
имеет принципиального значения. Все зависит от того, каким концом тела вперёд
двигался этот предполагаемый предок хордовых. Если при переходе к ползанию он
стал двигаться вперёд первичным ртом, то анальное отверстие появилось
вторично, а если поступательное движение происходило аборальным концом вперёд, то
на нём возникли вторичный рот и головное скопление нервных клеток. Появление
направленного движения привело к формированию края тела, который испытывал
максимальные «рецепторные» нагрузки. Именно вокруг этой зоны и сформировались
головные ганглии.
Следовательно, в этот период истории нервная система выглядела следующим
образом. Есть две или одна пара нервных тяжей по бокам тела с ганглиями в
каждом сегменте (см. рис. 11-16, б, д) . Более крупные головные ганглии
симметричны, возможно, имеют простые глазки и хеморецепторы. Как головные, так и
туловищные ганглии соединены комиссурами, которые состоят из 2 или 4 тяжей.
Из каждого ганглия выходят чувствительные и двигательные нервы, которые
заканчиваются на боковых поверхностях тела или в мускулатуре мышечных
сегментов .
На этом этапе эволюции нервной системы произошло принципиальное событие,
которое привело к дорсальному положению нервной системы хордовых.
Гипотетическое животное с двумя боковыми нервными тяжами развернулось на 90° — встало
на ребро. Одна боковая поверхность животного стала брюшной, а другая —
спинной (см. рис. 11-16, д) . Вполне справедлив вопрос о причинах такого поворота.
Возможной причиной может быть изменение структуры морского грунта, на котором
обитало это гипотетическое животное. Если поверхность дна постепенно
покрывалась илом или животное обитало на границе интерстициали, то стало наиболее
выгодно располагаться на ребре. В таком положении животное не так быстро
покрывалось илом, могло скрывать большую часть тела, оставляя ротовое отверстие
над поверхностью дна, и не затрачивало значительной энергии для маскировки и
фиксации своего положения в грунте.
Возможно и другое объяснение. Если эти животные обитали в прибрежных зонах
моря, то потребовалось закрепление в грунте или быстрое погружение в него.
Это может быть связано с приливами и отливами, морскими течениями и
подвижностью придонной воды мелководных морей. Если такое событие произошло, то в
результате поворота один из боковых нервных тяжей стал брюшным, а другой —
спинным. Животное стало асимметричным, так как новая ось симметрии совпала с
горизонтальной плоскостью тела ползающего червеобразного предка. Понятно, что
такое «ильное» существо не могло активно двигаться, изгибаясь в вертикальной
плоскости, так как влияние давления, определяемого проекцией тела на
плоскость , нормальную по отношению к направлению движения, будет весьма велико.
Маловероятно, что слаборазвитая мускулатура может справиться с такой задачей.
Быстрее всего «ильное» животное могло двигаться на ребре при помощи
перистальтических движений. Для этого нет необходимости создавать значительные
усилия, поскольку сопротивление трения о мягкий субстрат крайне мало при
такой форме тела.
У частично погруженного в придонный ил животного диффузия растворённого в
воде кислорода через покровы резко уменьшается. Вполне возможно, что для
поддержания метаболизма на прежнем уровне возникли специальные отверстия в
кишечной трубке, которые стали выполнять роль жаберного аппарата. Понятно, что
они могли сформироваться только в околоротовом поле, поскольку рот находился
над поверхностью грунта. Таким образом, жаберный аппарат мог быть унаследован
от предковых червеобразных форм или возникнуть вторично.
По-видимому, такой тип движения может привести к нескольким важным
результатам. На верхнем (спинном) крае тела могло начаться слияние ганглиев,
составляющих один из тяжей нервной системы (см. рис. 11-16, г) . Это связано с
тем, что при проталкивании тела в илистом грунте основное сопротивление
трения приходится на переднюю часть тела животного, а задняя часть тела и хвост
довольно пассивны. Координация движений должна быть максимальной в головной
части животного, что и привело к слиянию ганглиев в передней части
дорсального нервного тяжа. Увеличение именно дорсального нервного тяжа обусловлено
тем, что он находился на границе ила и воды, в максимальном рецепторном
контакте с внешней средой, тогда как вентральный тяж был по сути дела депривиро-
ван и изменил свои функции. На дорсальном тяже сохранились асимметричный
глазок, тактильные рецепторы и, по-видимому, дифференцировались боковые парные
глаза и парные дистантные хеморецепторы. Вентральный тяж в головной зоне
сохранил химическую и тактильную чувствительность, которая стала основой для
развития дистантных органов чувств.
Аналогичным образом, по-видимому, развивались события и при четырёх нервных
стволах. Единственным, но крайне существенным отличием было отсутствие
бокового поворота на 90°. Этот поворот проще обосновать, чем уж совсем
фантастическое переворачивание диплеуруло-образной личинки на спинную поверхность.
Однако поворот далёких предков позвоночных даже на 90° носит гипотетический
характер. Четыре нервных ствола у представителей современных турбеллярий
(Alloeocoela) говорят в пользу гипотезы, не предусматривающей переворачивание
предка хордовых (см. рис. 11-15; 11-16). Таким образом, отвечая на
поставленный в начале главы вопрос о происхождении дорсального положения нервной
системы, можно предположить, что центральная нервная система хордовых произошла
из слившихся дорсальных нервных стволов древних турбеллярий. По-видимому,
нервная система хордовых никогда не была в вентральном положении и является
гомологом парных дорсальных нервных стволов билатерально-симметричных свобод-
ноживущих плоских червей.
В результате объединения спинных ганглиев сформировалось протяжённое
скопление нервных клеток, не разделённое участками нервных волокон. Такая
концентрация тел нервных клеток привела к возникновению желудочков центральной
нервной системы. Типичный ганглий беспозвоночного состоит из тел клеток, рас-
положенных по периферии, и центральной части, которая состоит из переплетения
отростков нервных клеток, — нейропиля. При слиянии ганглиев произошло
объединение нейропилей, тогда как сами нейроны остались на периферии нервного тяжа.
Так как в нейропиле нет тел клеток, можно объяснить уход отростков нервных
клеток из центральной части слившихся ганглиев чисто физиологическими
причинами . Активное движение спинномозговой жидкости между отростками нейронов,
закрывающих внутренний просвет ганглия, было слишком медленным для
обеспечения метаболизма центральной нервной системы активного животного. Отростки
вышли на наружную поверхность, освободив пространство — внутреннюю полость —
для движения спинномозговой жидкости. При этом симметричные комиссуры, идущие
к брюшному нервному стволу, стали брюшными корешками спинного мозга, а
дорсальные корешки возникли из чувствительных окончаний верхнего нервного тяжа.
Следовательно, нервная трубка является гомологом слившихся ганглиев двух
нервных стволов беспозвоночных, внутри которых шизоцельно сформировалась
полость — будущие мозговые желудочки и спинномозговой канал.
Совершенно другие изменения должны были произойти со слившимися парными
брюшными нервными тяжами. Они не редуцировались, а сегментировались.
Сегментация заключалась в том, что ганглии сохранили своё строение, но межганглио-
нарные продольные связи частично заменились на иннервацию внутренних органов.
Отростки нейронов, расположенных в вентральных ганглиях, стали локализоваться
преимущественно в кишечном канале, стенках сосудов и выделительной системе, а
не в соседних ганглиях. При этом ганглии брюшного нервного ствола не
утрачивали комиссуральных связей со спинным нервным тяжом (см. рис. 11-15; 11-16).
Вентральные головные скопления нервных клеток стали нейральной основой для
совершенствования функций передней части пищеварительного канала и развития
ротовой хеморецепции. Следовательно, вегетативные ганглии хордовых возникли в
результате продольного разделения слившихся по средней линии вентральных
стволов беспозвоночных на отдельные ганглии, которые сохранили свои комиссу-
ральные связи с дорсальной нервной трубкой.
Таким образом, слияние дорсальных и вентральных нервных стволов у червепо-
добного животного привело к возникновению нервной системы, характерной для
большинства хордовых: дорсальная нервная трубка и вентральные вегетативные
ганглии. Ось симметрии не изменилась. Исходя из этой модели, можно объяснить
происхождение нервной трубки и вегетативных ганглиев. Описанное выше животное
могло стать предком современных хордовых после повторного перехода к
активному плаванию в трёхмерной водной среде.
Самое существенное в переходе к свободному плаванию заключается в типе
движения этого гипотетического предка хордовых. Червеобразное билатерально-
симметричное животное при плавании может двигаться, волнообразно изгибая тело
в горизонтальной или вертикальной плоскости. По-видимому, перешедшее к
свободному плаванию животное перемещалось, изгибая тело в горизонтальной
плоскости. Для этого типа движения хорошо подходят метамерная мускулатура и её по-
сегментная иннервация, которая возникла при адаптации к перистальтическому
движению в морском иле.
Необходимо учитывать, что это придонное животное не обладало нейтральной
плавучестью, как современные рыбы, поэтому затраты энергии, а как следствие и
потребление кислорода при переходе к активному плаванию должны были
возрастать, что стало невозможно компенсировать увеличением площади поверхности
тела. Это могло привести к формированию дыхательных щелей, открывающихся в
пищеварительный канал, и кровеносной системы. Понятно, что она практически
сразу стала замкнутой, так как перенос кислорода с помощью полостных жидкостей у
достаточно крупных организмов малоэффективен. Вполне возможно, что жаберные
щели свободноплавающее животное унаследовало от своих предков. В этом случае
они могут с равной вероятностью быть гомологами асимметричных отверстий пище-
варительной трубки, которые впервые возникли при переходе к придонному образу
жизни, или гомологами симметричных дыхательных отверстий.
При изгибании тела это животное должно было не только преодолевать
сопротивление среды, но и поддерживать своё тело в толще воды. Следовательно,
возникли значительные боковые механические деформации тела, которые
отсутствовали у перистальтически движущегося придонного существа. Полая нервная трубка,
расположенная между двумя мощными тяжами мускулатуры, не могла не привести к
появлению какого-либо уплотнённого участка сосуда, кишечного канала,
мускульной связки или фасции. В противном случае поддержание стабильной формы
мозговой трубки и нормальной циркуляции спинномозговой жидкости было бы
невозможно. По-видимому, эта проблема решалась разными путями, но наиболее
эффективным оказалось появление хорды над спинной аортой. В этом варианте защищен от
деформаций, как мозг, так и спинная аорта (см. рис. 11-14, е) . Хорда, по-
видимому, возникла после дифференцировки дорсальной нервной трубки. Плотная
спинная струна является наиболее поздним приобретением хордовых по сравнению
с нервной системой и метамерной мускулатурой.
Следовательно, рассмотрев становление нервной системы гипотетического
предка хордовых, можно предположить основные филогенетические события, которые
привели к формированию дорсальной нервной трубки и вегетативной нервной
системы хордовых. Самой древней предшественницей нервной системы хордовых была
диффузная нервная сеть свободноплавающих кишечнополостных. Появление 4 или 2
парных нервных стволов произошло при переходе свободноплавающего кишечнополо-
стного к придонному образу жизни. В результате возникли первая ось симметрии,
брюшная и спинная стороны животного. Вероятнее всего, таким животным было
плоское червеобразное существо, похожее на современных турбеллярий.
Надо подчеркнуть, что только у кишечнополостных, плоских червей и голово-
хордовых нервные клетки не унипополярны, как у остальных беспозвоночных. В
этих группах нейроны имеют биполярную и мультиполярную организацию отростков,
сходную с клетками нервной системы большинства позвоночных. Более того,
только у кишечнополостных, плоских червей и головохордовых есть подзктодермальные
нервные сплетения, которые не встречаются в других группах беспозвоночных.
Тяж будущей центральной нервной системы возник после слияния дорсальных
нервных стволов или поворота червеобразного предка хордовых на 90°. Это могло
произойти при переходе к ильному существованию «на ребре» или без поворота. В
обоих случаях результат был одинаков: один из нервных тяжей оказался
расположен дорсально, а другой — вентрально. Из верхнего тяжа сформировалась
центральная, а из нижнего — периферическая нервная система, иннервирующая
внутренние органы. Полость нервной трубки возникла после продольного слияния
ганглиев дорсального нервного ствола из нейропиля, который освободился от
отростков нервных клеток. Они вышли на внешнюю поверхность слившихся ганглиев,
сформировав слой белого вещества вокруг тел клеток. Сегментация центральной
нервной системы хордовых возникла в соответствии с количеством ганглиев и
мышечных сегментов, иннервируемых из нервных стволов червеобразного предка,
ползавшего по дну. Вентральные корешки спинного мозга сформировались из
парных боковых комиссур, а дорсальные (смешанные) нервы возникли из
чувствительных и моторных нервов дорсальной или латеральной части тела червеобразного
предка.
Первичноводные позвоночные
Тип позвоночных (Vertebrate) включает в себя подтип бесчерепных (Acrania) и
подтип черепных (Craniata). Единственными представителями бесчерепных
являются многочисленные ланцетники (Amphioxi), которые рассматривались в предыдущем
разделе, посвященном происхождению позвоночных. Настоящий раздел охватывает
обширную и разнообразную группу первичноводных черепных позвоночных. Они
сформировались, и долгое время морфологически изменялись в водной среде. В
процессе эволюции именно этой группы сложилась нервная система, характерная
для всех остальных позвоночных. Впервые возникло трубчатое строение нервной
системы. Полости желудочков головного и спинного мозга стали непрерывными,
появилась циркуляция внутрижелудочковой мозговой жидкости. В сочетании с
эффективной кровеносной системой и внутренним скелетом это создало
потенциальную возможность увеличивать размеры нервной системы первых водных позвоночных
практически без ограничений. Эти эволюционные перспективы наращивания
размеров мозга и параллельного увеличения сложности поведения не были реализованы
в водной среде. Потребовались особые условия выхода на сушу, которые стали
стимулом для развития новых качеств мозга и его ассоциативных функций.
Однако благодаря первичноводным позвоночным нервная система приобрела те
универсальные черты, которые послужили морфологической основой для дальнейшей
эволюции. Его конструкция оказалась настолько эффективной, что по существу не
подверглась принципиальным изменениям за всю историю эволюции позвоночных.
Конечно, мозг адаптивно перестраивался во всех систематических группах, но
принципы структурной организации центральной и периферической нервной системы
сохранились без изменений. На конструкцию нервной системы радикально не
повлияли появление ни челюстного аппарата, ни плавников, ни конечностей, ни
выход на сушу, ни адаптация к полёту, ни теплокровность.
Нервная система, как и позвоночник, оказалась тем органом, который
обеспечивал выживание и прогресс всей группы позвоночных. Морфофункциональные
отделы головного мозга, как и их основные функции, остаются неизменными на всём
протяжении эволюции от миноги до человека. Эта универсальность строения
нервной системы говорит об общности происхождения всех позвоночных. Делать
предположения о полифилитичности происхождения позвоночных довольно трудно.
Допущение параллельного возникновения и эволюции сотен связанных между собой
структур мозга весьма сомнительно.
§ 27. Мозг
первичноводных
позвоночных
Рассмотрим основные принципы строения универсальной конструкции нервной
системы первичноводных позвоночных (рис. 11-17; 11-18). Её морфологической
осью является центральная нервная система, которая расположена над
позвоночником (рис. 11-19, а) и включает в себя два отдела: головной и спинной мозг
(см. рис. 11-17, а). С головным и спинным мозгом соединены периферические
нервы. Они проходят, переключаясь или не переключаясь, через ганглии и
связывают периферические органы с центральной нервной системой.
Периферические нервы неодинаковы; часть из них двигательные, или эффектор-
ные. Они передают сигналы из нервной системы к органам-мишеням. Такими
органами могут быть поперечно-полосатая или гладкая мускулатура, эндокринные
железы или секреторные клетки. У ланцетника сами мышечные клетки образовывали
отростки, соединяющие их с нервной трубкой. У остальных позвоночных ситуация
обратная: двигательные отростки нейронов выходят из мозга или ганглиев,
достигают мышц и оканчиваются на поверхности волокон, образуя нервно-мышечные
синапсы.
Другая часть периферических нервов чувствительная. Они, наоборот, передают
сигналы от внутренних органов и дистантных анализаторов в головной и спинной
мозг. Концевые чувствительные участки рецепторных нервов очень сильно
различаются по морфологическому строению и рецепторным возможностям. Это позволяет
получать дифференцированную информацию различного типа. Особую группу чувст-
вительных клеток и волокон представляют собой дистантные рецепторные органы,
или внешние органы чувств. У первичноводных позвоночных к внешним органам
чувств относят обоняние, зрение, вкусовые рецепторы, органы боковой линии,
рецепторы углового и линейного (гравитационного) ускорения, злектрорецепторы
и осязание.
Головной
мозг
Брюшной
ганглий
Плава тельный
пузырь
Спинной
мозг
Гонадь
II желудочек
правого полушарии
переднего мозга
Продолгова тыи
мозг
Средний мозг
IV
желудочек
заднего
и продолговатого
мозга
III желудочек
промежуточного
и среднего мозга
I желудочек левого
полушария переднего
мозга
Рис. 11-17. Основной план строения нервной системы черепных: а —
общий вид нервной системы и иннервируемых органов костистой рыбы.
Синим цветом обозначен спинной мозг, красным — головной, жёлтым и
зелёным — периферическая нервная система и головные нервы; б —
головной мозг с основными анатомическими отделами. Мозжечок является
частью заднего мозга; в — головной мозг с сечениями через основные
отделы. Плоскости срезов жёлтые; б, в — цвета отделов совпадают.
Внешние органы чувств сосредоточены в головной части позвоночных, а их
нервы приходят в головной мозг. В головной мозг приходит и большая часть
информации от внутренних органов, мускулатуры и поверхности тела. По сути дела
головной мозг является скоплением клеток, обрабатывающих информацию,
поступающую от органов чувств. В соответствии с этими функциями головной мозг имеет
специализированные центры, которые обслуживают несколько внешних или
внутренних органов чувств. Такие центры по традиции называют отделами мозга. В
головном мозге всех позвоночных выделяют 5 специализированных отделов: передний
мозг (telencephalon), промежуточный (diencephalon), средний (mesencephalon),
задний мозг с мозжечком (metencephalon, cerebellum) и продолговатый мозг
(myelencephalon) (см. рис. 11-17, б). У первичноводных позвоночных
отсутствуют полушария мозжечка, а следовательно, и мост; поэтому определить
анатомическую границу между задним и продолговатым мозгом невозможно. Это приводит к
тому, что во многих сравнительно-анатомических работах название «задний» и
«продолговатый» мозг не применяется. Вместо них используется более общее
название — «ромбэнцефалон» (rhombencephalon), которое включает в себя оба
отдела .
Рис. 11-18. Вид головного мозга различных видов хрящевых и костистых
рыб: а — акула-нянька (Ginglymostoma cirratum); б — длиннокрылая
акула (Carcharhinus longimanus); в — радужная форель (Salmo
irideus); г — чёрный марлин (Makaira indica); д — стерлядь
(Acipenser ruthenus)..
Понятно, что отсутствие преемственности в названиях не сказывается на гомо-
логизацию этих участков мозга как у первичноводных позвоночных, так и у
млекопитающих. Гомология отделов головного мозга сохраняется во всех группах
позвоночных (см. рис. 11-18). Надо отдать должное неординарному сравнительному
нейроанатому Н.Н. Миклухо-Маклаю. Ещё в 70-х годах XIX в. он провёл детальные
исследования головного мозга различных первичноводных позвоночных и их
эмбрионов . Он показал, что основные отделы мозга позвоночных гомологичны друг
другу и, несмотря на все эволюционные специализации, сохраняют общность
морфологического строения. Результатом многолетних трудов Н.Н. Миклухо-Маклая
стала первая обоснованная гомологизация отделов мозга позвоночных. Уже во 2-м
издании сравнительной анатомии К. Гегенбаур воспользовался этой работой и
ввёл представление о нейрогомологиях отделов головного мозга в научный
обиход.
Дорелл&нь.и иореша*
Рис. 11-19. Гистологические срезы через голову и мозг рыбы: а —
через спинной мозг и позвонок с невральными дужками; б — через
спинной мозг в месте отхождения моторных и сенсорных нервов; в —
через продолговатый мозг; г — через задний мозг; д — через
средний мозг; е — через голову в зоне полушарий переднего мозга.
Обозначения сечений на схеме ж соответствуют буквенным
обозначениям срезов. IV — четвёртый желудочек.
Проводя морфологический анализ мозга первичноводных позвоночных, Н.Н.
Миклухо-Маклай показал, что при изучении отделов мозга необходимо опираться как
на внешнее строение, так и на морфологию внутренних полостей — мозговых
желудочков . Они имеют специальные названия в каждом из отделов. В парных
полушариях переднего мозга находятся первый (I) и второй (II) латеральные желудочки
(см. рис. 11-17, е; рис. 11-20, а-в). Эти два желудочка соединены между собой
межжелудочковым отверстием. Они переходят в третий (III) желудочек, который
лежит внутри промежуточного и среднего мозга. В латеральных желудочках
расположено непрерывное переднее сосудистое сплетение, которое распространяется
примерно на 1/2 III желудочка (см. рис. 11-20, а-в, д). В свою очередь он
переходит в четвёртый (IV) желудочек, а последний продолжается в центральный
канал спинного мозга (см. рис. 11-17, б, е). Сверху IV желудочек прикрыт
монослоем клеток и содержит заднее сосудистое сплетение (см. рис. 11-20, к-м) .
Рис. 11-20. Основные варианты строения мозга первичноводных: а —
пластиножаберные и американский чешуйчатник; б — рогозуб; в —
карпозубые; г — ильная рыба; д — американский чешуйчатник; е —
амударьинский лопатонос; ж — колючая акула; з — миксина; и —
ильная рыба; к — колючая акула; л — электрический скат; м —
карась . Синим цветом отмечена наружная стенка мозга, красным —
прижелудочковый слой клеток, зелёным — сосудистое сплетение.
Прорисовки срезов через: F — полушария переднего мозга; С —
промежуточный мозг; R — средний мозг; S — задний мозг. Уровень
сечений соответствует обозначениям на схеме мозга с дорсальной
поверхности (н). I—IV — номера мозговых желудочков.
Важнейшую часть центральной нервной системы первичноводных позвоночных
представляет спинной мозг. Граница между спинным и головным мозгом достаточно
условна, поскольку отростки клеток из головного мозга проникают в спинной и
наоборот. Головной мозг, как правило, расположен дорсально и окружён хрящами
или костями черепной коробки. Спинной мозг лежит в полости позвоночного
канала, который образован невральными дугами позвонков (см. рис. 11-19, а).
У большинства позвоночных спинной мозг имеет однотипную гистологическую
структуру. Тела нервных клеток (серое вещество) обычно расположены вокруг
центрального канала в виде классической «бабочки», свойственной большинству
амниот. У анамний картина несколько смазана, и расположение тел нейронов на
разрезах спинного мозга в виде «бабочки» обычно не встречается (см. рис. II-
19, а, б). Верхнюю часть серого вещества называют дорсальными (спинными)
чувствующими рогами, а нижнюю — вентральными (брюшными) двигательными рогами
спинного мозга. Спинные рога обычно содержат мелкие вставочные нейроны, а
брюшные — крупные моторные. Через спинномозговые нервы осуществляются
соматическая и висцеральная чувствительность, проходит соматическо-двигательная и
висцерально-двигательная иннервация.
Соматическая чувствительность включает в себя рецепцию кожных, сухожильных,
связочных и мышечных сигналов. Висцеральная чувствительность включает
вкусовую рецепцию и сигналы от внутренних органов. Соматическо-двигательная
иннервация обслуживает скелетные мышцы, а висцерально-двигательная — железы,
глоточную, лицевую мимическую и челюстную мускулатуру, гладкую мускулатуру кожи,
сосудов и внутренних органов. В состав спинного мозга традиционно включают
ганглий дорсального корешка спинного мозга, или спинальный ганглий, в котором
расположены тела афферентных (чувствительных) соматических и висцеральных
нейронов (см. рис. 11-19, а, б). Эти клетки связаны со спинным мозгом
коротким отростком, который оканчивается в дорсальных рогах серого вещества.
Вентральная часть спинного мозга составлена из эфферентных (двигательных)
волокон. Они начинаются от клеток, расположенных в вентральных рогах спинного
мозга.
Не у всех позвоночных есть чёткое разделение корешков спинного мозга на
моторные и сенсорные. У многих первичноводных позвоночных и амфибий
висцеральные эфферентные волокна выходят из спинного мозга, как через дорсальные, так
и через вентральные корешки. У ланцетника, миног и миксин висцеральные
эфферентные волокна преимущественно выходят через дорсальный корешок спинного
мозга. Надо отметить, что слияния дорсальных и вентральных корешков спинного
мозга у ланцетника и круглоротых не происходит. Они в виде самостоятельных
нервов достигают иннервируемых органов. У большинства высших позвоночных
дорсальные и вентральные корешки спинного мозга выходят на одном уровне. У
ланцетника, миног, миксин и акул дорсальные корешки спинного мозга чередуются с
вентральными. Они лежат на разных уровнях, обозначая границы миотомов.
Эфферентный соматический (моторный) корешок выходит из спинного мозга в центре
миотома, а афферентные (чувствительные) и висцеральный эфферентный — в
промежутках между миомерами. Таким образом, наиболее примитивными характеристиками
морфологической организации спинальных нервов можно считать чередование
дорсальных и вентральных корешков, их самостоятельность и висцеральные
эфферентные волокна в дорсальных корешках спинного мозга.
Спинной мозг выполняет ряд автономных функций и интегрирует свою активность
с головным мозгом. Эффективность этой интеграции определяется нервными
связями , которые организованы в виде восходящих и нисходящих путей спинного мозга.
Восходящие и нисходящие волокна спинного мозга организованы таким образом,
что восходящие локализуются преимущественно в дорсальной части спинного
мозга, а нисходящие — в вентральной. Восходящие пучки волокон направляются в
головной мозг и оканчиваются в 5 основных центрах: мозжечке, моторных центрах
заднего и продолговатого мозга, промежуточном мозге и крыше среднего мозга.
Нисходящие волокна расположены преимущественно в вентральной половине
спинного мозга. Основная часть нисходящих волокон спинного мозга первичноводных
позвоночных начинается в заднем или среднем мозге, а оканчивается на эффектор-
ных нейронах спинного мозга. Нисходящие волокна переходят на противоположную
сторону, как и восходящие волокна. Перекресты образуются как на уровне
продолговатого мозга, так и в непосредственной близости от нейронов-мишеней
спинного мозга (см. рис. 11-19, а-в).
Спинному мозгу первичноводных позвоночных не свойственна широкая
морфологическая изменчивость. Его строение сходно у различных видов, а выявленные
отличия не могут служить причиной тупиковой эволюционной специализации. Это
понятно из того, что спинной мозг является своеобразными рецепторно-
исполнительными воротами организма. Через них в мозг приходит информация о
теле животного, и выходят сигналы, управляющие внутренними органами и
мускулатурой. В связи с этим мозг организован предельно экономично и крайне
консервативно. Достаточно упомянуть о том, что в процессе эмбриональной диффе-
ренцировки спинного мозга погибает до 85% всех клеток, которые могут
участвовать в работе этого отдела центральной нервной системы. Оставшиеся клетки
успешно обеспечивают основные автономные и «воротные» функции, но ни о какой
быстрой адаптивной изменчивости или морфологических перестройках речь не
идёт.
Совершенно другое дело — строение головного мозга: 5 уже упомянутых отделов
— передний, промежуточный, средний, задний с мозжечком и продолговатый мозг
(см. рис. 11-17, б) связаны с обслуживанием конкретных внешних и внутренних
органов чувств. Поскольку биология первичноводных животных крайне
разнообразна, морфология этих отделов широко варьирует (см. рис. 11-20; рис. 11-21; II-
22). Изменчивость строения связана с адаптивными морфологическими
перестройками основных центров головного мозга.
Передний мозг состоит из парных полушарий и является центром,
обеспечивающим анализ химических сигналов из внешней среды (см. рис. 11-17; 11-18). Из
органов обоняния поступают рецепторные сигналы, которые обрабатываются
комплексом первичных и вторичных обонятельных центров. В переднем мозге
происходит классификация сигналов, идентифицируется направление на источник запаха и
формируется система обменных сигналов с другими отделами головного мозга.
Понятно, что в водной среде запахи распространяются не так быстро, как в
воздухе, но намного дольше сохраняются в окрестностях источника, что даёт
определённые преимущества. Большинство первичноводных позвоночных имеет хорошо
развитые органы обоняния. Они позволяют определять расположение и движение
пищевых объектов, направление миграции половых партнёров и конкурентов. В
некоторых случаях органы обоняния достигают гигантских размеров. У многих
пелагических акул передний мозг составляет примерно треть или даже половину переднего
мозга (см. рис. 11-18, б; 11-21, г). Центры анализа обонятельных сигналов
увеличиваются до таких размеров, что маскируют разделение полушарий.
Остальные отделы головного мозга относительно невелики, что позволяет
рассматривать длиннокрылую акулу (Carcharhinus longimanus) как пример крайней
специализации. У акул есть двойная ноздря. Одна ноздря служит для входа воды,
а другая — для выхода. В зависимости от биологии акул орган обоняния
промывается водой или при поступательном движении, как у длиннокрылой акулы, или при
латеральных покачиваниях головой, как у колючей акулы. Анатомические
особенности строения органов обоняния предопределяют способности пелагических акул
к обнаружению пищи на больших расстояниях. При поступательном движении у
большинства серых акул (Carcharhinidae) вода захватывается входной ноздрей,
как воздухозаборником самолёта. Это обеспечивает быструю смену воды и
возможность захвата пузырьков воздуха. Воздушные пузырьки могут захватываться и
удерживаться в органах обоняния, если при движении со скоростью больше 1,2
м/с рострум приподнимается на 1-2 см над поверхностью воды. Пузырьки воздуха
удерживаются в органах обоняния при помощи специализированных перегородок в
обонятельном мешке — ламелл, и снижения скорости движения животного. При
задержке воздуха между ламеллами происходит растворение содержащихся в
пузырьках веществ. Акулы не могут непосредственно рецептировать воздух и поэтому
депонируют его в обонятельном мешке, дожидаясь повышения концентрации веществ
вокруг пузырьков. Если вода не содержит привлекательных запахов, то акулы
набирают скорость и выдавливают водой пузырьки воздуха, расположенные между
ламелл, содержащих рецепторные клетки. Затем цикл повторяется.
Рис. 11-21. Морфологические варианты развития головного мозга
первичноводных позвоночных: а — у саргана преобладают зрительные центры
среднего мозга; б — у рыбы-луны преобладают зрительные центры
среднего мозга и нейрогормональный промежуточный мозг; в — у карпа
доминирует представительство пищеварительной системы в заднем мозге; г —
у акулы доминирует обонятельный передний мозг. Мозг сверху и боковая
проекция головного и спинного мозга, вписанная в контур тела.
Надо отметить, что площадь поверхности рецепторных ламелл органов обоняния
серых акул массой 75 кг может быть больше, чем у человека, в 60-90 раз. В
воздухе над поверхностью океана запахи распространяются очень быстро, что
позволяет акулам эффективно находить добычу.
Следовательно, длиннокрылая акула может анализировать химические сигналы
как из водной, так и из воздушной среды. Для обслуживания столь развитой
обонятельной системы у серых акул сформировался гипертрофированный передний
мозг, а обоняние стало ведущей системой афферентации. Если экстраполировать
на человека образ мира такой акулы, то он предстанет как богатая запахами, но
почти тёмная комната, она будет разделена по вертикали на мир водных и мир
воздушных запахов. Через запахи будет передаваться почти вся информация, хотя
кожные механорецепторы, специализированные злектрорецепторные органы и весьма
слабое зрение будут дополнять «обонятельную» картину мира.
Передни*
мозг
©
Рис. 11-22. Крайние морфологические варианты развития мозжечка
первичноводных позвоночных: а — минога, мозжечок морфологически
не выделяется; б — форель, мозжечок увеличен, а его парус
распространён под крышу среднего мозга в полость III желудочка; в —
слонорыл из оз. Виктория (Африка). Его способность к
электрорецепции вызывала гипертрофированное развитие аналитического
центра — мозжечка, который полностью скрыл головной мозг. Сечения
мозга с боковой поверхности.
Следует отметить, что различия в строении переднего мозга проявляются как
на количественном, так и на качественном уровне (см. рис. 11-20, F) . Если у
пластиножаберных и американского чешуйчатника (Lepidosiren paradoxa)
полушария переднего мозга замкнуты (см. рис. 11-20, а) , то у рыбы-луны передний
мозг заметно эвертирован (см. рис. 11-20, е). Это означает, что полушария
переднего мозга как бы вывернуты желудочками наружу. Некоторые костистые рыбы и
рогозуб (Neoceratodus forstert) имеют промежуточный вариант строения
полушарий, как показано на рис. 11-20, б. В эвертированных полушариях переднее
Промежуточный
МО]г Средний мозг
Задний
и продолговатый
мозг
сосудистое сплетение лежит на верхней поверхности мозга или частично
заполняет полость черепа. При обычном строении полушарий сосудистое сплетение
располагается в полостях латеральных мозговых желудочков.
Промежуточный мозг не связан с конкретными анализаторами, за исключением
пинеального комплекса. Последний включает в себя нейрозндокринные центры и
теменной фоторецептор (глаз), который воспринимает только уровень
освещённости и ответствен за суточные ритмы организма. В промежуточном мозге
сосредоточены нейрогормональные центры, которые отвечают за рост, половое
созревание, осмотический баланс, работу эндокринных органов, сезонную и суточную
активность животного. Через промежуточный мозг осуществляются связи между
передним, средним, задним и продолговатым мозгом. У первичноводных животных
уровень морфологического развития промежуточного мозга является своеобразным
свидетельством определённой стратегии поведения животного. Если промежуточный
мозг развит столь значительно, как у рыбы-луны, то механизмы регуляции
поведения преимущественно гормональные (см. рис. 11-21, б).
Действительно, трудно найти среди первичноводных позвоночных животное с
таким гипофизом, который лежал бы ростральнее переднего мозга, а обонятельные и
зрительные нервы проходили бы над ним. У рыбы-луны гипертрофия промежуточного
мозга сочетается с незначительными размерами переднего мозга и преобладанием
Зрительной системы. Эти животные ведут подвижную жизнь в мировом океане, им
свойственна гигантская плодовитость. За один раз рыба-луна может отложить до
300 млн. икринок. Рыба-луна питается зоопланктоном и практически не
пользуется обонянием. Зрение ей необходимо в период размножения, когда животные
собираются в большие скопления. Преобладание зрительных и гормональных центров
над другими отделами мозга полностью соответствует биологии рыбы-луны. Таким
образом, количественное доминирование нейроэндокринных центров промежуточного
мозга над другими отделами центральной нервной системы является надёжным
признаком гормонально-инстинктивного типа поведения животного.
Зрительная система может стать ведущей системой афферентации у
первичноводных позвоночных. В этом случае отмечается чрезвычайное развитие крыши
среднего мозга — основной мозговой части зрительного анализатора. Примером такого
строения мозга может быть средний мозг форели, чёрного марлина, летучей рыбы
или плоскотелого саргана (см. рис. 11-18, е, г, 11-19, д; 11-20, ж, и; 11-21,
а) . Крыша среднего мозга образует крупные выпячивания, которые напоминают
парные полушария переднего мозга, но это обманчивое впечатление исчезает,
если рассмотреть III желудочек среднего мозга (см. рис. 11-20, R) . На сечениях
видно, что реальных полушарий нет, а иллюзию создаёт симметричное латеральное
расширение слоистой крыши (см. рис. 11-19, д) . Средний мозг у первичноводных
животных является не только мозговым центром зрения. В крыше среднего мозга
сосредоточены представительства боковой линии, вестибулярного аппарата и
органов злектрорецепции, которые хорошо развиты у многих первично-водных
позвоночных. В вентральной части среднего мозга лежат преимущественно двигательные
центры черепно-мозговых нервов.
У большинства первичноводных позвоночных средний мозг выполняет функции
принятия генерализованных решений. Основой для такой активности служит
разнообразная сенсорная информация, которая поступает в средний мозг от внешних и
внутренних анализаторов. У первичноводных позвоночных основой для принятия
решения являются сенсомоторная и зрительная информация, сигналы от
вестибулярной системы, органов боковой линии и обонятельной системы. Только
последняя не представлена прямыми связями в крыше среднего мозга. Практически
все основные моторные ядра заднего и продолговатого мозга взаимодействуют с
крышей среднего мозга у круглоротых, хрящевых и костистых рыб. У хрящевых и
костных рыб они образуют прямые связи, идущие как от первичных моторных
центров, так и от вторичных ядер, обслуживающих мозжечок. У круглоротых таких
прямых связей намного меньше, чем у акул. Это связано с тем, что исторически
более древним вариантом поступления сигналов в крышу среднего мозга является
ретикулярный путь. По-видимому, первоначально сигналы проходили через ядра
рострального края ретикулярной формации — покрышку среднего мозга, а только
затем поступали в тектум. Этот путь хорошо выражен у круглоротых и
представлен небольшим количеством волокон практически у всех позвоночных. Однако у
акул система сенсомоторно-тектальных связей значительно изменилась. Основные
моторные центры установили прямые связи с тектумом, а тегментно-тектальные
моторные пути стали вспомогательными.
У первичноводных позвоночных с функциональным преобладанием зрения над
другими дистантными анализаторами крыша среднего мозга стала центром принятия
решений. Она стала выполнять функции, аналогичные роли ассоциативной коры
переднего мозга млекопитающих. Крышу среднего мозга можно назвать ассоциативным
центром с большой натяжкой. Скорее это центр тотального сравнения различных
раздражителей.
Сравнительный анализ сигналов осуществляется следующим образом. Каждая из
сенсорных систем, за исключением обоняния, представлена условным
анализаторным слоем в крыше среднего мозга. При этом соблюдается топическая
эквивалентность представительства каждого анализатора. Это означает, что информация от
органов боковой линии из средней части левой стороны тела рыбы приходит
примерно в то же место, куда поступают сигналы от сетчатки левого глаза. В то же
место, но в другие слои крыши среднего мозга приходят сигналы от
электрорецепторов и туловищной мускулатуры. Все сигналы сравниваются между собой
специальными клетками, пронизывающими крышу среднего мозга по вертикали. Если
один из сенсорных слоев возбуждён больше, чем другие, то его активность
становится ведущей. Самая возбуждённая сенсорная система определяет выбор одной
из инстинктивных программ поведения, но при этом постоянно происходит
сравнительный контроль возбуждений от других органов чувств. Если источником
максимального возбуждения становится другой слой, то он приобретает приоритет в
подборе инстинктивного ответа на новую ситуацию.
Такая система принятия решения очень эффективна для небольших объёмов
нервной ткани с относительно пропорциональным развитием мозгового
представительства органов чувств, но ожидать сложного ассоциативного поведения от
животных, «думающих» крышей среднего мозга, не приходится. Скорее это самая
совершенная система для выбора оптимальной последовательности инстинктивных форм
поведения. У первичноводных позвоночных мозг недостаточно велик для глубокого
анализа окружающего мира, а доля благоприобретённого индивидуального
поведения редко превышает 5-7%. Основой поведения является набор врождённых
инстинктов , обеспечивающих как выживание, так и размножение. На нервную систему
возлагается функция выбора программы поведения, наиболее адекватной для
данной ситуации. Выбор осуществляется в крыше среднего мозга. Он происходит по
принципу сравнения возбуждения от различных органов чувств. Наиболее
возбуждённая система имеет преимущество в выборе двигательного ответа на
раздражение. Она запускает инстинктивную программу поведения, которая реализуется до
тех пор, пока возбуждение другой рецепторной системы не «отнимет» право
выбора. Смена центра, выбирающего новую поведенческую программу, происходит
практически мгновенно, чем объясняется «немотивированная» смена активности почти
всех первичноводных позвоночных. Следовательно, среднемозговой центр принятия
решений построен по иерархическому принципу, но с динамической возможностью
мгновенного возврата на исходную позицию и смены формы поведения. Такая
конструкция мозга стала идеальной для длительной эволюции позвоночных.
Максимального развития эта система выбора формы поведения достигла у рептилий. Их
средний мозг полностью реализовал ассоциативно-рефлекторные принципы,
заложенные в эволюцию мозга первичноводных позвоночных.
Надо отметить, что у низших позвоночных крыша среднего мозга является
местом принятия решения и, как следствие, источником генерализованного
двигательного ответа. У первичноводных позвоночных и амфибий преобладают прямые
нисходящие двигательные пути, которые оканчиваются в двигательных центрах
заднего и продолговатого мозга. При помощи этих связей осуществляется
контроль над моторной активностью. В другие отделы мозга нисходящие волокна из
среднего мозга направляются в крайне незначительном количестве.
Иным образом организованы сенсомоторные центры заднего и продолговатого
мозга. В этих отделах мозга нет специального места для интеграции различных
органов чувств. Все взаимодействия между сенсорными и моторными центрами
осуществляются за счёт специальных отростков нервных клеток, которые образуют
своеобразную ретикулярную (сетчатую) формацию. В заднем и продолговатом мозге
в самом общем виде сохраняется пространственная структура спинного мозга (см.
рис. 11-19, а-г). В дорсолатеральной части этого отдела сосредоточены
сенсорные центры, а в медиовентральной — моторные. Эти центры получают восходящие
сигналы от спинного мозга и чувствительных черепно-мозговых нервов.
Нисходящие двигательные волокна управляют большей частью скелетной мускулатуры и
работой внутренних органов. У большинства первичноводных позвоночных задний и
продолговатый мозг образует специфическую полость, возникающую в результате
эмбрионального разворачивания верхней стенки нервной трубки. Она носит
название IV желудочка и соединена рострально с III желудочком, а каудально — с
центральным каналом спинного мозга (см. рис. 11-17; 11-19). Над дорсальной
поверхностью IV желудочка формируется сосудистое сплетение, которое может
достигать огромного размера и располагаться над дорсальной поверхностью всего
мозга. Анатомическая организация дна и полости IV желудочка отражает
адаптационные особенности первичноводных позвоночных. Примером могут служить
представители семейства карпозубых. У обычного карася и карпа латеральные стенки
заднего мозга чрезвычайно расширены (см. рис. 11-20, м; 11-21, в) . Более
того, в этих зонах сформированы стратифицированные структуры, которые
напоминают крышу среднего мозга. Однако эти гигантские образования, зачастую
доминирующие в головном мозге, представляют собой не что иное, как разросшееся
ядро блуждающего нерва (X) . Иногда это разрастание называют вагальной долей
заднего мозга. Действительно, его линейные размеры могут превышать некоторые
отделы центральной нервной системы.
Понятно, что при таком преобладании в мозге представительства блуждающего
нерва он и становится одним из основных центров при выборе той или иной
программы поведения. Для карпа самой существенной информацией для выбора формы
поведения является состояние его внутренних органов, в первую очередь
пищеварительной системы. Карп оценивает эффективность действий по состоянию своего
желудка, что становится решающей мотивацией в выборе конкретной поведенческой
тактики.
В полости IV желудочка может быть увеличено представительство и других
черепно-мозговых нервов. Примером могут служить многочисленные сомы, способные
к дифференциальной соматической и вкусовой чувствительности при помощи
специальных выростов на голове (усов) . У них на дне IV желудочка морфологически
может обособляться ядро лицевого нерва (VII). Подобное развитие соматической
чувствительности приводит к столь значительному увеличению размеров этого
центра, что он может визуально закрывать почти всю полость IV желудочка. К
сходным последствиям приводит гипертрофированное развитие представительства
языкоглоточного нерва (IX) (см. рис. 11-20, л). Такое интенсивное развитие
ядер языкоглоточного нерва обычно для рыб с развитой системой генерации
электрических разрядов. У электрического ската центры управления электрическими
органами полностью закрывают полость IV желудочка.
Наибольшим диапазоном изменчивости среди сенсомоторных центров мозга обла-
дает мозжечок. Он расположен у переднего края заднего мозга и может достигать
огромных размеров, закрывая собой весь головной мозг (см. рис. 11-22). Его
развитие зависит от нескольких причин. Наиболее очевидная связана с
пелагическим образом жизни, хищничеством или способностью к эффективному плаванию в
толще воды. Наибольшего развития мозжечок достигает у пелагических акул (см.
рис. 11-18, б) . В нём формируются настоящие борозды и извилины, которые
отсутствуют у большинства костистых рыб (см. рис. 11-18, е, г). В этом случае
развитие мозжечка вызвано сложным движением акул в трёхмерной среде океана.
Требования к пространственной ориентации слишком велики, чтобы это не
отразилось на нейроморфологическом обеспечении вестибулярного аппарата и сенсомо-
торной системы. Этот вывод подтверждается исследованием мозга акул, обитающих
на билатерали и около дна. У акулы-няньки нет развитого мозжечка длиннокрылой
акулы, а полость IV желудочка полностью открыта (см. рис. 11-18, а). Её
биология не предъявляет таких жёстких требований к пространственной ориентации,
как у длиннокрылой акулы. Следствием стали относительно скромные размеры
мозжечка . Для миксин и миног, как пространственная ориентация, так и контроль за
высокими скоростями движения не имеют важного биологического значения.
Являясь паразитическими животными или падальщиками, круглоротые не нуждаются в
сложной координации движений, что отражает строение их мозжечка (см. рис. II-
22, а).
Однако размеры и форма мозжечка у первичноводных позвоночных могут
изменяться не только в связи с пелагическим или относительно оседлым образом
жизни. Поскольку мозжечок является центром анализа соматической
чувствительности, он принимает самое активное участие в обработке электрорецепторных
сигналов . Электрорецепцией пользуются очень многие первичноводные позвоночные.
На сегодняшний день известно, что 70 видов рыб обладают развитыми
электрорецепторами, а около 500 видов могут генерировать электрические разряды
различной мощности. Примерно 20 видов способны как генерировать, так и рецептиро-
вать электрические поля. Наиболее изучена эта способность у гимнарха
(Gymnarchus niloticus), рецептирующего электрическое поле, создаваемое им
самим. При попадании в его поле объектов различной электропроводности гимнарх
может определить направление их движения, размер и скорость. Электрорецепция
используется для ухаживания друг за другом особей различного пола и
подавления электрических полей конкурирующих особей или других видов. Кроме
гимнарха, аналогичные способности генерировать и воспринимать собственные сигналы
известны у других костистых рыб, акул и скатов.
Электрические сигналы первичноводные позвоночные воспринимают при помощи
рецепторов двух основных типов: ампульных (ампулы Лоренцини) и клубочковых. У
некоторых видов присутствуют рецепторы обоих типов, но у большинства только
одного. Ампульные электрорецепторы приспособлены для восприятия медленно
изменяющихся электрических полей, а клубочковые реагируют на быстрые изменения,
поэтому у активно плавающих рыб, обитающих в непрозрачной воде, более развиты
клубочки, а у хищников в прозрачной воде — ампульные рецепторы. Если основной
системой афферентации становится электрорецепция собственного электрического
поля или внешних электрических полей, то мозжечок начинает выполнять роль
сенсорного мозгового центра. У всех рыб, обладающих электрорецепцией,
мозжечок развит чрезвычайно хорошо (см. рис. 11-22, е). Зачастую полушария
мозжечка так велики, что закрывают с дорсальной поверхности весь мозг.
Таким образом, структурные отделы головного мозга первичноводных
позвоночных представляют собой своеобразные маркёры морфофункциональной адаптации
вида к определённым условиям обитания. Анализ организации нервной системы
первичноводных позвоночных даёт объективную информацию о развитии систем
афферентации, способах принятия решений и ведущих мотивационных центрах головного
мозга. Однако не менее интересен эволюционный путь возникновения столь ком-
пактной и эффективной системы управления поведением. Палеонтологических
свидетельств возникновения современной конструкции мозга первичноводных
позвоночных крайне мало. Даже самые древние находки содержат в основном информацию
об уже сложившемся современном типе организации головного и спинного мозга.
Реконструируя становление нервной системы первичноводных позвоночных,
приходится опираться на архаические черты строения мозга современных видов.
По-видимому, появление древних хордовых не сразу привело к заметным
изменениям в биологии водной среды. Судя по всему, первые хордовые были
относительно небольшими животными, размером от нескольких сантиметров до полуметра. Они
явно не могли составить серьёзной конкуренции процветавшим водным
беспозвоночным, которые зачастую были намного больше, чем молодая группа хордовых. По
размерам древние позвоночные явно проигрывали беспозвоночным и не могли на
равных конкурировать с ними. Нервная система не давала особых преимуществ
этой новой группе, скорее наоборот. Небольшая и хорошо детерминированная
нервная система с набором эффективных поведенческих программ давала
беспозвоночным заметные преимущества в конкуренции с древними хордовыми. Нервная
система древних позвоночных обладала только одним положительным качеством —
способностью к почти неограниченному увеличению своих размеров. Однако это
преимущество было реализовано далеко не сразу. На первом этапе хордовые решали
проблему конкуренции с беспозвоночными при помощи выбора среды обитания,
становления строения мозга и скелета.
§ 28. Возникновение
отделов головного мозга
Ранний период истории возникновения предков позвоночных, до формирования
хорошо структурированного скелета, довольно туманен. Если допустить, что
предковые формы хордовых были мягкотелыми существами размером около 10-15 см,
то возникнет существенная проблема, как с биотопом, так и с биологическим
смыслом появления таких существ. Первым условием возникновения хордовых
должна была стать некая очень выгодная среда. В ней должно быть много пищи, ещё
не освоенной другими организмами. Эта среда должна давать возможность
эффективно размножаться и защищать от потенциальных хищников. Вполне возможно, что
первые позвоночные возникли в мелководье билатерали. В этих местах крупные
морские беспозвоночные были не так опасны, как в воде, а размеры наземных
беспозвоночных хищников были намного меньше, чем в водной среде, что
позволяло выживать даже мягкотелым предкам позвоночных.
Допуская появление первых хордовых на мелководной билатерали, попробуем
представить себе ключевые этапы формирования основных отделов головного
мозга. Головной мозг древних хордовых сформировался из 3-4 слившихся ростральных
ганглиев нервной цепочки беспозвоночных (см. рис. 11-15; 11-16). Ганглиозная
структура нервной цепочки беспозвоночных предполагает сохранение следов рост-
рокаудальной сегментации, которая отразилась в организации первичных нейраль-
ных отделов (рис. 11-23, а) . В наиболее примитивном состоянии дорсальная
нервная трубка состояла в головной части из трёх сенсомоторных центров. Самой
каудальной и самой древней частью были два сенсомоторных ганглия на границе
головного и спинного мозга. Они составляли основу координированной эффектор-
ной активности всех моторных нейронов в древней нервной системе. Эта функция
была унаследована от беспозвоночных, как и принципы морфологической
организации .
Ретикулярно-нейропильная структура продолговатого и заднего мозга
современных первичноводных позвоночных очень близка по принципам организации к
моторным ганглиозным центрам современных турбеллярий и полихет. Ростральнее
моторных центров расположен видоизменённый ганглий, связанный со зрительной систе-
мой. Парные глаза также стали наследством беспозвоночных предков.
Маловероятно, что они возникли вторично, хотя инвертированное строение сетчатки и её
образование из нервной трубки не исключают и такого варианта развития
событий. Спереди от зрительных центров первоначально располагался ещё один
остаток самого рострального ганглия беспозвоночных. Это нейроморфологическое
наследство нейрогемального (гормонального) органа. По-видимому, сохранились
ганглий и связанный с ним орган гормональной регуляции поведения. Нейроге-
мальный орган интегрировался в ганглиозную структуру этого участка мозга.
Однако у самого рострального участка нервной трубки возникли и
дополнительные функции. В первую очередь это механорецепторный аппарат передней части
тела. Эти функции выполнял терминальный нерв (0) с собственным ганглием. Он
иннервировал этмоидную зону головы древнего позвоночного так же, как он
выполняет эти функции у современных костистых, двоякодышащих и пластино-
жаберных. Нижняя часть этого прообраза промежуточного мозга соприкасалась с
глоточным эпителием, где выполняла функции вкусового рецептора. В зависимости
от состава пищи изменялась гормональная активность нейрогемальных центров, и
происходило адаптивное изменение, как поведения, так и работы пищеварительной
системы.
Внутриротовое вкусовое поле было прообразом аденогипофиза, которое
впоследствии изменило свои функции. В настоящее время эта гипотеза возникновения и
сегментации отделов мозга выглядит наиболее полной, хотя и расходится с
предположениями других авторов.
Не исключено, что с самого начала эволюции ростральный участок нервной
трубки был связан с эктодермой. Примитивные способности эктодермальных клеток
к восприятию уровня освещённости позволили сформировать пинеальный глаз.
Светочувствительный орган, непосредственно связанный с гормональным центром,
давал возможность регулировать суточную гормональную активность. У современных
первичноводных позвоночных эти функции выполняют теменной глаз и нейрогормо-
нальный пинеальный комплекс дорсальной части промежуточного мозга.
Судя по всему, внешний дистантный хеморецептор возник несколько позднее
(см. рис. 11-23, б, е). Он сформировался как ростродорсальное выпячивание
части будущего промежуточного мозга в зоне отхождения терминального нерва.
По-видимому, он первоначально состоял из непарного утолщения ганглиозного
типа и центрального хеморецепторного поля. Однако такая асимметричность
сохранялась недолго. Обонятельное поле разделилось на два самостоятельных органа
обоняния с отдельными нервами. Причина таких преобразований хорошо понятна.
При непарном органе обоняния надо совершать довольно сложные движения телом,
чтобы определить направление на источник запаха. Так поступают современные
круглоротые. Увеличение расстояния между двумя сенсорными центрами позволяет
точнее и быстрее определять направление на источник запахов без особых затрат
на движение.
С разделением хеморецепторного поля на два симметричных органа обоняния
произошло и другое важное изменение в организации головного мозга — возникли
парные полушария (рис. 11-24). Можно предположить, что на первом этапе
зачаток переднего мозга представлял собой асимметричное утолщение нервной трубки.
Затем произошло разделение наружного обонятельного поля и, как следствие,
обонятельных нервов (см. рис. 11-24, а) . Это привело к началу латерального
увеличения участков переднего мозга, обрабатывающих обонятельные сигналы.
Параллельно развивались и комиссуральные связи между зачатками обонятельных
полушарий. Они были необходимы для сравнения обонятельных сигналов от каждой
стороны тела (см. рис. 11-24, б) . Обонятельные полушария распространялись в
ростральном направлении и формировали два слепых кармана — латеральные
желудочки. Они и у современных позвоночных соединяются между собой и III
желудочком только в каудальной зоне переднего мозга. Эта тенденция увеличения разме-
ров обонятельных центров привела, в конечном счете, к формированию парных
полушарий переднего мозга (см. рис. 11-24, е) .
7ерм»нлльмы* (0)
нерв i
Зрч тельник
цен тр
(.емсомогорнь'О
це* rpt>
0 Вкусовое поле
(гипофи))
©
Н,\рушнь<*
*е*орецепюр
©
Тронннчмь'Н
нерв
Хорде
Хорд,1
НО _? г
' ' Хор Дек
ЖзОермь'и
Рис. 11-23. Возможные этапы формирования основных отделов
головного мозга позвоночных: а — наиболее примитивное состояние мозга
с тремя сенсорными центрами; б — появление переднего мозга как
центра для обработки внешних обонятельных сигналов; в — утрата
связи аденогипофиза с глоточным эпителием, формирование парных
полушарий переднего мозга и развитие этмоидной иннервации
тройничным нервом.
Однако наращивание количества нервных клеток в обонятельных центрах мозга
первичноводных позвоночных шло различными путями. Ещё на Заре возникновения
переднего мозга были реализованы две различные эволюционные стратегии. Одна
из них предполагала увеличение размеров переднего мозга путём размножения
клеток в прижелудочковом слое с последующей их миграцией в наружные части
стенки полушария. При этом типе развития мозга формируются парные полушария с
замкнутой внешней стенкой. Такой вариант организации мы чаще всего встречаем
у пластиножаберных (см. рис. 11-24, в). У большинства костистых рыб и деление
клеток, и их дифференцировка происходят в непосредственной близости от
мозговых желудочков. Следствием такого типа дифференцировки становится
выворачивание прижелудочковой поверхности полушарий наружу (см. рис. 11-24, г). Эвер-
сия полушарий переднего мозга стала тупиковым вариантом в эволюции нервной
системы, если, конечно, считать выход на сушу эволюционно прогрессивным
событием. У наземных позвоночных нет эвертированного варианта строения переднего
мозга, а его обладатели не смогли покинуть водную среду.
мозг
Рис. 11-24. Происхождение полушарий переднего мозга позвоночных: а —
наиболее примитивное состояние переднего мозга с парными нервами, но
одним полушарием; б — появление парных полушарий в результате роста
центров, обслуживающих наружный хеморецептор; в — мозг современного
животного и сечение через парные полушария; г — внешний вид и разрез
через эвертированные полушария переднего мозга костистых рыб.
Стрелками показаны пути эволюционных преобразований мозга.
Продолжая реконструировать развитие основных отделов мозга, надо отметить,
что с течением времени гипофизарный вкусовой карман утратил своё значение.
Его функции стала выполнять часть ротовой полости, которая иннервировалась
несколькими ветвями различных жаберных нервов. Такая множественность
иннервации вкусовых клеток сохранилась и у современных позвоночных. Однако рецептор-
ные и секреторные свойства клеток архаичной гипофизарной ямки не исчезли без
следа. На её основе сформировался нейрогипофиз, который в сочетании с адено-
гипофизом стал ключевым органом регуляции желёз внутренней секреции. При
переходе к активному плаванию нагрузка на сенсомоторные отделы возросла, что
привело к увеличению размеров задних мозговых отделов, а потом и к
образованию IV желудочка. Эти преобразования уже не были революционными, а возникший
архетип мозга сохранился у всех современных позвоночных. Вполне понятно, что
проведённая реконструкция возможных этапов эволюции первичноводных
позвоночных носит гипотетический характер. Однако сравнительно-морфологические и
палеонтологические данные косвенно подтверждают эту точку зрения.
§ 29. Формирование
мозга позвоночных
Теперь попробуем предположить те события, которые могли привести к развитию
описанной выше конструкции головного мозга древних первичноводных
позвоночных. Жизнь в мелководной билатерали должна была иметь существенные
преимущества для первых хордовых, в противном случае они бы никогда не появились. По-
видимому, там небольшие и мягкотелые предки хордовых обнаружили
неограниченное количество пищи, множество убежищ и идеальные условия для
размножения. Надо уточнить, что перечисленные условия сохранялись достаточно долго,
чтобы смогли сформироваться довольно сомнительные конкуренты беспозвоночных —
предки хордовых.
Вполне вероятно, что основная конкуренция в этих неглубоких водоёмах
происходила между самими примитивными хордовыми без заметного вмешательства со
стороны беспозвоночных. Первые хордовые были явными фильтраторами или
собирателями придонных органических осадков. Наиболее эффективные преобразования
ротовой полости могли ограничиваться созданием дополнительного ускорения
протока воды через ротовую полость и жаберный аппарат. Этого можно было
достигнуть как путём развития скелетно-мышечной системы жаберного аппарата, так и
при помощи увеличения подвижности вентральной кожной складки (см. рис. 11-23,
е). Описанные события могли произойти ещё до развития скелетных конструкций в
жаберной системе. Существование подобной дочелюстной системы захвата пищи или
прокачивания воды могло стать причиной направленной дифференцировки
тройничного , лицевого и подъязычного нервов.
Основные эволюционные преобразования в этот период сводились к развитию
систем, увеличивающих скорость сбора пищи и минимизирующих затраты на её
поиск. Такие проблемы хорошо решаются в билатерали при помощи развития органов
вкуса и обоняния. Именно эти события и предполагали формирование обоняния и
его аналитического центра — переднего мозга. Параллельно формировался и орган
вкуса. Первоначально это могла быть глоточная часть будущего гипофиза, а
затем и специализированные ротовые и кожные вкусовые сосочки. С развитием
дистантных обонятельных и вкусовых рецепторов возникла необходимость эффективно
двигаться по направлению к источникам пищи. Для этого нужен мало-мальски
эффективный механизм плавания. Сегментарная туловищная мускулатура
беспозвоночных заложила основы для этих движений, но согласованность её сокращений
сложилась вторично на базе сенсомоторных центров заднего и продолговатого
мозга.
Любое активное движение в трёхмерной среде приводит к возникновению мозжеч-
ка или его аналога. Вполне возможно, что его зачаток возник сразу по двум
причинам. Одна была связана с необходимостью плавания в трёхмерной среде, а
другая могла быть вызвана возникновением первых электрорецепторных органов.
Мутноватая билатераль вполне располагает к появлению подобных органов чувств,
а электрорецепторные органы у беспозвоночных делают такое событие вполне
вероятным. Однако описанное хордовое существо не должно было обладать ни одним
из перечисленных свойств в совершенстве. Любая самая эффективная, но узкая
специализация ведёт в эволюционный тупик. Далёкий предок хордовых не должен
был обладать ни развитой защитой, ни сверхчувствительными органами чувств, ни
мощной и дифференцированной мускулатурой для активного движения. Все, кто
обзавёлся такими прекрасными приспособлениями для выживания, довольно быстро
исчезли.
Неспециализированный предок позвоночных должен был быть своеобразным гадким
утёнком с минимумом тактических адаптивных приспособлений. При этом его
нервная система должна была обладать рядом свойств, исключающих глубокую
специализацию (рис. 11-25, а, б) : передний мозг не эвертирован, дорсальная часть
промежуточного мозга замкнута. Переднее сосудистое сплетение должно было не
лежать на мозге, а находиться внутри латеральных и III желудочков. Этому
существу надо было обладать не слишком специализированным средним мозгом и
мозжечком .
Наиболее вероятный архетип строения мозга такого животного показан на рис.
11-25, а. От такого гипотетического предка позвоночных могли взять начало
более специализированные формы, дошедшие до нас в виде палеонтологических
свидетельств (см. рис. 11-25, е). Самым древним известным позвоночным считается
Arandaspis. Эти бесчелюстные позвоночные сформировались в ордовике около 500
млн. лет назад. Однако развитые защитные пластины уже покрывали их голову и
часть тела. По-видимому, это уже достаточно специализированные существа,
возникшие после широкого распространения менее специализированных позвоночных.
Дальнейшая эволюция привела к появлению хорошо защищенных бесчелюстных,
которые успешно конкурировали с беспозвоночными в мировом океане.
Птераспидоморфные бесчелюстные были уже хорошо защищены мощными панцирями,
которые полностью закрывали значительную часть их небольшого тела (см. рис.
11-25, в-е). По сути дела, у бесчелюстных был аналог наружного скелета
беспозвоночных, они конкурировали с беспозвоночными там, где трудно было ожидать
Значительного прогресса. Размеры этих позвоночных были невелики (10-40 см) и
сопоставимы с размерами хищных беспозвоночных. Преимущества, даваемые
потенциальными возможностями большего размера тела, были ещё не реализованы.
Инстинктивный набор поведенческих реакций небольшого мозга древних позвоночных
не давал особых адаптивных преимуществ. Более того, защитный панцирь в
передней части тела и плохо защищенный хвост существенно проигрывают полному хити-
низированному наружному скелету беспозвоночных, поэтому древние бесчелюстные
были неважными конкурентами беспозвоночных в водной среде. Они могли хорошо
конкурировать с ними только в довольно специфической среде. Такой средой
могли стать мелководные и богатые пищей прибрежные районы океана. Если плавающий
в такой среде предок позвоночных был достаточно подвижен, то он мог
конкурировать с менее быстрыми беспозвоночными.
При благоприятных обстоятельствах размер позвоночных мог начать
увеличиваться. Впервые были реализованы те возможности увеличения размеров тела,
которые даёт позвоночным внутренний скелет. Позвоночное животное могло стать
таким большим, что поглощало беспозвоночное любого размера. Последствия таких
эволюционных успехов легко представить. Открылась почти неограниченная
пищевая база для эволюционно молодой группы. Это автоматически привело к
появлению множества морфологических модификаций общего плана древних позвоночных.
Однако, судя по общему плану строения, это произошло уже после появления ос-
новных отделов головного и спинного мозга.
Рис. 11-25. Основной план строения нервной системы и внешний вид
возможного предка позвоночных: а — общий вид возможной нервной
системы предка позвоночных; б — внешний вид гипотетического
предка; в — реконструкция Arandaspis prionotolepis; г — анаспид
Birkenia из силура; д — цитаспид Anglaspis из раннего девона; е
— птераспид Pterspis из раннего девона. Распространение
бесчелюстных началось с билатерали, где они возникли. При освоении
океана наиболее успешными оказались максимально защищенные
формы, которые полностью исчезли.
Не исключено, что из этой мелководной билатерали одни хордовые ушли в более
глубоководные части океана, а другие стали приспосабливаться к жизни на
границе сред (см. рис. 11-25, б-е) . Вполне возможно, что именно из этой группы
могли появиться предки наземных позвоночных. Это отчасти объясняет отсутствие
однозначных палеонтологических свидетельств существования переходных форм. На
этот же вывод указывают глубокие различия в морфологии современных первично-
водных позвоночных и амфибий.
Происхождение мозга
наземных позвоночных
Появление наземных позвоночных стало одним из самых занимательных сюжетов в
эволюции. Конечно, трудно ожидать, что сравнительный анализ мозга современных
амфибий и первичноводных позвоночных даст ответы на все интригующие вопросы
этой обширной проблемы. Однако некоторые спорные аспекты происхождения
наземных тетрапод можно рассмотреть с неврологических позиций. Этот подход может
привести к формально непротиворечивым реконструкциям происхождения нервной
системы первых наземных позвоночных. Основное внимание придётся уделить
особенностям строения мозга современных амфибий, поскольку палеонтологические
данные в отношении их нервной системы крайне скудны и ненадёжны.
G)
Рис. 11-26. Общий план строения нервной системы амфибий, вписанный в
контур тела представителя каждого из отрядов: а — нервная система
бесхвостых амфибий (Anura); б — нервная система хвостатых амфибий
(Urodela); в — нервная система безногих амфибий (Apoda). Передний
мозг и мозжечок более всего развиты у безногих амфибий в связи с
почвенным образом жизни. Средний мозг наиболее совершенен у
бесхвостых амфибий, а водные хвостатые амфибии сохранили признаки
иннервации большинства органов боковой линии рыб. У многих безногих амфибий
отсутствуют утолщения спинного мозга, маркирующие конечности, что
свидетельствует об их отсутствии у предковых форм.
К современным амфибиям относят три относительно самостоятельные группы с
довольно туманным прошлым; это хвостатые амфибии (саламандры и тритоны —
Urodela), бесхвостые амфибии (лягушки и жабы — Апига) и безногие амфибии —
червяги (червеобразные земноводные — Apoda) (рис. 11-26). Хвостатые и
бесхвостые амфибии внешне отличаются от рыб тем, что имеют рычажные конечности
вместо парных плавников (см. рис. 11-26). В личиночном состоянии почти все
амфибии дышат жабрами, которые у ряда видов сохраняются в течение всей жизни. У
взрослых животных обычно имеются лёгкие. Личинки амфибий развиваются в водной
среде, и обладают хрящевым скелетом, тогда как большинство взрослых животных
обитает на земле и имеет скелет из костной ткани.
Переход от личиночной стадии к взрослому животному часто связан с выходом
на сушу, что приводит к значительным изменениям скелета и внутренних органов.
У лягушек исчезает хвост, развиваются лёгкие вместо жабр и формируются
конечности. Этот процесс носит название метаморфоза. Некоторые земноводные
становятся половозрелыми на личиночной стадии. Это явление лучше всего известно
для аксолотля и носит название неотении. У современных земноводных гладкая
кожа, которая легко пересыхает. Амфибии размножаются преимущественно в воде и
не имеют тазовых почек, поэтому нуждаются во влажной среде и в большинстве
обитают поблизости от водоёмов. Несколько обособленное положение занимают
червяги, которые обитают в почве или в водной среде. Они передвигаются в
почве при помощи червеобразных движений и отличаются от других амфибий полным
отсутствием конечностей и хвоста. Обитая в почве, они практически лишились
Зрения, хотя и обладают рудиментарными глазами (см. рис. 11-26; рис. 11-27 -
11-29). Среда их обитания наложила глубокий отпечаток на строение органов
чувств и головной мозг.
§ 30. Особенности строения
нервной системы амфибий
Нервная система амфибий имеет много сходных черт с рыбами, но обладает и
рядом особенностей. Хвостатые и бесхвостые амфибии приобрели конечности, что
повлекло за собой изменение организации спинного мозга. Спинной мозг лягушки
короткий и оканчивается тонкой конечной ниточкой. В соответствии с числом
позвонков у лягушки существует только 10 пар спинных нервов (см. рис. 11-27);
2-я и 3-я пары сливаются и образуют плечевое сплетение, проводящее нервы в
передние конечности, 7-я, 8-я, 9-я и 10-я пары соединяются для образования
крестцово-поясничного сплетения, которое иннервирует задние конечности. Такая
специализация нервов спинного мозга впервые встречается у амфибий и
отсутствует у рыб. Есть ещё одно важное отличие в строении спинного мозга. У лягушки
первый спинной нерв выполняет функцию XII черепно-мозгового нерва и
иннервирует мышцы языка.
Головной мозг лягушки отличается от мозга рыб очень небольшим мозжечком,
более крупным передним мозгом и хорошо заметным промежуточным мозгом (см.
рис. 11-26 - 11-28). Парные полушария переднего мозга имеют спереди крупные
обонятельные луковицы, которые у бесхвостых амфибий срастаются между собой по
средней линии. Промежуточный мозг расположен сразу за полушариями и имеет два
дорсальных выроста, соответствующих эпифизу и парафизе. Нижний мозговой
придаток промежуточного мозга — гипофиз — хорошо развит. Средний мозг амфибий
представляет собой наиболее крупный отдел головного мозга. У большинства
амфибий он формирует парные полусферы, в которые приходят зрительные тракты,
продолжение зрительных нервов. Позади среднего мозга расположен очень
маленький мозжечок. Он представляет собой небольшое дорсальное утолщение передней
стенки IV желудочка. Полость IV желудочка открыта. Все черепно-мозговые нервы
хорошо заметны, но XII пара отходит от центральной нервной системы вне мозго-
вого черепа и поэтому часто ошибочно рассматривается как спинномозговой нерв.
Добавочному (XI) нерву соответствует одна из ветвей блуждающего нерва (X).
I О
Рис. 11-27. Головной и спинной мозг бесхвостой амфибии, основные
нервы и микрофотографии гистологических срезов. Слева — общий
вид головного и спинного мозга амфибий на примере лягушки; а—г —
гистологические срезы, соответствующие сечениям, указанным на
левом рисунке. На срезах римскими цифрами обозначены мозговые
желудочки, а на схеме головного и спинного мозга — черепно-
мозговые нервы. Спинномозговые нервы — п.spin I—XI.
Блуждающий нерв иннервирует внутренние органы и гортань (производное
жаберного аппарата рыб). У амфибий парасимпатические ветви блуждающего нерва
начинают иннервировать лёгкие. Языкоглоточный нерв (IX) иннервирует полость рта,
глотку и язык. Он редко выходит из черепа отдельно, чаще сливаясь с
блуждающим нервом. У бесхвостых амфибий тройничный нерв (V) может сливаться после
выхода из мозга с лицевым и слуховым нервами (VI-VIII) .
I Г
Рис. 11-28. Гистологические срезы через голову кавказской
саламандры (Mertensiella caucasica, Urodela). Срезы соответствуют
положению сечений на схеме (а-в). В связи с жизнью в лабиринтах
сформировалась слуховая система, первоначально воспринимавшая
колебания воды, а затем и воздуха. Водно-воздушное обоняние
также сформировалось на границе сред. Форма и положение конечностей
оптимально соответствуют движениям вперёд и назад в узких
лабиринтах , что предопределило форму и положение коленных суставов.
Зрительный нерв (II) образует на нижней стороне мозга срастание,
напоминающее букву X, со сложным перекрестом волокон, а у рыб это простое
перекрещивание нервов. Обонятельный нерв (I) состоит из двух пучков волокон, которые у
безногих амфибий разделяются и входят в мозг по отдельности. Один из них идёт
от воздушного обонятельного мешка, а второй — от хеморецепторов якобсонова
органа, который впервые появляется у амфибий и выполняет функции
дополнительного органа обоняния.
Основные органы чувств амфибий изменены в соответствии с приспособлением к
жизни в новой среде. У личинок и постоянно живущих в воде видов имеется
сложная боковая линия. Она состоит из нескольких рядов чувствительных луковиц,
которые позволяют воспринимать колебания воды. У наземных видов эти органы
заменены специализированными осязательными пятнами. Органами вкуса являются
луковицеобразные тельца, разбросанные в слизистой оболочке нёба и языка.
Носовые мешки, имеющие две связанные камеры, способны к хеморецепции, как
воздуха, так и воды благодаря расположенным в них рецепторным клеткам. Они
открываются ноздрёй наружу и специальным отверстием — хоаной в ротовую полость.
Так как вдыхание и выдыхание воздуха происходят обычно через ноздри, носовая
полость амфибий не только является обонятельным органом, но и входит в состав
дыхательных путей.
Глаза амфибий позволяют различать цвета предметов и движущиеся объекты.
Земноводные обладают хорошим зрением. Хрусталик их глаза сзади более выпукл,
чем спереди, и в обычном состоянии установлен для зрения вдаль. Аккомодация
глаза достигается сокращением лежащей вокруг хрусталика мышцы, перемещающей
его по направлению к роговице. У безногих амфибий в связи с преимущественным
обитанием в почве глаза невелики или рудиментарны и спрятаны под кожей (см.
рис. 11-29, д).
Орган слуха включает среднее ухо, которое впервые встречается у амфибий.
Снаружи оно ограничено барабанной перепонкой, за которой лежит большое
пространство — барабанная полость, соединённая с ротовой полостью короткой
евстахиевой трубой. В барабанной полости расположено стремя, передающее
колебания барабанной перепонки на специальное окно внутреннего уха. Колебания
воздуха вызывают движение барабанной перепонки, которое передаётся посредством
стремени к эластичному окну внутреннего уха с механочувствительными клетками.
Соединение евстахиевой трубы с ротовой полостью позволяет выравнивать
давление воздуха в барабанной полости с атмосферным. Понятно, что такой орган
слуха не отличается высокой чувствительностью и не позволяет воспринимать
высокие звуки. Тем не менее, способность воспринимать колебания воздуха, а не
воды впервые возникла у амфибий.
Адаптация амфибий к наземному существованию повлекла за собой изменение
поведения этих животных. Амфибии больше, чем рыбы, способны к индивидуальному
поведению, которое координируется центральной нервной системой. Они проявляют
различные формы заботы о потомстве и способности к обучению. Земноводные
могут проходить простые лабиринты. В этом отношении жабы несколько превосходят
лягушек, а тритоны и саламандры с такой задачей не справляются.
§31. Проблемы выхода
амфибий на сушу
Переход к наземному образу жизни повлёк за собой изменение организации
центральной нервной системы и поведения земноводных. Даже у наиболее
высокоорганизованных амфибий преобладают инстинктивные формы поведения. Оно основано на
врождённых стереотипах, которые могут быть незначительно изменены в
результате индивидуального развития конкретного животного. Это принципиальный шаг в
эволюции нервной системы, поскольку способность к обучению и индивидуальному
изменению поведения является мерой интеллектуальных способностей животных и
человека.
Рис. 11-29. Внешний вид и гистологические срезы через основные
структуры мозга червяги (Chtonerpeton viviparum): а — полушария
переднего мозга; б — средний, задний и передний мозг; в —
мозжечок и задний мозг; г, д — срез через носовые раковины и глаз
червяги. На увеличенной части среза виден рудиментарный глаз,
расположенный в дерме под кутикулой. Буквы сечений мозга
соответствуют срезам.
Выход на сушу остаётся одним из самых значимых событий в истории
позвоночных. В результате многочисленных исследований этого вопроса сложилась более
или менее общепринятая схема, объясняющая пути происхождения наземных
позвоночных от архаичных мясисто-лопастных (Sarcopterygii). Надо отметить, что
современная латимерия плохо подходит для реконструкции строения мозга наземных
позвоночных. Её передний мозг эвертирован, а другие отделы центральной нерв-
ной системы несут на себе следы необратимой специализации. Вполне возможно,
что адаптивная специализация мозгового представительства органов чувств
возникла вторично, но эверсия переднего мозга остаётся тупиковым вариантом
развития и не может служить исходной конструкцией для мозга амфибий.
Следует рассмотреть основные предположения о происхождении наземных
позвоночных, которые остаются неизменными на протяжении последнего столетия. Их
можно сформулировать в виде набора морфологических аксиом, используемых для
эволюционных построений. Первая аксиома гласит, что у рыбообразных предков
амфибий были лёгкие, которые возникли и сформировались ещё в воде. Они
представляли собой довольно развитый орган, позволявший дышать атмосферным
воздухом. По мнению большинства авторов, лёгкие возникли как адаптация к жизни в
бедных кислородом и пересыхающих водоёмах. Они развивались параллельно с
жаберным аппаратом и постепенно брали на себя основные функции дыхания.
Вторая аксиома говорит о том, что мясистые плавники также сформировались у
кистепёрых предков амфибий в воде. Они только несколько усовершенствовались
при выходе на сушу и во время ползания от одного водоёма к другому.
Третья аксиома заключается в том, что сенсорные системы, водный баланс и
мозг адаптировались к наземному существованию весьма постепенно и
одновременно . Основным аргументом в пользу такой точки зрения является длительность
этих событий и постепенность преобразований органов и систем.
Таким образом, реконструированные события выхода позвоночных на сушу
выглядят следующим образом. Довольно крупные, длиной около 1 м, кистепёрые рыбы
обитали в хорошо прогреваемых мелких водоёмах. У них возникли лёгкие, которые
позволяли дышать атмосферным воздухом, и мясистые плавники, которые выполняли
функции конечностей. К моменту пересыхания мелких водоёмов уже все основные
адаптивные изменения в организме рыб произошли, что и позволило им выйти на
сушу.
Появление предков наземных тетрапод в прибрежной зоне — один из наиболее
проблематичных вопросов филогении позвоночных. Крупным рыбам трудно найти
пищу на мелководье, куда их необходимо поместить для выработки адаптивных
приспособлений к наземному образу жизни. По поводу доступной пищи в прибрежных
районах девона единого мнения нет. С одной стороны, предполагают, что
животной пищи на земле было мало для предков амфибий, поскольку насекомые широко
распространились только в позднем карбоне. С другой стороны, по мнению
некоторых авторов, в то время уже имелось несколько групп беспозвоночных, которые
могли обеспечить полноценное питание мясистолопастных. Однако большинство
авторов склоняются к тому, что предки амфибий питались преимущественно рыбой в
воде. Чтобы избежать очевидных противоречий, обычно допускают разнообразные
«счастливые случайности». Например, выбрасывание рыбы на берега водоёмов,
которое должно сопровождаться массовым выбеганием за ней предков наземных
позвоночных из воды. По неясным причинам пища «выбрасывается», а её потребители
остаются в тех же мелких водоёмах в безопасности. Казалось бы, наоборот,
оказавшись в мелкой воде с недостатком пищи и малым количеством растворённого
кислорода, животное начинает подвергаться дополнительной опасности, поскольку
лишается свободы передвижения и понижает свой метаболизм. Действительно, если
в открытой воде животное может свободно двигаться в любом из трёх измерений,
то на мелководье его подвижность резко ограничена. Иначе говоря, пока не
установлена явная причина концентрации предков наземных позвоночных на
мелководье.
Таких причин может быть несколько. С одной стороны, наиболее важный фактор
— пища. Если её много, то миграция хищников обеспечена. С другой стороны,
среда обитания пищи должна быть сразу доступна хищникам, иначе никакая
адаптация в несколько миллионов лет им не поможет. Хищники могут только следовать
за миграцией пищи, а не адаптироваться к условиям, о которых они ещё «не зна-
ют», будет там пища или нет. Кроме того, сами хищники должны быть хорошо
защищены. В противном случае их движение за пищей не приведёт к отдалённым
филогенетическим результатам. На мелководье эти условия соблюсти невозможно,
что ставит под сомнение модель «прибрежного» происхождения наземных
позвоночных .
Другая проблема общепринятой модели происхождения амфибий связана с
адаптацией органов дыхания мясистолопастных к условиям наземного существования.
Если предковые формы наземных позвоночных все же стали по загадочным причинам
жить на мелководье, то стимуляция формирования лёгких объясняется невысокой
концентрацией кислорода в прогреваемой воде. Этот тезис вызывает сомнения,
поскольку количество кислорода, растворённого в морской воде, при повышении
температуры уменьшается незначительно. При 15° С в морской воде содержится
5,79 мл/л кислорода, а при 30°С — 4,4 6 мл/л. Сомнительно, что температура в
прибрежных водах различалась в 2 раза, как в этом примере. Скорее всего,
перепад температур составлял 30-35%, а это практически не сказывается на
концентрации кислорода, растворённого в воде. В связи с этим нужно искать более
веский повод для возникновения лёгочного дыхания.
Все гипотезы происхождения наземных позвоночных предполагают опреснение
водоёмов , в которых вырабатывались адаптации к наземному существованию, что
значительно усугубляет ситуацию. В пресной воде растворено больше кислорода,
чем в солёной. При температуре 30°С в пресной воде растворено 5,57 мл/л
кислорода, практически столько же сколько в морской воде при 15°С.
Следовательно, при переходе в опреснённые и хорошо прогреваемые водоёмы предки наземных
позвоночных не почувствовали бы разницы в концентрации растворённого
кислорода. Скорее наоборот, на мелководье происходит постоянная аэрация воды, что
увеличивает растворимость кислорода по сравнению с показателями для
равновесного состояния воды и воздуха. По-видимому, при выходе на опреснённое
мелководье предки наземных позвоночных должны были оказаться в среде, более
насыщенной кислородом, чем на глубине. Таким образом, ни одна из основных гипотез
возникновения лёгких объективно не обоснована.
Предположения о пересыхании водоёмов были бы довольно убедительны, если бы
в эволюции не появились животные с нелёгочными типами дыхания. Такие
специализированные виды, как Clarias, Plecostomus, Hoplosternum, Amia calva,
Lepidosiren, используют для дыхания оперкулярные и ротовые полости, желудок,
кишечник, плавательный пузырь или лёгкие. Вторая дыхательная система
встречается у многих современных сомовых, двоякодышащих и кистепёрых рыб. У двух
последних групп они одновременно являются плавательным пузырём и зоной
дополнительного газообмена. Не вызывает сомнений, что аналогичные лёгкие могли
возникнуть у предковых форм наземных позвоночных. При этом никакой связи между
лёгкими, возникновением конечностей и выходом на сушу у перечисленных
современных видов не предполагается. Попытки поиска причин развития лёгких при
недостатке содержания кислорода в воде или при гниении в ней растительных или
животных остатков не выдерживает критики. Недостаток кислорода у современных
рыб обычно компенсируется увеличением площади поверхности жабр, а не
появлением лёгких. Существует предположение о том, что причиной замены жабр лёгкими
стала токсичность прибрежных вод. Допущение о плавном повышении токсичности
среды обитания на протяжении миллионов лет весьма сомнительно. Следовательно,
причины и механизмы возникновения лёгких остаются спорными.
§ 32. Появление конечностей
На первый взгляд происхождение конечностей наземных позвоночных не вызывает
каких-либо логических проблем. Их появление вторично по отношению к миграции
предков наземных позвоночных на мелководье и формированию эффективного воз-
душного дыхания. Вывод основывается на том, что у большинства рыб с воздушным
дыханием конечностей нет или они используются частично. По-видимому,
использование плавников в качестве конечностей началось только тогда, когда
изгибание тела в горизонтальной плоскости оказалось недостаточно эффективным для
движения. Представить себе такую ситуацию довольно трудно. Ископаемые
Sarcopterygii (мясистолопастные) обладали относительно развитой мускулатурой
плавников, которая позволяла передвигаться по дну или отталкиваться от
субстрата. Однако это не основной, а только вспомогательный способ движения.
Учитывая массу тела и размеры плавников рипидистий, можно сказать, что их
применение для активного передвижения сопряжено с большими трудностями. Даже
если допустить, что они были точкой опоры для более эффективного изгибания и
переноса веса тела, причина их трансформации в активную конечность всё равно
остаётся неясной.
Возникает парадоксальная ситуация. Зачатки конечностей могли возникнуть
только в контакте с дном мелководных водоёмов, где они оставались совершенно
неэффективными необозримое время. В водной среде конечности намного менее
функциональны, чем плавники и туловищная мускулатура. Очевидно, что
требовались своеобразные условия, в которых функционирование явно более мощной и
совершенной туловищной мускулатуры стало бы менее эффективным, чем
использование конечностей. В такой ситуации можно было бы ожидать, что конечности
начнут быстро прогрессировать и увеличиваться, а туловищная и хвостовая
мускулатура — редуцироваться. Этим условиям явно не удовлетворяет «прибрежно-
мелководная» модель происхождения наземных позвоночных, где большинство
двоякодышащих успешно передвигается при помощи змеевидных изгибов тела.
Палеонтологические свидетельства тоже предоставляют более чем скромную
информацию на эту тему. У хорошо известных позднедевонских лабиринтодонтов
(Ichthyostega) известны уже вполне полноценные конечности и предкрышечная
кость, которая могла закрывать рудиментарные жабры. Это существо было явным
хищником с развитым челюстным аппаратом и крупными зубами. Остаются открытыми
вопросы о том, для чего ихтиостегам понадобились конечности и на кого они
могли охотиться в конце девона. Если они охотились в воде на рыб, что
наиболее вероятно, то конечности им только мешали. Вне водоёмов доступной для
столь несовершенных тетрапод пищи было немного. Наземные беспозвоночные были
не самыми медлительными и пассивными. Биологические причины возникновения
конечностей и выход на сушу хищных ихтиостег непонятны, тем более что ясных
палеонтологических свидетельств о существовании промежуточных филогенетических
звеньев между рипидистиями и амфибиями пока не обнаружено.
Отдельное внимание следует уделить преобразованиям органов чувств при
выходе позвоночных на сушу. По мнению многих авторов, у примитивных тетрапод был
хорошо развит орган обоняния (рис. 11-30). Это вступает в противоречие с
предположением о существовании переходных форм в мелких водоёмах,
перенасыщенных разлагающимися остатками растений и животных. Довольно трудно
представить себе биологический смысл развития обонятельной системы позвоночных в
Зловонных девонских лужах. Развитие системы воздушного обоняния в таких
условиях лишено всякого смысла. Возможны два решения этой проблемы: или обоняние
не развивалось, или разлагающихся остатков было не настолько много, насколько
нужно для стимуляции развития лёгочного дыхания. Развитие обонятельной
системы у примитивных рипидистий и примитивных амфибий не вызывает сомнений,
поэтому приходится отказываться от идеи возникновения лёгких в «зловонных,
лишённых кислорода и пересыхающих водоёмах».
Ещё более парадоксальная ситуация возникает при анализе слуховой системы
рипидистий. По общему мнению, лабиринт у этих животных развит намного лучше,
чем у их потомков. Полукружных каналов три и они очень крупные. У примитивных
амфибий это также хорошо развитый орган. Он включает в себя три органа
чувств: слуховой аппарат (или его кожный аналог — боковая линия), рецептор
линейного ускорения (гравитационный рецептор) и рецептор углового ускорения
(и торможения). Вполне справедлив вопрос о том, зачем такая совершенная
система управления движением, если животное ползает в мелком водоёме или грязи
миллионы лет. Если бы это было действительно так, то один из полукружных
каналов редуцировался, как и у круглоротых. Поскольку этого не произошло, можно
с уверенностью сказать, что обладатели такого развитого рецептора ускорения
существовали в трёхмерной среде, а не барахтались в пересыхающих лужах.
Рис. 11-30. Головной мозг амфибий и гистологические срезы через
головной мозг и ретикулярные ядра среднего мозга: а — мозг
Urodela; б — мозг Anura; в — мозг Apoda; г — горизонтальный срез
через головной мозг шпорцевой лягушки (X. laevis) на уровне
обонятельной и вомероназальной луковиц; д, е — ретикулярные ядра у
лягушки (R. temporaria) и когтистого тритона (О. fisheri) ; г, е
— импрегнация нитратом серебра, д — окраска по Маллори.
С этим выводом согласуются особенности строения специфической сенсорной
системы, характерной для всех саркоптеригий. Рецепторы этой системы были
расположены в поверхностных слоях покровного скелета. Под эмалеподобной
поверхностью у древних рипидистий и двоякодышащих располагается своеобразный дентин
с системой поровых каналов и тонкими сенсорными порами. Найденные у
рипидистий образования сходны по строению с ампулами Лоренцини и электрорецепторами
современных хрящевых и костистых рыб. Эти органы необходимы для ориентации в
темноте, где другие дистантные рецепторы малоэффективны. Акулы и костистые
рыбы используют этот рецепторный орган на больших глубинах или в толще мутной
воды. Учитывая совершенство морфологического строения ампулярного аппарата
рипидистий, кажется вполне логичным, что порог их чувствительности был близок
к порогу чувствительности отдельного рецептора в ампуле Лоренцини современных
акул. Если даже его чувствительность была в несколько десятков раз ниже, это
всё равно был очень совершенный орган, который позволял ориентироваться и
искать добычу по искажениям электрического поля. Следовательно, саркоптеригий
сформировали специализированную систему рецепции, для которой нужен довольно
большой объём воды. В неглубоких и пересыхающих водоёмах такой дистантный
анализатор практически бесполезен. По сути дела создаётся взаимоисключающая
ситуация: наиболее совершенный рецептор возник и усовершенствовался в
условиях, где его невозможно использовать. По-видимому, этот орган сформировался и
использовался Crossopterygii в более подходящих условиях, чем пересыхающие
водоёмы.
Довольно своеобразно выглядит организация зрительной системы саркоптеригий.
У них обнаружены небольшие глазницы, которые свидетельствуют о незначительном
развитии зрительной системы (рис. 11-31). Это странная ситуация, поскольку в
«мелководных и пересыхающих» водоёмах зрение должно играть доминирующую роль.
Однако вопреки всем ожиданиям развитая зрительная система у рипидистий не
встречается. Среди разлагающихся органических остатков абсолютно «ненужная»
обонятельная система быстро эволюционирует и дифференцируется в две системы с
самостоятельной иннервацией и соответствующими центрами в головном мозге.
Возникли две системы водно-воздушного обоняния. У амфибий наряду с основным
органом обоняния появилась добавочная — вомероназальная (якобсонова) система
дистантной хеморецепции. Таким образом, обоняние интенсивно эволюционировало,
приспосабливалось к воздушной среде, а зрительная система изменялась
незначительно .
Попробуем представить себе загадочного предка наземных позвоночных в широко
признанной среде обитания. Неглубокий, прогретый и периодически пересыхающий
водоём так заполнен разлагающимися органическими остатками, что у рипидистий
возникли лёгкие для воздушного дыхания. В этом водоёме при недостатке пищи
находится слабовидящее животное, лишённое возможности использовать развитое
обоняние, и практически глухое. Эту безрадостную картину дополняет ненужный в
мелких водоёмах, но хорошо развитый рецептор ускорения и такой же никчёмный,
но совершенный дистантный электрорецептор. Животное обладает всем, что ему
совершено не нужно, и не имеет того, что ему просто необходимо. Все
перечисленные противоречия приносятся в жертву одной идее — мелководной
промежуточной среде обитания, которая считается «естественным» этапом между водной
средой и сушей.
Таким образом, перечисленные особенности строения Crossopterygii ставят под
сомнение гипотезу «прибрежно-мелководного» происхождения наземных
позвоночных. Вероятность «счастливой случайности», позволившей преодолеть эти
проблемы , крайне мала.
Следовательно, если мы хотим ясно представить события, приведшие к
появлению тетрапод, необходимо ответить на ряд простых вопросов. Почему предки
позвоночных стали жить у побережья? Отчего возникла необходимость в воздушном
дыхании? Почему слаборазвитые конечности оказались более эффективными, чем
работа совершенной туловищной мускулатуры? Почему у примитивных четвероногих
хорошо развиты обоняние, системы контроля движения и плохо развито зрение?
Caerornachs
Eogyrmus
Eosthenopteron
Рис. 11-31. Контуры тел и скелеты различных видов вымерших
амфибий и кистепёрых рыб (по данным разных авторов). Большинство
амфибий отличаются удлинённым телом и короткими конечностями. Этот
вариант организации идеально подходит для передвижения в
относительно узких пещерах и лабиринтах, где небольшие и прижатые к
телу конечности дают максимальный моторный эффект при
минимальных затратах. Выделенные рамкой вымершие представители амфибий
демонстрируют лабиринтный вариант строения.
Ответы на эти вопросы легко получить, если перечислить биологические
условия, для которых известная организация органов чувств и мускулатуры
Crossopterygii и дошедших до нас останков древних амфибий (см. рис. 11-30;
11-31) была бы оптимальной. Водное, как и воздушное, обоняние имеет
биологический смысл, если оно пригодно для поиска пищи, ориентации и размножения.
Нам известно, что у амфибий впервые сформировалась добавочная обонятельная
система — якобсонов орган. В результате амфибиям стала доступна для
химического анализа как воздушная, так и водная среда. Столь глубокие изменения
органов обоняния, а не зрения, говорят о том, что зрительный анализатор был
явно менее эффективным в тот период, хотя, казалось бы, в пересыхающих
прибрежных водоёмах должно было бы преобладать зрение. Следовательно, выход на сушу
осуществлялся не через мелководные водоёмы, а в какой-то другой переходной
среде.
§ 33. Выход
амфибий на сушу
Наиболее вероятным биотопом перехода из воды на сушу для кистепёрых были
прибрежные водно-воздушные лабиринты (рис. 11-32; 11-33). В них находились
как морская, так и стекающая с берега пресная вода, полузаполненные воздухом
и водой многочисленные камеры и связанные между собой полости. Это могло быть
размытое устье реки или набор каверн, возникших по геологическим причинам.
Подобные каверны широко распространены на Тихоокеанском побережье Южной
Америки, на восточном побережье Африки и в Индокитае. Подходящей переходной
средой для выхода на сушу являются почвенные каверны на границе мангровых
зарослей или пещеристые берега заболоченных районов современного Цейлона. Ещё
одной причиной появления многочисленных районов с полуводными лабиринтами могли
стать растения. В период появления наземных позвоночных у большей части
растений были полые стволы. Собственно говоря, почти во всех растениях этого
позднего периода были полости различных размеров. Растения с полостями внутри
погибали, но не разрушались, что позднее создало каменноугольные залежи и
даёт представление о масштабах процесса. Толщина каменноугольных пластов в
настоящее время достигает десятков метров, они распространены на огромных
территориях . Палеоботаническая летопись подтверждает, что в период появления
первых позвоночных лабиринты растительного происхождения могли занимать
большую часть береговой линии, как внутренних водоёмов, так и океанов. Скопления
остатков таких растений с полыми стволами становились обычными и широко
распространёнными лабиринтами, которыми воспользовались древние рыбы для
перехода на сушу. В таких лабиринтах мог сложиться совершенно особый и неповторимый
биоценоз с избытком наземных беспозвоночных и водных позвоночных животных.
Активная эволюция начинается там, где есть плохо преодолимая граница между
избытком пищи и её недостатком. Такая граница была между относительно
обеднённой водной средой и чрезвычайно привлекательными водно-воздушными
лабиринтами. По-видимому, в таких лабиринтах с проточной, идущей с суши опреснённой
водой происходил нерест морских рыб. Это делало лабиринты местом скопления
калорийной и легкодоступной пищи. Сейчас такие события можно наблюдать во
время нереста сельдевых, когда прибрежные отмели становятся многотонными
залежами икры, а разнообразные виды животных собираются на фантастическое
пиршество .
Нерестовые лабиринты, сформированные в твёрдой почве, камне или полостях
растений, могли сначала привлекать будущих амфибий икрой, а затем и
возможностью добывать нерестовую или проходную рыбу. Предки амфибий сразу после
попадания в растительные или подземные лабиринты стали специализироваться как
хищники. Судя по всему, лабиринты соединялись как с водой, так и с наземной
поверхностью. Они были идеальным местом для эволюции хищных Crossopterygii.
Избыток пищи и отсутствие хищников создают практически идеальные условия для
появления земноводных. Скорее всего, появление древних тетрапод в полуводных
лабиринтах обусловлено тремя причинами — пищей, укрытиями и возможностью
эффективно размножаться. В узких лабиринтах, богатых пищей, личинкам и молодым
животным было легче выжить, и дорасти до периода размножения. Лабиринтная
модель объясняет и эволюционную возможность появления такого уязвимого морфо-
генетического события, как метаморфоз. Такой процесс может проходить и
совершенствоваться только в относительно защищенных условиях. Маловероятно, что
метаморфоз в эпоху появления амфибий проходил несколько дней или часов, как у
современных бесхвостых амфибий. Наверное, он продолжался довольно долго, что
подвергало животных множеству дополнительных опасностей. В закрытых
лабиринтах такой сомнительный с точки зрения гипотезы отбора процесс мог безопасно
проходить довольно долго.
Рис. 11-32. Основные этапы происхождения наземных позвоночных.
Происхождение наземных было обусловлено существованием заполненных
водой подземных лабиринтов, которые были заселены кистепёрыми рыбами
(а, б) . В среде с высокой влажностью они могли находиться
неопределённо долго без опасности высыхания. В таких условиях у предков
амфибий было достаточно времени для морфофункционального становления
организма, адаптированного к наземному существованию. При этом
преобладали эволюционные преобразования нервной системы, которая должна
была решать совершенно иные задачи, нежели в водной среде. Глубоко
изменилась система водного обоняния. Результатом этих событий стало
возникновение водно-воздушного обоняния. У амфибий наряду с основным
органом обоняния возникла добавочная — вомероназальная (якобсонова)
система дистантной хеморецепции (в). В водно-воздушных почвенных
лабиринтах постепенно сформировались защитные функции покровов.
Появились развитые кожные железы, и возник кожный газообмен. Параллельно
формировались лёгкие, морфогенез которых не мог сложиться за
короткий период времени. Только после формирования необходимого комплекса
адаптации мог начаться параллельный выход на сушу амфибий многих
различающихся архетипов (г). Переход из водной среды в лабиринты, а
из них на поверхность земли привёл к появлению массы разнообразных
видов амфибий, которые могли достигать гигантских размеров (д) или
заселять водоёмы уже вторично (е).
В темноте лабиринтов зрение не играет особой роли, а обоняние становится
ведущей системой афферентации. Появляется веская причина для возникновения
парного водно-воздушного обоняния. Поиск пищи, полового партнёра и ориентация
будут намного успешнее, если появится возможность анализировать сразу обе
среды обитания. Жизнь в полуводных лабиринтах снимает вопрос и о
гипертрофированном развитии вестибулярного аппарата. Для ориентации в такой среде он
просто жизненно необходим, как и способность воспринимать колебания воздуха
над поверхностью воды, поэтому параллельно с сохранением боковой линии у рыб
возникла слуховая система и наружная барабанная перепонка у амфибий. В
темноте звуковая сигнализация стала одним из ведущих способов общения на
расстоянии. Именно это привело к развитию языка, подъязычного и языкоглоточного
нервов . Сформировалась система генерации звуков, которая совместно с обонянием
обеспечила коммуникационную среду внутри лабиринтов.
Рис. 11-33. Радиация амфибий при переходе к наземному образу жизни.
Первоначальной причиной появления амфибий стал переход древних рыб к
жизни в водно-воздушных лабиринтах (а). Это привело к появлению
множества переходных форм (б) , которые дали начало различным группам
амфибий. Приспособления к жизни в водно-воздушных лабиринтах дали
столь значительные преимущества их обладателям, что часть из них
сразу перешла к жизни в почве (д) и осталась в этой среде. Многие из
Apoda, по-видимому, никогда не имели конечностей и сохранились до
наших дней без глубоких морфологических изменений, а другие пришли в
почву вторично, после утраты конечностей (г). Хвостатые амфибии,
судя по палеонтологическим данным, довольно долго вели почвенный образ
жизни уже после появления всего необходимого набора адаптации для
наземного существования. Они явно много раз и независимо друг от
друга выходили из почвы и эволюционировали как самостоятельные
наземные группы (в). Бесхвостые амфибии морфологически сложились ещё в
почвенных лабиринтах или пещерах (е). Перейдя к жизни на стенах
пещер и лабиринтов, они приобрели укороченное тело, специализированные
конечности и способность к прыжкам. Их выход на сушу и появление во
влажных лесах были практически мгновенными, поскольку весь
подготовительный период произошёл в подземных условиях (ж).
Причины возникновения слуховой системы амфибий постоянно вызывают
дискуссии, поскольку барабанная перепонка и стремя уха стегоцефалов очень массивны.
Их строение явно не позволяло воспринимать слуховые сигналы из воздуха по
принципу выравнивания импедансов, как это происходит у современных амфибий.
Однако можно допустить, что слуховая система всех древних амфибий сложилась
как орган восприятия направлений колебания воды в узких лабиринтах. Для этого
достаточно грубой чувствительности, которая должна определять колебания не
воздуха, а воды. Собственно большая наружная барабанная перепонка была
прекрасным анализатором колебаний воды в погруженном или полупогруженном
состоянии. Её чувствительности было достаточно для определения силы и направления
на источник колебаний воды. В таких условиях барабанная перепонка была
эффективнее органов боковой линии, которые для взрослых животных потеряли
всякий смысл. Следовательно, барабанная перепонка и вся слуховая система могли
сложиться на границе сред для анализа колебаний воды, а не воздуха. Этим
объясняется кажущееся несоответствие морфологической организации барабанной
перепонки и слуховой чувствительности вымерших амфибий. Они поначалу не
нуждались , да и не могли воспринимать колебания воздуха. Это свойство слуховая
система приобрела после длительного этапа рецепции колебаний воды в водно-
воздушных лабиринтах.
Влажные лабиринты обладали ещё одним достоинством. В них можно было
довольно долго пользоваться жабрами и параллельно развивать все варианты
альтернативного дыхания. Для этого подходили влажная кожа, плавательный пузырь и
выросты пищеварительной системы, ставшие лёгкими. При высокой и постоянной
влажности проблем использования несовершенных лёгких и быстровысыхающей кожи
не возникало. Никакой необходимости в быстром и глобальном ароморфозе у
предков амфибий просто никогда не существовало. Все события адаптации к
полуводной среде протекали довольно долго в растительно-подземных лабиринтах.
Покинуть лабиринты древние амфибии смогли только с готовыми для наземной жизни
системами дыхания, обоняния, водно-солевого обмена и движения.
Судя по всему, жаберно-кожное дыхание вполне удовлетворяло первых
лабиринтовых проамфибий. На это указывают исследования пересыхания амфибий различных
видов. Для водных лягушек (R. clatnitans, R. septentrionalis) потеря более
35% воды приводит к гибели. Норные формы (S. harrrmondi) могут терять до 60%
воды без заметных последствий для себя. Следовательно, именно в норах и
пещерах была возможна относительно медленная выработка эффективных адаптации к
пересыханию, что могло стать основой для дальнейшего перехода к наземному
существованию .
Постепенность перехода от жаберно-кожного дыхания к лёгочному имела и
другие физиологические причины. У рыб, как правило, почки агломерулярные, а у
имеющих гломерулы скорость фильтрации крайне низкая. При существовании в
опреснённых водоёмах древние предки амфибий должны были поглощать очень мало
воды, иначе у них возникла бы огромная водная нагрузка. Однако представить
себе рыб с абсолютно непроницаемой для воды кожей, ротовым эпителием и
жабрами невозможно. Возникает неразрешимая проблема выживания предков амфибий в
слабосолёных водоёмах. Дышать они могли только кожей или жабрами, которые
являются идеальным местом для проникновения пресной воды в организм.
Агломерулярные почки не могли выводить избыток воды из организма. Чем опреснённее
водоём, тем меньше шансов выжить было у проамфибий. Эта проблема не могла
разрешиться быстро. Вероятно, освоение пресных водоёмов происходило через
солоноватые прибрежные лабиринты. В солоноватых водах параллельно формировались
защита кожи от переобводнения, гломерулярные почки и лёгкие. Лёгкие в отличие
от жаберного аппарата уже не входили в контакт с водой, что снижало водную
нагрузку и позволяло проамфибиям осваивать пресноводные водоёмы, а затем и
сушу.
Лабиринты были весьма подходящим местом для возникновения конечностей.
Сохранившиеся скелеты амфибий (см. рис. 11-31) имеют довольно странную
морфологию. Большинство амфибий обладали длинным телом и удивительно короткими
конечностями. В открытой водной среде движения тела намного эффективнее, чем
столь скромные конечности. Однако в тесных лабиринтах от такого мускулистого
тела проку немного, а небольшие конечности становятся бесценным приобретением
(см. рис. 11-31; 11-32). Они позволяют эффективно двигаться, не затрачивая
огромной энергии на сокращение мышц всего тела. При этом выглядит
естественным возникновение рычажных конечностей, действующих в противоположных
направлениях — задние для движения вперёд, а передние — для движения назад.
Сохранив способности к изгибаниям тела и эффективному плаванию в открытой воде,
амфибии стали универсальными водно-лабиринтными существами и приобрели
конечности, необходимые для выхода на сушу.
Следы пребывания в почвенных пещерах сохранились в строении и современных
амфибий. Наибольшее количество таких признаков встречается у Apoda. У них
отсутствуют конечности, следы поясов конечностей, хвост, рудиментарны глаза, а
под кутикулой расположены чешуйки, аналогичные чешуе рыб. Исследование их
нервной системы показывает, что у ряда безногих амфибий отсутствуют какие-
либо следы утолщений спинного мозга, связанные с существованием конечностей.
Судя по всему, представители Apoda, населяющие Сейшельские острова и Цейлон,
никогда не обладали конечностями ни в каком виде. Об этом свидетельствует и
отсутствие красного ядра в базальной части среднего мозга. Красное ядро
имеется у всех амфибий, рептилий и млекопитающих, как обладающих конечностями,
так и утратившими их в процессе эволюции (см. рис. 11-30) . Этот центр возник
у тетрапод в связи с появлением парных конечностей. Через красное ядро
осуществляется интеграция согласованных сокращений мускулатуры отдельных
конечностей в одну из форм «аллюра».
Часть древних Apoda, по-видимому, возникла на заре эволюции амфибий, ещё до
появления рычажных конечностей, поэтому у них сохранилось типичное для
первичноводных позвоночных строение спинного мозга. Они использовали для
движения не конечности, а альтернативное червеобразное движение тела. Перебравшись
из полуводных лабиринтов в почву, они специализировались и сохранились до
настоящего времени. Однако не исключено, что современные безногие амфибии
являются смешанной группой. В неё входят как первично-почвенные виды, никогда не
имевшие конечностей, так и вторично-почвенные амфибии, которые утратили
конечности уже после возвращения к почвенному образу жизни. Необходимо более
тщательно исследовать эту группу для определения первичных и вторичных
безногих амфибий.
Специализация первичных и вторичных почвенных Apoda привела к развитию
специфических особенностей строения мозга и анализаторов. Представители этой
группы имеют огромный мозжечок, сходный по строению с мозжечком многих рыб,
развитую систему обоняния, совершенный вестибулярный аппарат и соматическую
чувствительность. Можно предположить, что они выделились в самостоятельную
группу вскоре после появления лёгочного дыхания и первичной рудиментации глаз
(см. рис. 11-33). Органы чувств безногих амфибий идеально подходят для почвы,
где обоняние, механорецепторы и вестибулярный аппарат совершенно необходимы
для освоения и использования этой своеобразной трёхмерной среды обитания.
Однако эта группа довольно плохо представлена в палеонтологической
летописи. Существуют единичные находки палеоценовых безногих амфибий из палеоцена
Бразилии (60 млн. лет) , но они уже практически не отличаются от современных
представителей этой группы. По-видимому, уже к концу триаса (200 млн. лет)
заканчивается период формирования вторичных Apoda, которые произошли от
ушедших в почву хвостатых амфибий. На это указывают находки Apoda с
рудиментарными конечностями из нижней юры США. Следовательно, Apoda является смешанной
группой, которую можно условно разделить на древних — Paleoapoda и новых —
Neoapoda. Палеоапода никогда не обладали конечностями и ещё на заре эволюции
амфибий перешли к обитанию в почве. Неоапода обладали конечностями, но
утратили их после перехода к обитанию в почве.
Судя по палеонтологической летописи, в лабиринтный период эволюции
позвоночных возникло огромное разнообразие форм амфибий. Они явно конкурировали
между собой и охотились друг на друга. Лабиринты предоставили естественную
возможность избегать массового каннибализма, но хищничество явно было одним
из основных типов питания. Можно допустить, что дальнейшее продвижение на
сушу было связано с выходом из лабиринтов наиболее адаптированных животных. По-
видимому, попытки выхода амфибий на сушу предпринимались неоднократно.
Покидавшие лабиринты животные заметно различались по морфологическому строению,
поскольку к этому моменту прошли гигантский, но относительно независимый путь
адаптации к полуводной среде.
Современные хвостатые амфибии, судя по палеонтологическим данным, довольно
долго вели почвенный образ жизни уже после появления всего необходимого
набора адаптации для наземного существования. Они явно много раз независимо друг
от друга выходили из почвы и эволюционировали как самостоятельные наземные
группы (см. рис. 11-32; 11-33). Этим объясняются столь существенные различия
между современными хвостатыми амфибиями и многими вымершими группами. Следы
множественности выходов на сушу можно увидеть в довольно глубоких
морфологических различиях лабиринтодонтов. Темноспондилы (Temnospondyli) отличаются от
антракозавров (Anthracosauria) таким важным и консервативным признаком, как
строение тел позвонков. Различия столь велики, что, скорее всего, эти две
группы долго эволюционировали независимо и вышли на сушу каждая сама по себе,
а не произошли от общего предка. Эволюция многих независимо вышедших на сушу
амфибий завершилась возникновением крупных видов, которые стали примером
тупикового гигантизма, а не перспективным этапом эволюции позвоночных на суше.
По-видимому, первые выходы на поверхность из лабиринтов древних тетрапод
удачно завершились к верхнему девону (360 млн. лет). У ихтиостег внутри
лабиринтов сложились вполне развитые конечности, эффективная локомоция и вполне
адаптированные к наземному существованию органы чувств. Они появились на
суше, как столичная примадонна в глухом провинциальном театре, а не как местная
деревенская дебютантка. Хвостатые наземные амфибии стали быстрыми и хорошо
подготовленными завоевателями суши, которые дали в палеозое мощную радиацию.
Она привела к появлению большого разнообразия форм амфибий и их вторичному
возвращению в воду, но уже в качестве крупных и агрессивных хищников.
Бесхвостые амфибии, скорее всего, морфологически сложились ещё в почвенных
лабиринтах или пещерах (см. рис. 11-33). Они заняли в пещерах воздушную нишу,
перебравшись на стены лабиринтов, уменьшившись в размерах и утратив хвост.
Уменьшение длины позвоночника и слияние костей конечностей сопровождалось
развитием обоняния и вестибулярного аппарата. Столь специализированные
амфибии почти не оставили палеонтологических свидетельств своей истории, как и
многие другие пещерные обитатели. Их последующее появление во влажных лесах
было практически мгновенным, поскольку весь подготовительный период
происходил в подземных условиях. Этим отчасти объясняется «неожиданность» и
«необъяснимость» их появления в палеонтологической летописи без каких-либо
переходных форм.
Если древние проамфибий неоднократно выходили на сушу на протяжении
десятков миллионов лет, то вполне закономерен вопрос о неврологическом обеспечении
этого процесса. Возникшими конечностями, лёгкими и сосудами надо было
согласованно управлять, что невозможно без нервной системы. Иначе говоря, у
проамфибий должны были возникнуть новый дыхательный, двигательный и интегративный
центры.
Казалось бы, что такое количество принципиально новых функций должно
потребовать необычайно глубокой перестройки нервной системы. Однако этого не
произошло. Моторный автоматизм, возникший в спинном мозге первичноводных
позвоночных, оказался вполне достаточным субстратом для развития систем наземной
локомоции. Принципиальным событием было появление скромного центра
согласованного управления конечностями — красного ядра (см. рис. 11-30, д, е). Этот
центр сформировался в ретикулярной формации, которая простирается от
продолговатого до промежуточного мозга амфибий.
Небольшое скопление крупных нейронов возникло на пересечении важнейших
моторных и сенсорных путей. При этом рядом с красным ядром сформировались ещё
два мозговых ядра, определяющих саму возможность пребывания на суше: сосудо-
двигательный и дыхательный центры. Собственно говоря, в нижней части среднего
мозга сложился ретикулярный «тетраподный» центр. Он практически объединил все
неврологические приобретения головного мозга, необходимые для жизни вне воды.
Согласованное управление конечностями, дыханием и сердечно-сосудистой
системой реализуется в этом центре через двигательные (эфферентные) выходы. Однако
в этом «тетраподном» ретикулярном комплексе реализованы не только моторные,
но и сенсорные достижения адаптивной эволюции. К клеткам комплекса поступает
информация от гломусных клеток каротидного лабиринта, которые чувствительны к
концентрации двуокиси углерода в крови. В результате обеспечивается обратная
связь между дыхательной активностью и концентрацией кислорода в крови. Без
такой системы регуляции дыхания выход на сушу едва ли был возможен.
Сердечно-сосудистая часть этого ретикулярного центра сложилась ещё у рыб.
Многие рыбы способны к рефлекторному замедлению дыхания и сердечного ритма.
На этой базе и возник центр регуляции сердечной активности, который позволяет
наземным животным точно приспосабливать физиологическую активность и
метаболизм к конкретной ситуации. Однако сенсорным источником контроля за
сердечной деятельностью являются сосудистые барорецепторы. Потребность в них
возникла только с выходом на сушу и усилением кровообращения. Для рыб,
находящихся в стабильной гидродинамической среде, проблемы тонкой регуляции
давления крови в сосудах не существует. Описываемый ретикулярный центр обладает не
только прямыми сенсомоторными связями, но и обеспечивает необходимой
информацией мозжечок, крышу среднего мозга и стриарные структуры переднего мозга.
Именно с ним образуются связи обонятельных и вомероназальных центров
переднего мозга.
Следовательно, в связи с выходом на сушу у амфибий сформировался единый
комплекс управления новоприобретёнными органами и системами. Он сложился на
основе ретикулярного комплекса среднего, а в дальнейшем и заднего мозга. В
этом комплексе было объединено простое, но эффективное управление «новыми»
функциями. Это позволило приспособиться к принципиально новой среде обитания,
не изменяя конструкцию мозга.
Таким образом, амфибии и их нервная система сложились и эволюционировали в
прибрежных проточных лабиринтах, древесных завалах и пещерах. Это позволило
за длительный промежуток времени сформировать основные адаптации к наземному
существованию и уменьшить зависимость от водной среды. Выйдя на сушу из
растительно-почвенных лабиринтов, амфибии оказались вполне конкурентными
наземными животными, поэтому поиски переходных форм от рипидистий к амфибиям
следует сосредоточить в прибрежных районах с развитой древней растительностью,
где можно предположить существование лабиринтных систем. При этом следует
ожидать скоплений останков древнейших проамфибии в кавернах лабиринтов и
стволах растений.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Литпортал
СБАЛАНСИРОВАННАЯ ЭКОЛОГИЯ
Джеймс Шмиц
Ферма алмазных деревьев с утра была охвачена беспокойством. Ильф улавливал
его, но ничего не сказал Орис, решил, что начинается летняя лихорадка или у
него живот подвело и мерещится всякая всячина, а Орис сразу потащит его
домой, к бабушке. Но беспокойство не проходило, росло, и, наконец, Ильф
уверился в том, что источник беспокойства - сама ферма.
Казалось бы, лес живет обычной жизнью. С утра был дождь, перекати-поле
вытащили из земли корни и катались по кустам, стряхивая с себя воду. Ильф
заметил, как одно из растений, совсем маленькое, подобралось прямо к хищной
росянке. Росянка была взрослой, могла выбросить щупальце на двенадцать -
четырнадцать футов, и Ильф остановился, чтобы посмотреть, как перекати-поле
попадется в ловушку.
Внезапно щупальце метнулось, словно желтая молния, обвило концом перекати-
поле, оторвало от земли и поднесло к отверстию в пне, под которым и
скрывалась росянка. Перекати-поле удивленно сказало: "Ах!" - они всегда так
говорят , если их поймать, - и исчезло в черной дыре. Через мгновение в отверстии
вновь показался кончик щупальца, мерно покачиваясь, поджидая, пока в пределах
досягаемости не появится что-нибудь подходящего размера.
Ильф, которому только что исполнилось одиннадцать, для своего возраста был
невелик и являлся как раз подходящим объектом для росянки, но она ему не
угрожала . Росянки в рощах алмазных деревьев на планете Урак никогда не нападали
на людей. Ильфу вдруг захотелось подразнить росянку. Если взять палку и
потыкать ею в пень, росянка рассердится, высунет щупальце и постарается выбить
палку из руки. Но сегодня неподходящий день для таких забав. Ильф не мог
отделаться от странного, тревожного чувства. Он заметил, что Орис с Сэмом
поднялись на двести футов по склону холма, направляясь к Королевской роще, к
дому. Ильф помчался вслед за ними и догнал их на прогалине, разделявшей рощи
алмазных деревьев.
Орис, которая была на два года, два месяца и два дня старше Ильфа, стояла
на выпуклом панцире Сэма, глядя направо, в сторону долины и фабрики. Климат
на Ураке жаркий, но в одних местах сухой, в других - влажный. Лишь здесь, в
горах, прохладно. Далеко к югу, за долиной и холмами, начиналась
континентальная равнина, издали похожая на буро-зеленое спокойное море. К северу и
востоку поднимались плато, ниже которых и растут алмазные деревья. Ильф
обогнал медленно ползущего Сэма и забежал вперед, где край панциря распластался
над землей.
Когда Ильф вспрыгнул на панцирь, Сэм зажмурился, но даже головы не
повернул в его сторону. Сэм походил на черепаху и был больше всех на ферме, если
не считать взрослых деревьев и, может быть, самых крупных чистильщиков. Его
бугристый панцирь порос лишайником, похожим на длинный зеленый мех. Порой, во
время еды, Сэм помогал себе тяжелыми трехпалыми лапами, которые обычно лежали
сложенными на нижней части панциря.
Орис не обратила внимания на Ильфа. Она все еще смотрела в сторону
фабрики. Ильф - ее двоюродный брат, но они совсем не похожи. Ильф маленький,
гибкий, и рыжие волосы у него на голове вьются тугими кольцами. Орис выше его на
целую голову, беленькая и стройная. По мнению Ильфа, у нее такой вид, словно
ей принадлежит все, что она может углядеть со спины Сэма. Правда, ей и на
самом деле многое принадлежит: девять десятых фабрики, на которой обрабатывают
алмазную древесину, и девять десятых фермы алмазных деревьев. А все остальное
досталось Ильфу.
Ильф вскарабкался на самый верх панциря, цепляясь за зеленый лишайник, и
встал рядом с Орис. Неуклюжий с виду, Сэм полз со скоростью добрых десять
миль в час, держа путь к Королевской роще. Ильф не знал, кто из них - Орис
или Сэм - решил вернуться домой.
- Там что-то неладно, - сказал Ильф, взглянув на ферму. - Может, ураган
идет?
- Не похоже на ураган, - ответила Орис.
Ильф поглядел на небо и молча согласился.
- Может быть, землетрясение?
Орис покачала головой:
- Не похоже на землетрясение.
Она не отрывала глаз от фабрики.
- Там что-нибудь произошло? - спросил Ильф.
- У них сегодня много работы. Получили срочный заказ.
Пока Сэм пересекал еще один перелесок, Ильф раздумывал, что бы это могло
значить. Срочные заказы редки, но вряд ли этим можно объяснить всеобщее
волнение. Ильф вздохнул и уселся на панцирь, скрестив ноги. Вокруг тянулась
молодая роща - деревьям было лет по пятнадцать, не больше. Росли они довольно
редко. Впереди умирал громадный перекати-поле, и счастливо смеялся,
разбрасывая алые семена. Коснувшись земли, семена спешили откатиться как можно дальше
от родителя. Земля вокруг перекати-поля трепетала и вздымалась. Это прибыли
чистильщики, чтобы похоронить растение. На глазах у Ильфа перекати-поле
погрузилось на несколько дюймов в разрыхленную землю. Семена торопились
убраться подальше, чтобы чистильщики не похоронили заодно и их. Со всех концов рощи
сюда собрались молодые, желтые в зеленых пятнах, готовые укорениться
перекати-поле. Они дождутся, пока чистильщики кончат свою работу, затем займут
освободившееся пространство и пустят корни. Место, где поработали чистильщики -
самое плодородное в лесу.
Ильфу всегда хотелось узнать, как выглядят чистильщики. Никто никогда их
не видел. Его дед Рикуэл Чолм рассказывал, что ученые пытались поймать
чистильщика с помощью землеройной машины. Но даже самые маленькие чистильщики
закапывались в землю быстрее, чем машина их откапывала, так что ученым
пришлось уехать ни с чем.
- Ильф, иди завтракать! - раздался голос бабушки.
Ильф закричал в ответ:
- Иду, ба...
Но тут же осекся и взглянул на Орис. Та хихикнула.
- Опять меня надули, - признался Ильф. - Противные обманщики!
И он крикнул:
- Выходи, врунишка Лу! Я тебя узнал.
Бабушка Мелди Чолм засмеялась мягким добрым смехом, будто зазвенели
серебряные колокольчики, и гигантская Зеленая паутина Королевской рощи подхватила
смех. Врунишка Лу и Габби выскочили из кустов и легко взобрались на панцирь.
Это были рыжие, короткохвостые зверьки с коричневой шерстью, тонкие, как
паучки, и очень шустрые. У них были круглые черепа и острые зубы, как у всех
животных, которые ловят и едят других животных. Габби уселся рядом с Ильфом,
раздувая воздушный мешок, а Лу разразилась серией щелкающих, резких звуков.
- Они были на фабрике? - спросил Ильф.
- Да, - ответила Орис. - Помолчи, я слушаю.
Лу верещала с той же скоростью, с какой передразники обычно разговаривают
между собой. Она и человеческую речь передавала с такой же быстротой. Когда
Орис хотелось узнать, о чем говорят другие люди, она посылала к ним передраз-
ников. Они все до слова запоминали и, возвратившись, повторяли все с
привычной для себя скоростью. Если очень прислушиваться, Ильф мог разобрать
отдельные слова. Орис понимала все. Теперь она слушала, о чем разговаривали утром
люди на фабрике.
Габби раздул воздушный мешок и произнес густым, глубоким голосом дедушки
Рикуэла:
- Ай-ай-ай, Ильф! Мы сегодня вели себя не лучшим образом.
- Заткнись сейчас же, - сказал Ильф.
- Помолчи, - ответил Габби голосом Орис. - Я слушаю. - И добавил голосом
Ильфа: - Опять меня надули. - Потом захихикал.
Ильф замахнулся на него кулаком. Габби темным комочком моментально метнул-
ся на другую сторону панциря. Оттуда он поглядел на Ильфа невинными круглыми
глазами и торжественно произнес:
- Друзья, нам нужно обращать больше внимания на мелкие детали. Ошибки
обходятся слишком дорого.
Наверно, он подслушал эти слова на фабрике. Ильф отвернулся. Он старался
разобрать, о чем говорит Лу. Но Лу тут же замолчала. Передразники спрыгнули
со спины Сэма и пропали в кустах. Ильф подумал, что они сегодня тоже чем-то
встревожены и слишком суетятся. Орис подошла к переднему краю панциря и
уселась на него, болтая ногами. Ильф сел рядом.
- О чем говорили на фабрике? - спросил он.
- Вчера получили срочный заказ. А сегодня утром еще один. И пока эти
заказы не выполнят, больше принимать не будут.
- Это хорошо?
- Думаю, что да.
Помолчав, Ильф спросил:
- Поэтому они все так волнуются?
- Не знаю, - ответила Орис и нахмурилась.
Сэм добрался до следующей поляны и, не дойдя до открытого места,
остановился . Орис соскользнула с панциря и сказала:
- Пойдем, но чтобы нас не заметили.
Ильф пошел вслед за ней как можно тише.
- Что случилось? - спросил он.
В ста пятидесяти метрах, по ту сторону поляны, высилась Королевская роща.
Ее вершины легко кружились, словно армия гибких зеленых копий, на фоне
голубого неба. Отсюда не был виден одноэтажный дом, построенный в глубине рощи,
среди больших стволов. Перед ребятами лежала дорога, она поднималась из
долины на запад, к горам.
- Недавно здесь спускался аэрокар, - сказала Орис. - Вот он, смотри.
Аэрокар стоял у края дороги, недалеко от них. Как раз там, где начиналась
просека, ведущая к дому. Ильфу машина показалась неинтересной. Не новая и не
старая - самый обыкновенный аэрокар. Человека, сидевшего в ней, Ильф не знал.
- Кто-то в гости приехал, - сказал Ильф.
- Да, - согласился Орис, - дядя Кугус вернулся.
Ильф не сразу вспомнил, кто такой дядя Кугус. Потом его осенило: дядя
Кугус приезжал год назад, Это был большой красивый мужчина с густыми черными
бровями. Он всегда улыбался. Он приходился дядей только Орис, но привез
подарки обоим. И еще он много шутил. А с дедушкой Рикуэлом спорил о чем-то
битых два часа, но Ильф забыл, о чем. В тот раз дядя Кугус приезжал в красивом
ярко-желтом аэрокаре, брал Ильфа покататься и рассказывал, как побеждал на
гонках. В общем, Ильфу дядя понравился.
- Это не он, - сказал Ильф. - И машина не его.
- Я лучше знаю, - сказала Орис. - Он в доме. И с ним еще двое. Они
разговаривают с дедушкой и бабушкой.
В этот момент где-то в глубине Королевской рощи возник глубокий, гулкий
звук, словно начали бить старинные часы или зазвучала арфа. Человек в машине
обернулся к роще, прислушиваясь. Звук повторился. Он исходил от гигантской
Зеленой паутины, которая росла в дальнем конце рощи. Этот звук разносился по
всей ферме, и его можно было услышать даже в долине, если, конечно, ветер дул
в ту сторону. Ильф спросил:
- Врунишка Лу и Габби там побывали?
- Да. Сначала они сбегали на фабрику, а потом заглянули в дом.
- О чем говорят в доме?
- О разных вещах. - Орис опять нахмурилась. - Мы пойдем и сами узнаем.
Только лучше, чтобы они нас пока не видели.
Что-то зашевелилось в траве. Ильф посмотрел вниз и увидел, что врунишка Лу
и Габби снова присоединились к ним. Передразники поглядели на человека в
аэрокаре, затем выскочили на открытое место, перемахнули через дорогу и, словно
летящие тени, скрылись в Королевской роще. Они бежали так быстро, что
уследить за ними было почти невозможно. Человек в машине удивленно посмотрел им
вслед, не понимая, видел он что-нибудь или ему померещилось.
- Пошли, - сказала Орис.
Ильф вернулся вместе с ней к Сэму. Сэм приподнял голову и вытянул шею.
Орис легла на край нижней части панциря и заползла на четвереньках в щель. За
ней последовал и Ильф. Это убежище было ему отлично знакомо. Он не раз
укрывался здесь, если его настигала гроза, налетевшая с северных гор, или если
земля вздрагивала и начиналось землетрясение. Пещера, образованная плоским
нижним панцирем, нависающим верхним и прохладной, кожаной шеей Сэма, была
самым надежным местом на свете.
Нижний панцирь качнулся - зеленая черепаха двинулась вперед. Ильф выглянул
в щель между панцирями. Сэм уже покинул рощу и не спеша пересекал дорогу.
Ильф не видел аэрокара и размышлял, зачем Орис понадобилось прятаться от
человека в машине. Ильф поежился. Утро выдалось странное и неуютное.
Они миновали дорогу и оказались в высокой траве. Сэм раздвигал траву,
словно волны, и раскачивался, как настоящий корабль. Наконец, они вступили
под сень Королевских деревьев. Стало прохладнее. Сэм повернул направо, и Ильф
увидел впереди голубой просвет, заросли цветущего кустарника, в центре
которых находилось лежбище Сэма.
Сэм пробрался сквозь заросли и остановился на краю прогалины, чтобы Ильф и
Орис могли выбраться из панциря. Затем опустил передние лапы в яму, настолько
густо оплетенную корнями, что между ними не было видно земли. Сэм наклонился
вперед, втянул под панцирь голову и медленно съехал в яму. Теперь нижний край
панциря был вровень с краями ямы и со стороны Сэм казался большим, поросшим
лишайником валуном. Если его никто не потревожит, он будет недвижимо лежать в
яме до конца года. Черепахи в других рощах фермы и не вылезали из своих ям и,
насколько Ильф помнил, никогда не просыпались. Они жили так долго, что сон
длиной в несколько лет ничего для них не значил.
Ильф вопросительно поглядел на Орис. Она сказала:
- Подойдем к дому, послушаем, о чем говорит дядя Кугус.
Они свернули на тропинку, ведущую от лежбища Сэма к дому. Тропинка была
протоптана шестью поколениями детей, которые ездили на Сэме по ферме. Сэм был
в полтора раза больше любой другой черепахи, и лишь его лежбище находилось в
Королевской роще. В этой роще все было особенным, начиная от деревьев,
которые никто не рубил и которые были вдвое толще и почти вдвое выше деревьев в
остальных рощах, и кончая Сэмом и огромным пнем Дедушки-росянки неподалеку, и
гигантской Зеленой паутиной на другом краю. Здесь всегда было тихо и меньше
встречалось зверей. Дедушка Рикуэл говорил Ильфу, что Королевская роща когда-
то давным-давно дала начало всем алмазным лесам.
- Обойдем вокруг дома, - сказала Орис. - Пусть они пока не Знают, что мы
уже здесь.
- Мистер Тироко, - сказал Рикуэл Чолм. - Я сожалею, что Кугус Овин
уговорил вас с мистером Блиманом прилететь на Урак по такому делу. Вы попросту зря
потеряли время. Кугусу следовало знать об этом. Я ему уже все объяснил в
прошлый раз.
- Боюсь, что не совсем понимаю вас, мистер Чолм, - сухо сказал мистер
Тироко. - Я обращаюсь к вам с деловым предложением насчет этой фермы алмазных
деревьев. С предложением, выгодным как для вас, так и для детей, которым этот
лес принадлежит. По крайней мере, хоть познакомьтесь с нашими условиями.
Рикуэл покачал головой. Ясно было, что он зол на Кугуса, но пытается
сдержать гнев.
- Какими бы ни были ваши условия, для нас это неважно, - сказал он. -
Алмазный лес - не коммерческое предприятие. Разрешите, я подробней расскажу вам
об этом, раз уж Кугус этого не сделал. Без сомнения, вам известно, что на
Ураке таких лесов около сорока и все попытки вырастить алмазные деревья в
других местах потерпели неудачу. Изделия из алмазного дерева отличаются
исключительной красотой, их нельзя изготовить искусственным путем. Поэтому они
ценятся не меньше, чем драгоценные камни.
Мистер Тироко, не спуская с Рикуэла холодных светлых глаз, кивнул:
"Продолжайте , мистер Чолм".
- Алмазный лес - это нечто значительно большее, чем просто группа
деревьев. Основой его служат сами деревья, но они - лишь составная часть всей
экологической системы. Каким образом осуществляется взаимосвязь растений и
животных , составляющих лес, до сих пор неясно, но она существует. Ни одно из
этих животных не может выжить в другой обстановке. А растения и животные,
которые не входят в экологическую систему, плохо приживаются в лесу. Они вскоре
погибают или покидают лес. Единственное исключение из этого правила - люди.
- Крайне любопытно, - сухо заметил мистер Тироко.
- Вы правы, - сказал Рикуэл. - Многие, и я в том числе, считают, что лес
необходимо охранять. Пока что рубки, которые сейчас проводятся под
наблюдением специалистов, идут ему на пользу, потому что мы лишь способствуем
естественному жизненному циклу леса. Под покровительством человека алмазные рощи
достигли своего расцвета, который был бы немыслим без людей. Владельцы ферм и
их помощники способствовали превращению рощ в государственные заповедники,
принадлежащие Федерации; при этом право рубки оставалось за владельцами ферм
и их наследниками, но рубка проводилась под строжайшим контролем. Когда Ильф
и Орис подрастут и смогут подписать соответствующие документы, ферма перейдет
к государству, и все меры для этого уже приняты. Вот почему мы, мистер
Тироко, не заинтересованы в вашем деловом предложении. И если вам вздумается
обратиться с подобными предложениями к другим фермерам, они скажут вам то же
самое. Мы все единодушны в этом вопросе. Если б мы не были едины, то давно бы
уже приняли подобные предложения.
Наступило молчание. Затем Кугус Овин сказал мягким голосом:
- Я понимаю, что ты сердит на меня, Рикуэл, но ведь я забочусь о будущем
Ильфа и Орис. Боюсь, что ты тревожишься о сохранении этого чуда природы, а о
детях забываешь.
- Когда Орис вырастет, она станет обеспеченной молодой женщиной, даже если
не продаст ни единого алмазного дерева, - ответил Рикуэл. - Ильфу также будет
обеспечено безбедное существование, и он может за всю жизнь палец о палец не
ударить, хотя я очень сомневаюсь, что он выберет подобную участь.
Кугус улыбнулся.
- Бывают разные степени обеспеченности, - заметил он. - Ты не
представляешь, как много получит Орис, если согласится на предложение мистера Тироко.
Ильфа тоже не обидят.
- Правильно, - сказал мистер Тироко. - В деловых вопросах я не зажимист.
Все об этом знают. И я могу позволить себе быть щедрым, потому что получаю
большие прибыли. Разрешите обратить ваше внимание на другой аспект этой
проблемы. Как вы знаете, интерес к изделиям из алмазного дерева не постоянен. Он
то растет, то падает. Алмазная древесина то входит в моду, то выходит. Сейчас
начинается алмазная лихорадка, вскоре она достигнет максимума. Интерес к
изделиям из алмазной древесины можно искусственно подогревать и использовать в
своих целях, но в любом случае нетрудно предположить, что через несколько ме-
сяцев мода достигнет апогея и сойдет на нет. В следующий раз лихорадка
начнется, может быть, через шесть, а может, и через двенадцать лет. А может
быть, она и никогда не начнется, потому что существует очень мало природных
продуктов, которые рано или поздно не начинают изготовлять искусственным
путем, причем качество заменителя обычно ничем не уступает исходному материалу.
И у нас нет никаких оснований полагать, что алмазная древесина навечно
останется исключением. Мы должны полностью использовать выгодное для нас стечение
обстоятельств. Пока алмазная лихорадка продолжается, мы обязаны ею
воспользоваться. Мой план, мистер Чолм, заключается в следующем. Корабль с машинами
для рубки леса находится сейчас в нескольких часах лета от Урака. Он
приземлится здесь на следующий день после того, как будет подписан контракт. Ваша
фабрика нам не нужна - масштабы ее недостаточны для наших целей. Через неделю
весь лес будет сведен. Древесина будет отправлена на другую планету, где ее
обработают. Уже через месяц мы сможем завалить нашими изделиями все основные
рынки Федерации.
Рикуэл Чолм спросил ледяным голосом:
- И в чем же причина такой спешки, мистер Тироко?
Мистер Тироко удивился:
- Мы избавимся от конкуренции, мистер Чолм. Какая еще может быть причина?
Как только другие фермеры узнают, что произошло, у них появится соблазн
последовать вашему примеру. Но мы их настолько обгоним, что сами снимем сливки.
Приняты все меры предосторожности, чтобы сохранить наш прилет в тайне. Никто
не подозревает, что мы на Ураке, тем более никто не знает о наших целях. В
таких делах, мистер Чолм, я никогда не ошибаюсь.
Он умолк и обернулся, услышав, как Мелди Чолм взволнованным голосом
произнесла :
- Входите, дети. Садитесь с нами. Мы говорим о вас.
- Здравствуй, Орис, - приветливо сказал Кугус. - Привет, Ильф! Помнишь
старого дядюшку Кугуса?
- Помню, - сказал Ильф. Он сел на скамейку у стены рядом с Орис. Ему было
страшно.
- Орис, ты слышала, о чем мы говорили?
Орис кивнула.
- Да, - она взглянула на мистера Тироко и снова обернулась к дедушке: - Он
собирается вырубить лес.
- Ты знаешь, что это твой лес. И Ильфа. Ты хочешь, чтобы они это сделали?
- Мистер Чолм, прошу вас! - вмешался мистер Тироко, - нельзя же так сразу!
Кугус, покажите мистеру Чолму, что я предлагаю.
Рикуэл взял документ и прочел его, потом вернул Кугусу.
- Орис, - сказал он. - Если верить этому документу, мистер Тироко
предлагает тебе больше денег, чем ты можешь истратить за всю жизнь, если ты
позволишь ему срубить твою часть леса. Ты хочешь этого?
- Нет, - сказала Орис.
Рикуэл посмотрел на Ильфа, и мальчик покачал головой. Рикуэл вновь
обернулся к мистеру Тироко.
- Итак, мистер Тироко, - сказал он, - вот наш ответ. Ни моя жена, ни я, ни
Орис, ни Ильф не хотим, чтобы вы рубили лес. А теперь...
- Зачем же так, Рикуэл, - сказал, улыбаясь, Кугус. - Никто не сомневается,
что Орис с Ильфом не поняли сути дела. Когда они вырастут...
- Когда они вырастут, - сказал Рикуэл, - у них будет возможность принять
решение. - Он поморщился. - Давайте, господа, закончим эту дискуссию.
Благодарим вас, мистер Тироко, за ваше предложение. Оно отвергнуто.
Мистер Тироко насупился и поджал губы.
- Не спешите, мистер Чолм, - сказал он. - Я уже говорил, что никогда не
ошибаюсь в делах. Несколько минут назад вы предложили мне обратиться к другим
фермерам и сказали, что мне с ними будет не легче.
- Да, - согласился Рикуэл.
- Так вот, - продолжал мистер Тироко. - Я уже вступил в контакт с
некоторыми из них. Не лично, разумеется, так как опасался, что мои конкуренты
пронюхают о моем интересе к алмазным деревьям. И вы оказались правы: мое
предложение было отвергнуто. Я пришел к выводу, что фермеры настолько связаны друг
с другом соглашениями, что им трудно принять мое предложение, даже если они
захотят.
Рикуэл кивнул и улыбнулся:
- Мы понимали, что соблазн продать ферму может оказаться велик, - сказал
он. - И мы сделали так, что поддаться этому соблазну стало почти невозможно.
- Отлично, - продолжал мистер Тироко. - От меня так легко не отделаешься.
Я убедился в том, что вы и миссис Чолм связаны с прочими фермерами планеты
соглашением, по которому не можете первыми продать рощу, передать кому-нибудь
право рубки или превысить квоту вырубки. Но вы не являетесь настоящими
владельцами фермы. Ею владеют эти дети.
Рикуэл нахмурился.
- А какая разница? - спросил он. - Ильф - наш внук. Орис также наша
родственница и мы ее удочерили.
Мистер Тироко почесал подбородок.
- Мистер Блиман, - сказал он. - Будьте любезны объяснить этим людям
ситуацию.
Мистер Блиман откашлялся. Это был высокий худой человек с яростными
черными глазами, похожий на хищную птицу.
- Мистер и миссис Чолм, - начал он. - Я - специалист по опекунским делам и
являюсь чиновником федерального правительства. Несколько месяцев назад мистер
Кугус Овин подал заявление насчет удочерения своей племянницы Орис Лутил,
гражданки планеты Рейк. По ходатайству мистера Кугуса Овина я провел
необходимое расследование и могу вас заверить, что вы не оформляли официально
удочерение Орис.
- Что? - Рикуэл вскочил на ноги. - Что это значит? Что еще За трюк? - Лицо
его побелело.
На несколько секунд Ильф упустил из виду мистера Тироко, потому что дядя
Кугус вдруг оказался перед скамейкой, на которой сидели Ильф и Орис. Но когда
он снова увидел мистера Тироко, то чуть не умер со страха. В руке у мистера
Тироко сверкал большой, отливающий серебром и синью пистолет, и ствол его был
направлен на Рикуэла Чолма.
- Мистер Чолм, - произнес мистер Тироко. - Прежде чем мистер Блиман кончит
свои объяснения, хочу вас предупредить: я не собираюсь вас убивать. Пистолет
не на это рассчитан. Но если я нажму курок, вы почувствуете страшную боль. Вы
- пожилой человек и, может быть, не переживете этой боли... Кугус, следи за
детьми. Мистер Блиман, давайте я сначала поговорю с мистером Хетом.
Он поднес к лицу левую руку, и Ильф увидел, что к ней прикреплена рация.
- Хет, - сказал мистер Тироко, прямо в рацию, не спуская глаз с Рикуэла
Чолма. - Полагаю, тебе известно, что дети находятся в доме?
Рация что-то пробормотала и смолкла.
- Сообщи мне, если увидишь, что кто-нибудь приближается, - сказал мистер
Тироко. - Продолжайте, мистер Блиман.
- Мистер Кугус Овин, - произнес Блиман, - официально признан опекуном
своей племянницы Орис Лутил. Ввиду того, что Орис еще не достигла возраста, в
котором требуется согласие на опеку, дело считается оконченным.
- А это значит, - сказал мистер Тироко, - что Кугус может действовать от
имени Орис в сделках по продаже деревьев на ферме. И если вы, мистер Чолм,
намереваетесь возбудить против нас дело - лучше забудьте об этом. Может, в
банковском сейфе и лежали какие-то документы, доказывавшие, что девочка была
вами удочерена. Можете не сомневаться, что эти документы уже уничтожены. А
теперь мистер Блиман безболезненно усыпит вас на несколько часов, которые
понадобятся для вашей эвакуации с планеты. Вы обо всем забудете, а через
несколько месяцев никому и дела не будет до того, что здесь произошло. И не
думайте, что я жестокий человек. Я не жесток. Я просто принимаю меры, чтобы
добиться цели. Мистер Блиман, пожалуйста!
Ильфа охватил ужас. Дядя Кугус держал Орис и Ильфа За руки, ободряюще им
улыбался. Ильф бросил взгляд на Орис. Она была такой же бледной, как дедушка
с бабушкой, но не пыталась вырваться. Поэтому Ильф тоже не стал
сопротивляться. Мистер Блиман поднялся, еще больше, чем прежде, похожий на хищную птицу и
подкрался к Рикуэлу Чолму. В руке у него поблескивало что-то похожее на
пистолет . Ильф зажмурился. Наступила тишина. Потом мистер Тироко сказал:
- Подхватите его, а то он упадет с кресла. Миссис Чолм, расслабьтесь...
Снова наступила тишина. И тут рядом с Ильфом послышался голос Орис. Не
обычный голос, а скороговорка в двадцать раз быстрее, словно Орис куда-то
спешила. Вдруг голос умолк.
- Что такое? Что такое? - спросил пораженный мистер Тироко.
Ильф широко открыл глаза, увидев, как что-то с пронзительным криком
влетело в комнату. Два передразника метались по комнате, - коричневые неуловимые
комочки - и вопили на разные голоса. Мистер Тироко громко вскрикнул и вскочил
со стула, размахивая пистолетом. Что-то, похожее на большого паука, взбежало
по спине мистера Блимана, и он с воплем отпрянул от лежащей в кресле бабушки.
Что-то вцепилось в шею дяде Кугусу. Он отпустил Орис и Ильфа и выхватил свой
пистолет.
- Шире луч! - взревел мистер Тироко. Его пистолет часто и гулко бухал.
Внезапно темная тень метнулась к его ногам. Дядя Кугус выругался, прицелился
в тень и выстрелил.
- Бежим, - прошептала Орис, схватив Ильфа За руку. Они спрыгнули со скамьи
и кинулись к двери.
- Хет! - несся вдогонку им голос мистера Тироко. - Поднимись в воздух и
отыщи детей! Они пытаются скрыться. Если увидишь, что они пересекают дорогу,
вышиби из них дух. Кугус, догоняй! Они могут спрятаться в доме.
Тут он снова взвыл от ярости, и его пистолет заработал. Передразники были
слишком малы, чтобы причинить серьезный вред, но они, наверно, пустили в ход
свои острые зубы.
- Сюда, - шепнула Орис, открывая дверь. Ильф юркнул за ней в комнату, и
она тихо прикрыла за ним дверь. Ильф глядел на сестру, и сердце его бешено
колотилось.
Орис кивнула на зарешеченное окно.
- Беги и прячься в роще. Я за тобой.
- Орис! Ильф! - масляным голосом кричал в холле дядя Кугус. - Погодите, не
бойтесь! Где вы?
Ильф, заслышав торопливые шаги Кугуса, быстро пролез между деревянными
планками, и упал на траву. Но тут же вскочил и бросился к кустам. Он слышал,
как Орис пронзительно крикнула что-то передразникам, посмотрел назад и
увидел, что Орис тоже бежит к кустам. Дядя Кугус выглянул из-за решетки, целясь
в Орис из пистолета. Раздался выстрел. Орис метнулась в сторону и исчезла в
чаще. Ильф решил, что дядя Кугус промахнулся.
- Они убежали из дома! - крикнул дядя Кугус. Он старался протиснуться
сквозь прутья решетки.
Мистер Тироко и мистер Блиман тоже кричали что-то. Дядя Кугус обернулся и
исчез.
- Орис! - крикнул Ильф дрожащим голосом.
- Ильф, беги и прячься! - Голос Орис доносился справа, из глубины рощи.
Ильф побежал по тропинке, что вела к лежбищу Сэма, бросая взгляды на
клочки голубого неба между вершинами деревьев. Аэрокара не было видно. Хет,
наверно, кружит над рощей, ожидая, пока остальные выгонят детей на открытое
место, чтобы их поймать. Но ведь можно спрятаться под панцирем Сэма, и он
переправит их через дорогу.
- Орис, где ты? - крикнул Ильф.
Голос Орис донесся издалека. Он был ясен и спокоен.
- Ильф, беги и прячься.
Ильф оглянулся. Орис нигде не было видно, зато в нескольких шагах сзади по
тропе бежали оба передразника. Они обогнали Ильфа и исчезли за поворотом.
Преследователи уговаривали его и Орис вернуться. Голоса их приближались.
Ильф добежал до лежбища Сэма. Сэм лежал там неподвижно, его выпуклая спина
была похожа на огромный, обросший лишайниками валун. Ильф схватил камень и
постучал им по панцирю.
- Проснись, - умолял он. - Проснись, Сэм!
Сэм не шевельнулся. Преследователи приближались. Ильф никак не мог решить,
что делать дальше.
- Спрячься от них, - внезапно послышался голос Орис.
- Девчонка где-то здесь! - тут же раздался голос мистера Тироко. - Хватай
ее, Блиман!
- Орис, осторожнее! - крикнул испуганный Ильф.
- Ага, мальчишка тоже там. Сюда, Хет! - торжествующе вопил мистер Тироко.
- Снижайся, помоги нам их схватить. Мы их засекли...
Ильф упал на четвереньки, быстро пополз в гущу кустарника с голубыми
цветами и замер, распластавшись на траве. Он слышал, как мистер Тироко ломится
сквозь кусты, а мистер Блиман орет: "Скорее, Хет, скорее!"
И тут до Ильфа донесся еще один знакомый звук. Это было глухое гудение
Зеленой паутины. Гудение заполнило всю рощу. Так паутина иногда заманивала
птичьи стаи. Казалось, что гудение струится с деревьев и поднимается с земли.
Ильф тряхнул головой, чтобы сбросить оцепенение. Гудение стихло и тут же
вновь усилилось. Ильфу показалось, что с другой стороны кустов он слышит
собственный голос: "Орис, где ты?" Мистер Тироко кинулся в том направлении,
крича что-то мистеру Блиману и Кугусу. Ильф отполз назад, выскочил из зарослей,
поднялся во весь рост и обернулся.
И замер. Широкая полоса земли шевелилась, раскачивалась, словно варево в
котле.
Мистер Тироко, запыхавшись, подбежал к лежбищу Сэма. Лицо его побагровело,
пистолет поблескивал в руке. Он тряс головой, пытаясь, отделаться от гудения.
Перед ним был огромный, обросший лишайниками валун, и никаких следов Ильфа.
Вдруг что-то шевельнулось в кустах по ту сторону валуна.
- Орис! - послышался испуганный голос Ильфа.
Мистер Тироко побежал вокруг валуна, целясь на бегу из пистолета.
Неожиданно гудение перешло в рев. Две огромных, серых, трехпалых лапы высунулись
из-под валуна и схватили мистера Тироко.
- Ох! - вскрикнул он и выронил пистолет. Лапы сжали его, раз, два. Сэм
распахнул рот, захлопнул его и проглотил жертву. Голова его вновь спряталась
под панцирь, и он опять заснул.
Рев Зеленой паутины заполнил всю рощу, словно тысяча арф исполняла
одновременно быструю, прерывистую мелодию. Человеческие голоса метались, визжали,
стонали, тонули в гуле. Ильф стоял возле круга шевелящейся земли, рядом с го-
лубым кустарником, одурев от шума, и вспоминал. Он слышал, как мистер Тироко
приказал мистеру Блиману ловить Орис, как мистер Блиман уговаривал Хета
поторопиться. Он слышал собственный вопль, обращенный к Орис, и торжествующий
крик мистера Тироко: "Сюда! Мальчишка тоже там!"
Дядя Кугус выскочил из кустов. Глаза его сверкали, рот был растянут в
усмешке. Он увидел Ильфа и с криком бросился к нему. Ильф заметил его и
остановился как вкопанный. Дядя Кугус сделал четыре шага по "живой" земле и
провалился по щиколотку, потом по колени. Вдруг бурая земля брызнула во все
стороны, и он ухнул вниз, будто в воду и, не переставая улыбаться, исчез. Где-то
вдали мистер Тироко кричал: "Сюда!", а мистер Блиман все торопил Хета. Но вот
возле пня дедушки росянки раздался громкий чавкающий звук. Кусты вокруг
затряслись . Но через секунду все стихло. Затем гудение Зеленой паутины
сменилось пронзительным воплем и оборвалось. Так всегда бывало, когда Зеленой
паутине попадалась крупная добыча...
Ильф, весь дрожа, вышел на поляну к лежбищу Сэма. В голове его гудело от
воя Зеленой паутины, хотя в роще уже стояла тишина. Ни один голос не нарушал
безмолвия. Сэм спал в своем лежбище. Что-то блеснуло в траве у его края. Ильф
подошел поближе, заглянул внутрь и прошептал:
- Сэм, вряд ли нужно было...
Сэм не пошевелился. Ильф подобрал серебряный с синью пистолет мистера
Тироко и отправился искать Орис. Он нашел ее на краю рощи. Орис рассматривала
аэрокар Хета. Аэрокар лежал на боку, на треть погрузившись в землю. Вокруг
него суетилась огромная армия чистильщиков, какой Ильфу еще не приходилось
видеть.
Орис с Ильфом подошли к краю дороги и смотрели, как аэрокар, вздрагивая и
переворачиваясь, погружается в землю. Ильф вспомнил о пистолете, который он
все еще держал в руках, и бросил его на землю возле машины. Пистолет тут же
засосало. Перекати-поле выкатились из леса и ждали, столпившись возле круга.
В последний раз дернувшись, аэрокар пропал из виду. Участок земли стал
разравниваться. Перекати-поле заняли его и принялись укореняться.
Послышался тихий посвист, и из Королевской рощи вылетел саженец алмазного
дерева, вонзился в центр круга, в котором исчез аэрокар, затрепетал и
выпрямился . Перекати-поле уважительно расступились, освобождая ему место. Саженец
вздрогнул и распустил первые пять серебристо-зеленых листьев. И замер.
Ильф обернулся к Орис:
- Орис, - сказал он. - Может, нам не следовало этого делать?
Орис ответила не сразу.
- Никто ничего не делал, - ответила она, наконец. - Все сами уехали
обратно. . .
Она взяла Ильфа За руку.
- Пошли домой, подождем, пока Рикуэл и Мелди проснутся.
Алмазный лес вновь успокоился. Спокойствие достигло его нервного центра в
Королевской роще, который опять расслабился. Кризис миновал - возможно,
последний из не предусмотренных людьми, прилетевшими на планету Урак.
Единственной защитой от человека был сам человек. И, осознав это, алмазный
лес выработал свою линию поведения. В мире, принадлежащем теперь человеку, он
принял человека, включил его в свой экологический цикл, приведя его к новому,
оптимальному балансу.
И вот пронесся последний шквал. Опасное нападение опасных людей. Но
опасность миновала и вскоре станет далеким воспоминанием...
Все было верно предусмотрено, думал, погружаясь в дрему, нервный центр. И
раз уж сегодня больше не нужно думать, можно и погрузиться в дрему...
И Сэм блаженно заснул.
Технологии
ИСКУССТВЕННАЯ ИКРА
И.В. Кузнецов, Е.А. Ярков
В начале 90-х гг. много было статей и публикаций на тему изготовления
искусственной черной икры. Некоторым энтузиастам удавалось сделать установку по
изготовлению искусственной черной икры. Вот например, я нашел статью в
журнале "Приоритет" №1-2 за 1992 год, в котором помещена фотография этой самой
установки и ее автора, который дегустирует свою самодельную черную икру.
Здесь, я публикую чертежи и статьи по технологии изготовления искусственной
черной икры, все, что мне удалось собрать на сегодняшнее время. Кстати
оригиналов чертежей этой установки, я так и не нашел, поэтому публикую ксерокопии
из брошюры «Установка для формирования гранул икры».
Введение
Аппарат для изготовления искусственной черной икры, изобретенный И.В.
Кузнецовым (Нижний Новгород) и им модернизированный, имеет в настоящее время
готовность изделия, которое можно предлагать для продажи.
Идея искусственной черной икры была скомпрометирована белковым эрзацем,
который продавался некоторое время тому назад. Авторы этого продукта, ученые
академического института, решали задачу чересчур радикально, взяв за исходное
сырье не природный, а искусственный белок. Кузнецовская зернистая икра СИГ
(сельдяная, имитированная, гранулированная) делается из натуральных продуктов
и вкусовых добавок. Ее превосходство над "академической" несомненно, далеко
не каждый отличит "кузнецовку" от икры севрюжьей или осетровой.
Как известно, первые порции икры Кузнецов сделал у себя на кухне с помощью
примитивного гранулятора, промыл и откалибровал в ванной комнате в кухонном
дуршлаге под душем, а "покрасил" в черный цвет в стеклянной банке.
Сегодня на одном из Нижегородских заводов изготовлен опытно-промышленный
образец аппарата. За час установка "мечет" черной икры с зернами около двух
миллиметров в диаметре. Аппарат высотой 1,64 м. умещается на производственной
площади в четверть кв. метра, весит 30 кг. На промышленной выставке в Москве
(ВДНХ) установка СИГ была удостоена золотой медали. Изобретатель утверждает,
что СИГ можно изготовить даже в небольшой мастерской при наличии токарного
станка и стандартного оборудования для аргоно-дуговой сварки. Но там есть
ноу-хау. Разработана техническая документация на установку
производительностью 10 кг/ч. Наконец, изготовлен макет установки производительностью 30
кг/ч. Разработана технология и утверждены технические условия.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИСКУССТВЕННОЙ ЧЕРНОЙ ИКРЫ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Искусственная черная зернистая икра впервые в мире была получена в СССР на
установках "Чибис", сконструированных в 1960 г. в институте элементоорганиче-
ских соединений (г. Москва).
Производительность одной установки 1,5-2 кг/час готовой к реализации икры.
Зернистая икра, изготавливаемая на установках "Чибис" состоит из казеина с
добавлением желатина, декстрина, крахмала, глицерина, едкого натра. Вкусовая
заправка состоит из рыбьего жира и химической "отдушки глютоминатов и т.п.
Ввиду дороговизны и сложности установки, икра до настоящего времени
выпускается только на крупных пищевых фабриках Москвы, Ленинграда, Киева и в
столицах республик Прибалтики, без вывоза в другие города. Эту икру по лицензиям
выпускает ряд стран.
В связи с использованием в икре таких компонентов, как рыбий жир,
химическая "отдушка" - икра не пользуется спросом у населения, дискредитировав саму
идею имитации натурального продукта.
Для обеспечения широкого распространения по стране искусственной икры и
повышения покупательной способности требовалось:
• изменить вкусовые компоненты, технологию изготовления икры для получения
вкусной, похожей на натуральную икру;
• создать дешевую, малогабаритную установку, которую можно изготовить на
мелких предприятиях, в мастерских и эксплуатировать в небольших точках
общепита или даже в домашних условиях.
За период с 1970 по 1987 г. в г. Горьком удалось, в основном, решить
поставленные задачи.
Разработана конструкция простой в изготовлении и обращении установки для
получения шариков (гранул) из молока с желатином диаметром 1-3 мм.
Производительность установки не менее 3,0 кг/час шарообразных гранул. Последующие
операции - отмывка, дубление, окраска, вкусовая заправка гранул, могут
выполняться с применением обычной кухонной посуды (кастрюль, дуршлагов, сит и т.
п.) .
На установке может работать малоквалифицированный персонал. Установка
рассчитана на применение в кафе, барах, ресторанах, а также в домашних условиях.
За этот же период освоена, указанная в настоящем документе, технология
изготовления икры с улучшенными вкусовыми качествами, с использованием
общедоступных, пастеризованных продуктов (молока, желатина, сельди "Иваси", чая,
растительного масла). Данная икра, особенно при ее употреблении совместно со
сливочным маслом (на бутербродах) , большинством людей по внешнему виду и вку-
совым качествам принимается как натуральная.
При замене 10-15% от объема икры сельди на 10% объем размельченной в
растворе крепкого чая натуральной икры, имитация настолько высока, что
искусственность продукта по виду и вкусу не обнаруживается дегустаторами -
профессионалами, врачами диетпитания.
К недостаткам икры относятся: невозможность ее пастеризации и длительного
хранения из-за низкой теплостойкости, в связи с чем, срок хранения и
употребления икры не превышает 7 суток. Температура хранения должна быть +3-5°С. По
этой же причине, при сервировке столов, икра подается в последнюю очередь
(при комнатной температуре ее внешний вид сохраняется несколько часов, как у
обычных заливных блюд).
ВНИМАНИЕ! Для получения качественной икры требуется в точности выполнять
все требования, изложенные в данном технологическом процессе, не допуская
изменения количества или замены исходных компонентов, нарушения температурных
режимов, сроков и правила при формировании, отмывке, дублении, окраске,
вкусовой заправке гранул. Особое внимание необходимо обратить на качество
исходных продуктов, правил хранения, сроки употребления икры.
Далее по тексту приводятся ссылки на №№ чертежей установки по изготовлению
гранул, входящие в технологический процесс:
• термостата черт. УФГ-1.1.СБ.
• гранулятора черт. УФГ-1.2.СБ.
2. ПОДГОТОВКА
ИСХОДНЫХ
КОМПОНЕНТОВ
На установке для формирования гранул (черт. УФГ-1.СБ) менее чем за один
раз, без опорожнения приемной емкости, можно получить такое количество
гранул, из которого получается 3 кг готовой икры.
В данном разделе приводятся объемы, соответствующие обработке только
вышеуказанного количества гранул (т.е. 1 порции).
2.1. Приготовление
дубящего раствора
В 5 литров воды засыпать 300 г черного чая. Помешивая раствор довести до
кипения. Кипятить на малом огне 10 мин. при закрытой крышке. Раствор чая
охладить до комнатной температуры. Отжать чай с помощью ручного механического
пресса или руками, отфильтровать раствор через сито затем через 2 слоя
капронового полотна (можно использовать новый женский чулок). Раствор чая
(останется более 4 л) охладить проточной водопроводной водой t < 15°С, поместить в
холодильник. Рекомендуется кипячение, и настой чая выполнять за сутки до
начала работы, отжимку чая, фильтрацию - в день изготовления икры.
2.2. Приготовление
красящего раствора
Красящий раствор - слабый раствор хлорного или молочнокислого железа
является единственным компонентом, который не относится к пищевым продуктам.
Технология окраски с помощью слабого раствора хлорного или молочнокислого
железа разработана институтом элементоорганических соединений (Москва),
запатентована, используется на установках "Чибис" с 1971 г.
//робицре$шо£ые
(I шт.) £ nampt/S*&x
переходник* лоз.З
мы.
При окраске гранул хлорное или молочнокислое железо вступает в химическую
реакцию с дубильными веществами, впитавшимися при дублении в гранулы икры,
при этом получается вещество черного цвета, безвредное для организма человека
и легко им усваивается. Остальной раствор (между гранулами и на их
поверхности) должен тщательно вымываться водой.
Порядок приготовления раствора:
1. На аптекарских весах отвесить 10 г обводненного хлорного железа
FeCl3*6H20 (шарообразные гранулы диаметром 6-8 мм желто-бурого цвета,
применяемые в производстве печатных плат на радио и телезаводах).
2. Залить 10 г развеску в стеклянной 10-15 л емкости 50 см3 горячей
кипяченой воды на 20-30 минут (для лучшего растворения реактива). Долить в
банку после растворения гранул железа 4 литра холодной кипяченой воды.
Отфильтровать раствор через 2 слоя капронового фильтра. Раствор охладить
проточной водопроводной водой до t < 15°С.
Раствор можно подготовить заранее, с доохлаждением в день изготовления
икры, перед ее окраской.
ВНИМАНИЕ! Подготовку раствора и хранение реактива рекомендуется производить
в помещении, где нет пищевых продуктов. Держать концентрированные растворы
категорически запрещается!
2.3. Подготовка
растительного масла
Свежее растительное масло (лучше кукурузное, но допускается хлопковое,
оливковое или подсолнечное) в объеме 5 л поместить заранее в холодильник, или
охладить проточной водой до t < 15°С.
Перед повторным употреблением, - масло нагреть до t = 100°С, охладить до t
< 15°С, в течение суток дать отстояться белковой "пыли" и примесям воды.
Поместить масло в морозильную камеру, заморозить скопившуюся на дне "пыль" и
воду. Масло перелить в накопительную емкость, замерзший осадок выбросить.
2.4. Подготовка воды
Вскипятить 15 литров воды. Охладить воду до t < 15°С, поставить в
холодильник . Вода необходима:
• 750 см3 для набухания желатина;
• 4000 см3 для составления раствора красителя;
• 2 х 5000 см3 для окончательной отмывки гранул от сырой воды перед
вкусовой заправкой.
2.5. Подготовка молока
Вскипятить более 1500 см3 молока любой жирности. Допускается применение
топленого молока, но с обязательным повторным кипячением. Охладить молоко до
комнатной температуры. Снять с молока пенку. Отмерить 1500 см3 и поставить на
хранение в холодильник. Срок хранения молока не более суток.
2.6. Подготовка
вкусовой заправки
Вскрыть 1,5 кг (в крайнем случае, 1,23 кг) банку с сельдью "Иваси"
специального посола. Очистить 1 кг сельди от голов, хвостов и костей. Сельдь без
костей = 300 г, размельчить, сначала в мясорубке, затем довести до эмульсия
подобного состояния в миксере или кофемолке с добавлением рассола из банки.
Оставшийся в банке от сельди рассол (около 300 см3) отфильтровать через
сито с ячейками не более 1x1 мм. Эмульсия из сельди и рассол в разных емкостях
поставить на хранение в холодильник в закрытой стеклянной посуде.
Разделку сельди рекомендуется выполнять в день приготовления икры.
Допускается приготовление вкусовой заправки из сельди, засоленной в 5,5 л. банке.
При использовании вместо сельди натуральной икры требуется:
1. отвесить 300 г икры;
2. залить икру крепким чаем (25-30 см3 отфильтрованным);
3. размешать икру с чаем;
4. порциями размельчить икру до эмульсия подобного состояния в миксере или
кофемолке.
2.7. Подготовка
соляного раствора
Четыре полных столовых ложки поваренной соли залить 500 см3 холодной
кипяченой воды, перемешать, поставить в холодильник. Работу можно выполнять
непосредственно перед вкусовой заправкой гранул.
ТРЕБОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ
БЕЗОПАСНОСТЬ УПОТРЕБЛЕНИЯ
ГОТОВОГО БЛЮДА
Ввиду того, что в закуску входят рыбные и молочные компоненты, срок
реализации установить не более 36 часов.
Хим. лабораторией районной санэпидстанции осуществлять органолептический
контроль готовых блюд и правильность изготовления и хранения в сроки,
принятые для рыбных и молочных блюд.
Исходные компоненты закуски хранить в холодильнике в герметичной упаковке
(сельдь - в банках, желатин - в герметичных пакетах, сливки - в бутылках).
Температура хранения +3-5°С.
В районе рабочей зоны установки (1,5x1,5 м) не должно быть посторонних
предметов и продуктов.
Установки для изготовления, дубления, окраски, вкусовой заправки гранул
должны быть выполнены из материалов, не поддающихся окислению органическими
щелочами и кислотами и не отравляющими продукты (нержавеющая сталь, пищевой
алюминий, стекло, фарфор, эмалированная посуда).
Молочные продукты для приготовления гранул подлежат закладке в исходный
продукт в течение 24 часов.
Готовый продукт хранить в холодильнике при +3-5°С в закрытой стеклянной или
пластмассовой таре (банки для майонеза или сыра "Янтарь"). Допускается
совместное хранение гранул с исходными продуктами или полуфабрикатом. Полуфабрикат
(не заправленные сельдью гранулы) хранить в стеклянных или эмалированных
емкостях, закрытых крышками при температуре -20 - +5°С. Срок хранения
полуфабриката при -20°С - 15 суток, +3-5°С - 2 суток.
В районе рабочей зоны установки должны быть:
1. смеситель с гибким душем и подводом горячей и холодной воды;
2. канализация;
3. металлический поддон или ванна;
4. электрическая розетка - 220 в, светильник;
5. шина заземления.
3. ПОДГОТОВКА к
РАБОТЕ УСТАНОВКИ
3.1. Все детали установки, а также посуда (сита, емкости и т.п.), которые в
процессе изготовления икры контактируют с молоком, маслом, чаем, хлорным
железом, сельдью, рассолом - тщательно промыть горячей водой с применением
приспособлений ("ершей", щеток) и моющих веществ, допущенных для мойки пищевой
посуды. Детали, которые невозможно отмыть в собранном состоянии - промыть
отдельно, сняв их с установки, затем поставить на место. Посуда должна быть
нержавеющей, эмалированной или стеклянной.
3.2. Подвести сжатый воздух к приемной емкости термостата, для чего к
штуцеру 8 (УФГ-1.2.2.СБ) гранулятора подключить воздушный ручной насос,
электрокомпрессор с манометром или газовый баллон с редуктором. К штуцеру 7
гранулятора подсоединить воздушный шланг к ниппелю 26 (УФГ-1.1.СБ) термостата.
3.3. В полость "Б" (полость цилиндра 5 гранулятора), приемную емкость 21
через воронку 7 залить холодное отрафинированное растительное масло до уровня
перелива. Рекомендуется перед заливкой масла проверить герметичность
уплотнения емкости 21, подав через пробку со штуцером в приемную воронку 7 воздух
под давлением Р=0,2 кг/см2. Давление не должно быстро падать.
3.4. Через коллектор гранулятора подать в полость "А" (полость цилиндра 1,
УФГ-1.2.1. СБ) холодную водопроводную воду t < 15°С, Р = 1-2 кгс/см2. Сброс
воды обеспечить через сливные шланги 8, 9 (УФГ-1.2.1.СБ).
3.5. Верхний слой масла в воронке 7 гранулятора на высоту Н=20 мм нагреть
до температуры t = 40°С с помощью 3 электроламп 16, закрепленных на
поворотных кронштейнах 5. Лампы не должны касаться приемной воронки 7.
3.6. Водяную "баню" термостата 2 заполнить горячей водопроводной водой с t
= 50°С через шланги, подсоединив их к патрубкам емкости 2.
3.7. Насосом или компрессором проверить отсутствие утечки воздуха из
приемной емкости 1 термостата, подняв давление до 1 кгс/см2. Давление не должно
падать.
4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИКРЫ
4.1. Пищевой желатин в количестве 190 г высылать в 3 л эмалированную
кастрюлю, залить 750 см3 холодной кипяченой воды, перемешать. Обеспечить
набухание желатина в течение 40-90 мин. За это время подготовить установку к работе
(см. раздел 3).
4.2. Залить желатин 1500 см3 холодного кипяченого молока со снятой жировой
пленкой. На слабом огне при t = 50°С растворить желатин в молоке, помешивая
его. Рука должна терпеть температуру стенки кастрюли.
4.3. Перелить молоко с желатином в емкость 1 термостата с фильтрацией через
2 слоя капронового полотна, закрыть по часовой стрелке штурвал насадка 3
термостата .
4.4. Закрыть емкость 1 термостата крышкой с герметичной резиновой
прокладкой .
4.5. Компрессором с редуктором создать давление в емкости 1 Р=0,2-1,0
кгс/см2. Долить в воронку 7 гранулятора масло с температурой t = 40°С до
уровня перелива.
4.6. Повернуть (если гранулятор готов к работе) против часовой стрелки
штурвал насадка 3 термостата. Струя молока с желатином, пройдя под давлением
воздуха иглу насадка 3 термостата, имеющую внутренний диаметр 0,4 мм, с
высоты 60 - 100 мм, с силой ударится в слой теплого масла в приемной воронке 7
гранулятора. При этом в масле образуется "шнурок" диаметром 8-10 мм,
состоящий из грозди шарообразных гранул диаметром, в основном, 1-3 мм.
ВНИМАНИЕ! Штурвалом нужно установить такую скорость истечения молока с
желатином, при которой пена на поверхности масла устремляется к месту удара
струи, а не наоборот.
4.7. Для перемещения "шнурка" гранул по кругу, а внутри трубы гранулятора
по спирали, с целью лучшего формирования и охлаждения гранул, включить
электропривод шкива 19. Через стекло воронки 7 контролировать качество
формирования гранул. Если диаметр гранул более 3 мм или менее 1-1,5 мм, изменить
скорость истечения белковой смеси с помощью штурвала насадка 3, или температуру
подогрева масла с помощью изменения расстояния от электроламп 16 до приемной
воронки 7 гранулятора.
ПРИМЕЧАНИЕ! Излишний перегрев масла приведет не только к снижению диаметра
гранул, но и к вероятности их слипания в сплошную, массу в приемной емкости
21. Слипание гранул также может произойти, если мало давление или высока
температура охлаждающей водопроводной воды, а также при низком качестве желатина
или при нарушении соотношения объемов желатина, воды, молока в готовой
исходной смеси.
4.8. При снижении уровня молока с желатином, если не применяется баллон с
редуктором, в термостате будет падать давление воздуха. Необходимо
поддерживать давление периодическим включением насоса или компрессора.
ПРИМЕЧАНИЕ! В случае повышенной вязкости белковой смеси из-за высокого
качества желатина или при применении связывающих добавок (крахмала) допускается
подъем давления воздуха до 2 кгс/см2.
4.9. По окончании формирования первой порции гранул необходимо:
1. отключить механизм перемещения струй по кругу,
2. закрыть штурвал насадка 3,
3. вывернуть трубку перелива 1 (УФГ-1.2.2.СБ) в воронке 7,
4. снять сливную пробку с патрубка 2 (УФГ-1.2.3.СБ),
5. перекрыть зажимом шланг переливной трубы 9 (УФГ-1.2.2.СБ),
6. в воронку 7 вставить резиновую пробку со штуцером. К штуцеру подвести
воздух от компрессора или баллона со сжатым воздухом,
7. давлением воздуха, не более 0,2 кгс/см2, переместить большую часть масла
и гранул из емкости 21 в емкость 21 № 2, убрать емкость с гранулами,
вместо нее поставить пустую,
Операции, выполняемые при формировании 2-й, 3-й и т. д. порций гранул:
1. установить сливную пробку в патрубок 2, снять зажим с переливной трубы
9,
2. залить в полость "Б" гранулятора, емкость 21 через приемную воронку 7
холодное растительное масло (оставшиеся на дне гранулы не удаляются до
окончания работы),
3. залить в термостат вторую порцию белковой смеси,
4. включить механизм перемещения белковой струи,
5. долить в воронку 7 теплого растительного масла, t = 40°С, включить
электролампы ,
6. приступить к формированию очередной порции гранул.
4.10. Если работа по формированию гранул окончена - прекратить подачу
охлаждающей воды, убрать емкости 21, 21 № 2, предварительно слив из гранулятора
масло через патрубок 3 (УФГ-1.2.3.СБ).
4.11. Ослабить полумуфты 17, 18 (УФГ-1.2.СБ.) и освободить емкость 21.
4.12. На кастрюлю 0310 мм поставить сито 0300 мм с ячейками 1x1 мм.
4.13. Вылить в сито с ячейками 1x1 мм, находящееся над кастрюлей, масло с
гранулами из емкости 21 № 2 и остатки масла и гранул со дна емкости 21. Время
отстоя гранул от масла - не менее 10 мин. Гранулы помешивать для лучшего
удаления масла.
4.14. Промыть гранулятор, емкости 21, 21 № 2 горячей водой с применением
"ершей", щеток и моющих средств.
4.15. Собрать в обратной последовательности гранулятор с емкостью 21.
4.16. Установить сливную пробку на патрубок 2, надеть чехол от пыли на
воронку 7, перекрыть переливную трубу 9.
4.17. Промыть детали и емкость 1 термостата.
4.18. Собрать детали термостата в обратной последовательности.
4.19. Залить в термостат 3 л кипятку, создать давление воздуха в емкости 1,
снять насадок 3 и вместо него надеть резиновый рукав для отклонения струи от
воронки 7, промыть термостат.
4.20. Гранулы из сита 0300 мм высыпать в 10 л кастрюлю с холодной водой.
Струей холодной воды из гибкого душа вымыть из сита в кастрюлю остатки
гранул , прилипшие к стенкам сита.
4.21. Перемешать гранулы в течение 1-3 мин. Слить воду с маслом в 2
стеклянные 3-5 л емкости. После отстоя масла с помощью отрезка резиновой трубки,
отсосать и слить воду. Масло с остатками воды перелить в 0,5 л емкость,
заморозить. Отделить масло ото льда, отрафинировать (согл. п.2.3).
4.22. Переложить гранулы из кастрюли в сито 0300 мм с ячейками 1x1 мм.
Сито скрепить с таким же ситом, надетым сверху. Полученный барабан поставить на
ребро в поддон или ванну и сильной струей холодной воды из гибкого душа сбить
масляную пленку с поверхности гранул, постоянно поворачивая барабан вокруг
своей оси. Время промывки - 5-10 мин.
ВНИМАНИЕ! При некачественной отмывке гранул пленка масла не пропустит
дубильные вещества во внутрь гранул, и они в дальнейшем не окрасятся!
4.23. Установить в поддоне пустое сито 0300 мм с ячейками 1x1 мм (сито
барабана по п. 4.22.) , над ним сито с отверстиями диаметром 3 мм (дуршлаг) . С
помощью холодной воды и гибкого душа откалибровать гранулы, пересыпая
небольшими порциями из сита, в котором они находятся, в дуршлаг.
4.24. Оставшиеся в дуршлаге крупные и некондиционные гранулы допускается не
выбрасывать, а тщательно отмыть от масла, растопить на слабом огне при
температуре 50°С, отфильтровать и заново отгранулировать.
ПРИМЕЧАНИЕ. Рекомендуется такие восстановленные гранулы дубить и окрашивать
отдельно, во избежание брака всей партии при окраске (могут помешать остатки
масла, попавшие внутрь гранул).
4.25. Откалиброванные гранулы с ситом 0300 мм поместить в кастрюлю, залить
4 л отфильтрованного холодного раствора чая (см. раздел. 2.). Кастрюлю
охладить водопроводной водой снаружи. В течение 20-40 мин. дубить гранулы в
растворе чая, постоянно их помешивая с помощью электрической мешалки (типа элек-
тро-мороженницы) или вручную.
ПРИМЕЧАНИЕ. Если изготавливается в установке несколько порций гранул
(например, 6 трехлитровых порций) рекомендуется отмытые от масла гранулы каждой
порции помещать без сита в большой нержавеющий бак (например, 40л), а затем
дубить в баке все порции вместе, перемешивая в течение 20-40 мин., после чего
раствор чая из бака слить. Бак при дублении поставить в ванну или бочку с
холодной водой.
4.26. Продубленные гранулы в течение 5-10 мин. отмыть от остатков раствора
чая, выполнив операции, указанные в п. 4.22.
4.27. Отмытые гранулы окрасить, поместив с ситом на 2-5 мин. в кастрюлю
0310 мм с 0,1-0,25 % раствором хлорного железа. Объем раствора (п. 2.2), 8 л
0,1% или 4 л 0,25%. При окраске гранулы перемешивать. Нормальный цвет гранул
должен быть темно-серым. Слить красящий раствор.
4.28. Промыть гранулы от остатков раствора хлорного железа и чая,
руководствуясь п. 4.22. Вода на сливе должна быть светлой.
4.29. Окончательно отмыть гранулы в течение 5-10 мин. от остатков сырой
воды, растворов чая и хлорного железа, холодной кипяченой водой (желательно в
емкости).
4.30. Находящиеся в сите гранулы залить, перемешивая, соляным рассолом (см.
п. 2.7). Дать слиться воде и части соли в течение 10 мин.
ПРИМЕЧАНИЕ. Допускается окрашенные, промытые и подсоленные гранулы не сразу
заправлять сельдью и рассолом сельди, поместить на срок до суток в
холодильник или 15-20 суток в морозильник.
После выемки гранул из холодильника иди морозильника требуется промыть их в
холодной водопроводной воде, а затем холодной кипяченой воде, досолить
рассолом соли по вкусу (допускается соляным рассолом из банки с сельдью с его
фильтрацией).
4.31. Переложить гранулы из сита в кастрюлю (если несколько порций в нержа-
веющий бак емкостью 20-40 л), залить отфильтрованным рассолом сельди (см. п.
2.6) . Дать впитаться рассолу в гранулы в течение 15 мин. Положить гранулы в
эмульсию из сельди (см. п. 2.6.), перемешать икру.
4.32. Переложить гранулы в сито с ячейками 0,5x0,5 мм. Перемешать икру. В
течение 5-10 мин. дать слиться избыткам рассола.
ПРИМЕЧАНИЕ. Слитый рассол с частью прошедшей через сито эмульсией из сельди
можно использовать повторно в течение суток (с добавлением новой эмульсии из
сельди при заправке последующих порций). Хранить рассол в холодильнике.
4.33. При необходимости, досолить икру по вкусу, выполнить расфасовку икры
в мелкую тару (из-под майонеза, сыра "Янтарь"; сметаны и т. п.).
ПРИМЕЧАНИЕ. Рекомендуется верхний слой икры смазать кукурузным или
оливковым маслом для предохранения от высыхания без изменения вкусовых качеств
икры.
4.34. Поместить икру в холодильник. Хранить при температуре 3-5°С в течение
не более 7 суток.
4.35. Допускается на срок до 15-20 суток замораживать готовую икру в
морозильнике, но перед употреблением икру разморозить при комнатной температуре,
слить воду, получившуюся от таяния инея на поверхности гранул.
Рекомендуется размораживать гранулы в высокочастотной печи "Электроника" в
течение нескольких секунд, при этом гранулы будут прогреваться сразу на всю
глубину.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ЧЕРНОЙ ИКРЫ
1. НАЗНАЧЕНИЕ .
СОСТАВ ИЗДЕЛИЯ
Установка (черт. УФГ-1.СБ) предназначена для выполнения основной операции
по изготовлению черной зернистой икры, в частности для формирования
шарообразных гранул диаметром 1-3 мм из белковой смеси, (например молока с
желатином) . Последующие операции по изготовлению икры - дубление, окраска, вкусовая
заправка могут выполняться в обычной кухонной посуде (кастрюлях, дуршлагах,
ситах).
Технология изготовления икры - см. "Технологический процесс".
Установка состоит из следующих основных узлов и блоков:
• термостата (черт. УФГ-1.1.СБ)
• гранулятора (черт. УФГ-1.2.СБ)
При сборке установки на месте к ней подсоединяются: насос, компрессор, или
баллон с углекислым газом и электрооборудование.
Термостат предназначен для:
• подготовки исходной белковой смеси
• поддержания температуры.
• обеспечения выброса и кругового перемещения струй белковой смеси.
$£0
Термостат крепится к трем стойкам над гранулятором. На стойках, на
подвижных державках установлены электролампы подогрева верхнего слоя масла в грану-
ляторе и освещения рабочей зоны.
Гранулятор предназначен для получения из белковой смеси шарообразных гранул
и последующего их охлаждения.
Воздушный насос, компрессор или баллон с углекислым газом предназначены:
• для обеспечения требуемой скорости истечения белковой смеси из
термостата,
• для удаления гранул из приемной емкости гранулятора после ее заполнения.
Элементы управления предназначены для:
• включения привода, обеспечивающего круговое перемещение струй белкового
состава (-127 В)
• включения эл. ламп подогрева масла (120 В).
2. ТЕХНИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕ РИСТИКА
1. Производительность установки (при использовании одного калибровочного
отверстия) до 1,5 кг/час гранул.
2. Количество калибровочных отверстий - от 1 до 3-х.
3. Температура белковой смеси в термостате - около 50° С.
4 . Скорость кругового перемещения струй белковой смеси - 0,6 см/сек.
5. Давление воздуха в емкости термостата:
• номинальное 0,2 - 1,0 кгс/см2
• максимальное 2,0 кгс/см2
6. Максимальный объем белковой смеси, заливаемой в емкость термостата 2,4
л.
7. Объем растительного масла, заливаемого в гранулятор -5л.
8 . Тип масла:
• основной - кукурузное;
• допускаемая замена - хлопковое, оливковое, подсолнечное.
9. Температура масла в районе приемной воронки ~ 40 °С.
10. Температура охлаждающей воды - менее 15.°С.
11. Температура заливаемого масла - 0-15 °С.
12. Давление охлаждающей воды - 1-6 кгс/см2
13. Объем приемной и переливной емкостей гранулятора - по 3 л.
14. Диаметр калибровочных отверстий термостата - 0,4 мм.
15. Напряжение и мощность электроламп - 220В, 40 вт
16 . Количество эл. ламп - 3 шт.
17. Габариты установки:
• длина 325 мм
• ширина 485 мм
• высота 1964 мм.
18. Масса - 30 кг.
3. ТЕРМОСТАТ
3.1 Описание устройства
Термостат состоит из следующих основных частей (см. черт. УФГ-1.1.СБ):
1. емкость 1 для исходной белковой смеси (модернизированная скороварка),
2. емкость 2 "водяная баня", со штуцерами подвода и сброса теплой воды,
шкива с электроприводом 19,
съемного насадка 3 с выпускными калибровочными отверстиями,
заборного патрубка 4
ниппеля 26 для подвода сжатого воздуха.
3.2. Последовательность сборки
По черт. УФГ-1.1.2.СБ сварить алюминиевую емкость газоэлектрической сваркой
неплавящимся электродом в среде аргона. К днищу приварить лапы с кольцами для
надевания их в последующем на стойки. В крышку и боковую стенку приварить два
патрубка 6.
Насадок 3 (черт. УФГ-1.1.3 СБ) собрать следующим образом. В головку 1
вставить под углом 15° две трубки от медицинской иглы диаметром 0,8 мм,
внутренним диаметром 0,4 мм. Трубки пропаять с фосфорной кислотой, концы
отшлифовать . Насадок промыть, прежде чем привернуть его на место.
В крышке емкости 1 (кастрюли-скороварки) вместо предохранительного
паровоздушного клапана привернуть манометр 32. В стенке кастрюли просверлить
отверстие для установки ниппеля 2 6 для подвода сжатого воздуха.
В днище готовой скороварки вырезать отверстие диаметром 32Н9. К емкости 2
привернуть винтами 28 вкладыш 18. К оси 11 присоединить винтами 29 шкив 19.
Произвести подсборку штуцера 15, манжеты 13, кольца фасонного 12, барабана
14. Подсборка вставляется в отверстие днища кастрюли с прокладкой 16 и
закрепляется колпаком резьбовым 16. После чего данная подсборка соединяется с
емкостью 2. Ось 11 в сборе со шкивом 19 просовывается во вкладыш 18,
привернутый к емкости 2, и далее через подсборку 15-13-12-14. На резьбовой конец оси
надевается втулка 10 из пенопласта, и наворачивается корпус 8. В корпус 8
вкладывается фильтр сетчатый 7, вкручивается гайка корончатая 6,
накладывается прокладка резиновая 5. После этого наворачивается трубка заборная 4. К оси
11 со стороны шкива вворачивается переходник 21 с прокладкой 20. На
переходник надевается втулка резьбовая с резиновой прокладкой 23. На этот же
переходник наворачивается штуцер 24, на который накручивается насадок 3.
Теперь кастрюля закрывается собственной крышкой с коромыслом и запорно-
винтовым штурвалом. Таким образом, термостат готов для установки его на три
стойки, привернутых к плите основания.
4. ГРАНУЛЯТОР
4.1. Описание устройства
Гранулятор (черт. УФГ-1.2.СБ) состоит из следующих основных частей:
1. рубашка 1, образующая с цилиндром внутренним 5 полость для подвода
водопроводной воды с целью охлаждения масла.
2. ствол внутренний 2 с распоркой крестообразной 4 для центровки внутри
цилиндра. Ствол предназначен для приема избыточного масла из воронки 7.
3. переходник 3, предназначенный для соединения цилиндра 5 с приемной
емкостью 21, и слива масла из гранулятора и отвода гранул в приемную
емкость 21 N2. В переходнике имеются 2 патрубка: Г-обраЗный для отвода
гранул и второй для смены масла в полости цилиндра 5. Присоединение
осуществляется посредством кольца резьбового 13, полуколец муфтовых 14,
15, 17, 18, скрепляемых болтами 20 в сопровождении с резиновыми
прокладками 16. Оба патрубка переходника закрываются резиновыми пробками.
4. воронка (обрезанная молочная бутылка) 7 устанавливается с помощью
полуколец 8, крышки резьбовой 9, кольца фасонного 10 и прокладки резиновой
11.
Рубашка 1 сваривается по чертежу УФГ-1.2.1.СБ. Все детали из алюминия,
трубки и патрубки изогнуть при монтаже, вставить в соответствующие отверстия
и обварить по периметру швов.
Ствол внутренний 2 сваривается по чертежу УФГ-1.2.2.СБ. Все детали из
нержавеющей стали. Сварка в среде углекислого газа. Электрод ЭА2. Переходник 3
сваривается по черт. УФГ-1.2.3.СБ. Все детали из нержавеющей стали. Сварка та
же. Тип электродного стержня Х25Н15.
Распорка 4 сваривается по черт. УФГ-1.2.4.СБ. Материал и сварка та же.
Состоит из кольца и лепестков.
Цилиндр внутренний 5 сваривается по черт. УФГ-1.2.5.СБ. аналогично
вышеописанным сборкам.
4.2. Последовательность сборки
В рубашку 1 вставляется цилиндр 5. В цилиндр 5 вставляется ствол внутренний
2 и наворачивается своей внутренней резьбой на наружную резьбу цилиндра 5. На
наружную резьбу ствола 2 наворачивается кольцо резьбовое 13. С помощью
полуколец муфтовых 14, 15 присоединить переходник 3 к кольцу 13. К нижнему концу
переходника 3 присоединить с помощью полуколец муфтовых 18,19 приемную
емкость 21.
В верхней части гранулятора устанавливается воронка 7 с помощью полуколец
8, крышки резьбовой 9, кольца фасонного 10 и прокладки резиновой 11.
Вместо воронки 7 и приемной емкости 21 (банки) установить технологические
заглушки в виде резиновых пробок. Оппрессовать поочередно полости для масла и
воды водой давлением 6 кгс/см2 или воздухом 0,2 кгс/см2. Падение давления,
перетекание из одной полости в другую не допускается. Снять технологические
заглушки, установить воронку и банку обратно.
5. ОБЩАЯ СБОРКА
(см. черт. УФГ-1.СБ)
Устанавливается плита 8 с вкручивающимися ножками 9. На нее прикручиваются
болтами 14 три стойки (алюминиевые трубки 25x2,5 мм, длина 1595 мм).
На стойки устанавливаются державки гранулятора 6-5 шт., т.е. 3 вверху и 2
внизу, державки электроламп 5-3 шт., стяжка межопорная с панелью
электродвигателя 4. Сверху на стойки устанавливается термостат, и ниже на проушинах с
помощью зажимных винтов 7 (5 шт.) подвешивается гранулятор.
На панель стяжки межопорной 4 устанавливается электродвигатель со шкивом 11
и приводным ремнем 12. Выполняется разводка проводов от электродвигателей.
6. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
Электрооборудование включает в себя:
• электродвигатель приводной для кругового перемещения белковой струи,
• три электролампы подогрева масла.
В элементы управления могут быть включены регуляторы мощности, плавкие
предохранители , выключатели.
7. ПОДГОТОВКА К
РАБОТЕ ТЕРМОСТАТА
7.1. Снять крышку емкости 1.
7.2. Снять трубку заборную 4.
7.3. Отвернуть насадок 3. Промыть емкость 1 и снимаемые детали. Промывку
вести с применением "ершей", щеток моющим раствором для пищевой посуды.
7.4. Поставить на место снятые детали.
7.5. Залить в емкость 2 теплую воду с температурой 50-80° С из
водопроводной сети.
7.6. Закрыть крышку емкости 1 с помощью запорно-винтового устройства.
7.7. Включить электропривод, проверить вращение насадка 3.
7.8. Открыть редуктор баллона со сжатым воздухом. Создать давление в
емкости 1 Р=1 кгс/см2 (давление не должно быстро падать).
7.9. Залить в емкость 1 белковый состав (см. Технологический процесс).
7.10. Отрегулировать нагрев лампы электроподогрева масла в воронке 7
гранулятора (Т = 40° С) с помощью регулятора мощности.
8. ПОДГОТОВКА К
РАБОТЕ ГРАНУЛЯТОРА
8.1. Отсоединить емкость 21.
8.2. С помощью "ершей" и моющих растворов промыть горячей водой все
полости, контактирующие при работе с маслом (воронка 7, полость "Б", емкости 21,21
№ 2, переходник 3).
8.3. Установить и закрепить полумуфтами 18, 19 емкость 21.
8.4. Перекрыть пробками оба патрубка переходника 3 и отвод для слива масла
9 (УФГ-1.2.2.СБ). Залить полость "Б" гранулятора и емкость 21 водой, вставить
в воронку 7 резиновую пробку, проверить плотность соединений воздухом Р=0,2
кгс/см2. Слить воду. Установить под переливной 9 и сливной 2 (УФГ-1.2.3.СБ)
трубами емкость 21 № 2.
8.5. Залить в воронку 7 - 5 л растительного масла (на 20 мм ниже перелива).
8.6. Включить электролампы подогрева масла в воронке 7.
8.7. Через коллектор подать холодную водопроводную воду со сбросом ее в
канализацию через 2 шланга сливного патрубка (см. черт. УФГ-1.2.1.СБ).
8.8. Долить в воронку 7 до уровня перелива теплое масло с t = 4 0 ° С.
9. РАБОТА НА УСТАНОВКЕ
9.1. Отрегулировать редуктором баллона со сжатым воздухом давление в
термостате, чтобы обеспечить такую максимальную скорость белковой струи, при
которой пена, находящаяся на поверхности масла, засасывается в воронку 7
гранулятора в месте удара струи.
9.2. Избыток масла, вытесненного гранулами, переливается через переливную
трубку 010 мм.
9.3. По окончании формирования первой порции белковой смеси:
1. перекрыть редуктор баллона со сжатым воздухом,
2. установить на переливной трубе 9 шланг с зажимом,
3. убрать пробку с патрубка 2,
4. в воронку 7 установить пробку со штуцером, связанную с газовым
редуктором,
5. давлением воздуха Р=0,2 кгс/см2 удалить большую часть масла с гранулами
из емкости 21 в емкость 21 № 2, 21 № 3,
6. из воронки 7 убрать пробку со штуцером, закрыть пробкой патрубок 2,
ввернуть трубку перелива 3 D=10 мм.
7. залить в полость "Б" (полость цилиндра 5 гранулятора) холодное масло,
добавить теплое масло Н=20 мм.
8 . формировать следующую партию гранул.
9.4. По окончании работ, после удаления основной части масла с гранулами из
емкости 21 в емкость 21 № 2, выполнить следующее:
1. прекратить подачу охлаждающей воды к коллектору,
2. с помощью газового редуктора удалить теплую воду из емкости 2
термостата,
3 . отключить электрооборудование,
4. ослабить болты крепления 20 полумуфт 14, 15, 17, 18, снять переходник
3,
5. промыть гранулятор, а также емкость 1 термостата и отдельные детали,
6. собрать в обратном порядке детали термостата и гранулятора
7. масло с гранулами из емкостей 21 и 21 № 2 через сито с ячейками не
более 1x1 мм слить в емкость для масла, а емкости 21, 21 № 2 промыть,
поставить на место.
8. отрафинировать масло (см. Технологический процесс)
9. на воронку 7 надеть чехол (от пыли), перекрыть шланг переливной трубы 9
зажимом.
СБОРОЧНЫЕ ЧЕРТЕЖИ
Спецификация по
сборочным чертежам
УФГ-1
Установка для формирования гранул нкры
поз
Обозначение
Наименование
Кол-во
Примечание
До куме нтацня
УФГ-1 СБ
С б ор очный чертеж
1
Сборочные единицы
1
УФГ-1.1
Термостат
1
2
УФГ-1.2
Гранулятор
1
3
УФГ-1.3
Стойка
3
без чертежа
4
УФГ-1.4
Стяжка межопорная с панелью
зпектр о двигателя
1
без чертежа
5
УФГ-1.5
Держатель электролампы
3
без чертежа
6
УФГ-1.6
Держатель гранулятора
5
без чертежа
Детали
7
УФГ-1.7
Винт зажимной
5
без чертежа
8
УФГ-1.8
Плита
1
без чертежа
9
УФГ-1.9
Ножка закручивающаяся
4
без чертежа
10
УФГ-1.10
Накладка стопорная
3
без чертежа
11
УФГ-1.И
Шкив электродвигателя D= 16мм
1
без чертежа
12
УФГ-1.12
Ремень приводной
1
без чертежа
Стандартные изделия
13
ВинтМЗхЮГОСТ 1491-80
б
14
Винт Мбх25 ГОСТ 7805-70
20
Покупные изделия
13
Электродвигатель РД-03 п=30об./мин
1
16
Лампочка электрическая 40 ватт
3
17
Патрон керамический
3
УФГ-1.1
Термостат
поз
Обозначение
Наименование
Кол-во Примечание
До куме нтацня
УФГ-1.1 СБ
Сборочный чертеж
Сборочные единицы
1
УФГ-1.1.1
Кастрюля - скороварка
1
без чертежа
2
УФГ-1.1.2
Емкость водяная
1
3
УФГ-1.1.3
Насадка
1
4
УФГ-1.1.4
Трубка заборная
1
Детали
5
УФГ-1.1.5
Прокладка резиновая
1
без чертежа
6
УФГ-1.1.6
Г айка кор ончатая
1
7
УФГ-1.1.7
Фильтр сетчатый металлический
1
без чертежа
8
УФГ-1.1.8
Корпус
1
9
УФГ-1.1.9
Прокладка резиновая
1
без чертежа
10
УФГ-1.1.10
Втулка пенопластовая
1
без чертежа
11
УФГ-1.1.11
Ось
1
12
УФГ-1.1.12
Кольцо фасонное
1
13
УФГ-1.1.13
Манжета
1
14
УФГ-1.1.14
Барабан
1
15
УФГ-1.1.15
Штуцер
1
16
УФГ-1.1.16
Прокладка резиновая
1
без чертежа
17
УФГ-1.1.17
Колпак р езь б ов ой
1
18
УФГ-1.1.18
Вкладьпп
1
19
УФГ-1.1.19
Шкив
1
20
УФГ-1.1.20
Прокладка резиновая
1
без чертежа
21
УФГ-1.1.21
Переходник
1
22
УФГ-1.1.22
Втулка резьбовая
1
23
УФГ-1.1.23
Прокладка резиновая
1
без чертежа
24
УФГ-1.1.24
Штуцер
1
25
УФГ-1.1.25
Переходник для манометра
1
без чертежа
26
УФГ-1.1.26
Ниппель
1
без чертежа
27
УФГ-1.1.27
Прокладка резиновая
1
без чертежа
28
УФГ-1.1.28
Прокладка резиновая
1
без чертежа
Стандартные изделия
29
ВинтМЗх5 ГОСТ 1491-80
3
30
ВинтМ4х10 ГОСТ 17475-80
6
31
ГайкаМбГОСТ 5927-70
2
32
Шайбаб ГОСТ 11371-78
2
Прочие изделия
33
Манометр до 40 кгс/см^
1
УФГ-1. \2
Емкость водяная
поз
Обозначение
Наименование
Кол-во
Примечание
Документация
УФГ-1.1.2СБ
Сборочный чертеж
1
УФГ-1.1.2.1
Крышка верхняя
1
без чертежа
2
УФГ-1.1.2.2
Кольцо наружное
1
без чертежа
3
УФГ-1.1.2.3
Днище
1
без чертежа
4
УФГ-1.1.2.4
Кольцо внутреннее
1
без чертежа
5
УФГ-1.1.2.5
Наконечник приварной
2
без чертежа
6
УФГ-1.1.2.б
Патрубок
2
без чертежа
7
УФГ-1.1.2.7
Кольцо
3
без чертежа
8
УФГ-1.1.2.8
Лапа
3
без чертежа
УФГ-1.13
Насадка
Документация
УФГ-1.1.3СЕ
Сборочный чертеж
Детали
1
УФГ-1.1.3.1
Головка
1
без чертежа
2
УФГ-1.1.3.2
Игла
2
без чертежа
УФГ-1.1Л
Труба заборная
Документация
УФГ-1.1.4СБ
Сборочный чертеж
Детали
1
УФГ-1.1.4.1
Трубка
1
без чертежа
2
УФГ-1.1.4.2
Переходник
1
без чертежа
3
УФГ-1.1.4.3
Крышка резьбовая
1
без чертежа
УФГ-12
Гранулятор
поз
Обозначение
Наименование
Кол-во
Примечание
Документация
УФГ-1.2 СБ
Сборочный чертеж
Сборочные единицы
1
УФГ-1.2.1
Рубашка
1
2
УФГ-1.2.2
Ствол внутренний
1
3
УФГ-1.2.3
Переходник
1
4
УФГ-1.2.4 Распорка кре сто образная
1
без чертежа
5
УФГ-1.2.5 Цилиндр внутренний
1
Детали
7
УФГ-1.2.7
Воронка (бутылка молочная с обрезаннъпл
дном)
1
без чертежа
8
УФГ-1.2.8
Полукольцо
2
9
УФГ-1.2.9
Крьплка резьбовая
1
10
УФГ-1.2.10
Кольцо фасонное
1
11
УФГ-1.2.11
Прокладка резиновая
1
без чертежа
12
УФГ-1.2.12
Прокладка резиновая
1
без чертежа
13
УФГ-1.2.13
Кольцо резьбовое
1
14
УФГ-1.2.14
Полукольцо муфтовое правое
1
15
УФГ-1.2.15
Полукольцо муфтовое левое
1
16
УФГ-1.2.16
Прокладка резиновая
1
без чертежа
17
УФГ-1.2.17
Полукольцо муфтовое правое
1
18
УФГ-1.2.18
Полукольцо муфтовое левое
1
19
УФГ-1.2.19
Прокладка резиновая
1
без чертежа
Стандартные изделия
20
Болт Мбх22 ГОСТ 7805-70
8
Прочие шделня
21
Банка стеклянная 3-х литровая
1
УФГ-13.1
Рубашка
Документация
УФГ-1.2.1 СБ
Сборочный чертеж
Детали
1
УФГ-1.2.1.1 Втулка верхняя
1
2
УФГ-1.2.1.2 Цилиндр
1
без чертежа
3
УФГ-1.2.1.3
Втулка нижняя
1
4
УФГ-1.2.1.4 Проушина
без чертежа
5
УФГ-1.2.1.5 Трубка Г-образная
1
без чертежа
6
УФГ-1.2.1.6
Трубка перпендикулярная
1
без чертежа
7
УФГ-1.2.1.7
Отросток
1
без чертежа
8
УФГ-1.2.1.8 Патрубок
1
без чертежа
9
УФГ-1.2.1.9
Отр о с ток перпендикулярный
1
без чертежа
Г
УФГ-12 2
Ствол внутренний
До куме нтацня
УФГ-1.2.2СБ
С б ор очный чертеж
Детали
1
УФГ-1.2.2.1
Удлинитель
1
без чертежа
2
УФГ-1.2.2.2
Муфта
1
без чертежа
3
УФГ-1.2.2.3
Сгон
1
без чертежа
4
УФГ-1.2.2.4
Конус обрезанный
1
без чертежа
5
УФГ-1.2.2.5
Ствол L=875 мм
1
без чертежа
6
УФГ-1.2.2.6
Наконечник
без чертежа
7
УФГ-1.2.2.7
Колено 45 левое
1
без чертежа
00
УФГ-1.2.2.8
Колено 90
1
без чертежа
9
УФГ-1.2.2.9
Колено 45 правое
1
без чертежа
10
УФГ-1.2.2.10
Корпус
1
11
УФГ-1.2.2.11
Заглушка
1
без чертежа
УФГ-122
Переходник
поз
Обозначение
Наименование
Кол-во
Примечание
Документация
УФГ-1.2.3СЕ
Сборочный чертеж
Детали
1
УФГ-1.2.3.1
Корпус
1
2
УФГ-1.2.3.2
Патрубок
1
без чертежа
3
УФГ-1.2.3.3
Отросток
1
без чертежа
УФГ-123
Цилиндр внутренний
Документация
УФГ-1.2.3СБ
Сборочный чертеж
Детали
УФГ-1.2.5.1
Цилиндр
1
без чертежа
УФГ-1.2.5.2
Конец р езь б ов ой прив арной
1
без чертежа
//робицре$шо£ые
(I шт.) £ nampt/S*&x
переходник* /г&.3
в-в
33
31
\2£
Тер/ч ос т&т
Сборочный чертеж
Продолжение на.
следуюифа стр.
А-А
/ер мост бит?
Резней ойя cnpnio^
Уфг- /.f.zas
£Мкость бодйиэьЯ
С&орочный черте.*<
8
о»
ФЮ
I
2
й
4>кО fi(-*9*o)
beftli
*5г
<рза
Уфг /.1/1 г
копыто Фисснное
<р/8
. nf-0. USD I
4-
LZi i
М42
т
УФГ- // 1S
. Штуцер
таль nepMCj. Асосцл Я
Нол п olh реьь бо&оо
А люпин ни
<t>36
4>?4/>9
Ф20&9
УФГ fj.fg
Ф52
Ш*и6
уФГ-t.tzf
Переходник
{/ФГ-uzi
Слыло vepMt.d £еюш,+p
Ы16
7
к
'2
/3
/9
Пробна резино£ые
лере'о&л/лк лоз 3
Условно нелта.**.-
GfcpWH&ts чертемс
1Л
J'
•л
1Г>
*5
С
Сборочный чертеж
УФГ-/.г.гсб
Ст&ол внутренний
УФГ- /.2Z./0
Морпус
УФГ- U3 Сб
Пв.ре,
Сборочный чертеж
.46 0_
Ф k4h9-o,oce
ФЪЪ
Ф5Ч
ш Ф61
Корпус
f.2 5C5
Цилиндр
внутренний
С (Sop *• v ньш ** срте лс
Стиль нер*с&Ле«г'Щ.Л9
Ф50Ь9-ч»-м
ФЬ0Н9
Алюминий
Ф*2
ФЗЗ
Ш~ ШО
Кольцо ер&сонное.
Я!
+12.
I
Ф5+/>9-ао*
-i—I—L
PS8
УФГ- /2 /3
Кольцо рс5ь£о&ос
Cm А ЛЬ исрхс^.&С«Уш,Л9
УФГ /2tf
be л'I нЯЯ
аЗлы fi и «1,1/
t/ФГ- /2 /J
Ь Tri,-1 h с? ни.*:* Я<э
<PSD
ф
г
пробое
УФГ-12.15
Полукольцо пусртобое,
леЬое
Алюминий
feOTV
_JbJ_
+ 7t*9
ФГОЧ
3
г ami.
f.Z. 1?
Полукольцо Mt/cpmoboe
ПРИЛОЖЕНИЕ №1
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИКРЫ
Наименование
Параметры
Кол-во
Назначение
Примечание
1. Система подвода горячей и
Р= 1-2 кгс/см*1
1
1. Охлаждение гранул.
колодной водопроводной воды со
tr.=50°C
2. Подогрев молока с
смесителем и гибким душем.
tx.<15°C
желатином в
термостате.
3. Отмывка деталей и
посуды.
2. Система электроснабжения с
1
1 .Подключение блока
Двигатель
розеткой - 220 В и светильником
электр опитания.
вращения, насадка.
общего освещения.
2. Освещение рабочей
зоны.
3. Ванна или поддон с
1,5x0,7x0,1 м
1
1. Место для монтажа
подключением канализации.
установки.
2. Отмывка гранулв
сите.
3. Отмывка деталей
установки и по суды.
4. Электр о холодильник с
V = 100-300 В
1
1. Хранение
морозильной камерой.
Ьсол. = 3-5° С
tMop. = -2-20°C
компонентов икры и
готовой икры.
2. Вымораживание
масла.
5. Мясорубка.
1
5а. Электромиксер
1
1. Измельчение
(электр око ф емопка).
сельди в эмульсию.
6. Электромешалка.
1
1. Перемешивание
гранул при дублении
и отмывке.
Например,
электр омороженица
7. Стоп.
1x1 м
1
1. Разделка рыбы.
8. Винтовой пресс.
1
1. Отжимка чал.
Допускается ручной
9. Весы настольные стрелочные.
Р = 5 кг
1
1. Развеска икры.
10. Весы аптекарские с разновесами.
Р = ЗООг
1
1. Развеска желатина.
2. Развеска хлорного
железа.
11. Набор сит (нержавеющих или
1. Ячейка
ю
1. Отмывка.
капроновых).
1 xl мм
D = 300, h= 80
2. Дубление.
3. Окраска.
4. Вкусовая заправка.
2. Ячейка
1
5. Калибровка.
1. Удаление рассола.
0,5x0,5 мм
D = 300, h= 80
3. Отверстия
1
1. Калибровка.
D=3 мм
D = 300, h= 80
4. Два слоя
1
1. Фильтрация
капронового
белковой смеси, чая.
полотна
12. Мерная емкость с делениями.
V = 350 сы*
1
1. Дозирование
молока, воды.
Деления, разрез
50 см
13. Нержавеющая (эмалированная)
кастрюля.
V = Юл
0310 мм
h= 100 мм
2
1. Прием масла.
2. Дубление.
3. Окраска.
4. Вкусовая заправка.
14. Нержавеющая (эмалированная)
кастрюля.
V = 3 л
1
1. Подготовка
белковой смеси.
2. Кипячение молока.
15. Емкости для готовой икры
(коррозионно стойкие).
V = 0,2; 0,3 л
12
Количество
по потребности.
16. Банки стеклянные.
V = 5 л
V = 3 л
3
4
1. Хранение масла.
2. Для раствора чая.
3. Для раствора
красителя.
1. Для гранул.
2. Для масла.
3. Для отстоя масла.
2 шт. входят в
состав гранулятора.
17. «Сторож;.
1
1. Предотвращение
«убегания» молока
при кипячении.
1S. Нержавеющие баки.
V = 40 л
V = 20 л
1
1
1. Дубление
нескольких порций
сразу.
2. Заправка сельдью
нескольких порций
сразу.
19. «Ерши» капроновые.
2
1. Отмывка установки
и посуды.
С короткой и
длинной
рукоятками.
20. Щетки капроновые.
2
1. Отмывка установки
ПРИЛОЖЕНИЕ №2
РАСЧЕТ ТРУДОЗАТРАТ НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИКРЫ
Наименование
Время
в мин.
Примечание
1. Разработка, промывка деталей установки и дополнительного
25
о б орудов ания (по суды).
2. Сборка установки, подключение водоснабжения,
40
электропитания. Запивка маслом, водой, подогрев масла и
белковой смеси
3. Расфасовка, набухание желатина в воде при помешивании.
60
Максимально — 90 минут.
4. Кипячение 15 л воды, охлаждение.
25
5. Кипячение 5 л масла, отстой, охлаждение.
20
Время отстоя не учтено
6. Расфасовка, измельчение, кипячение чая, охлаждение,
40
Время охлаждения не учтено.
отжимка, фильтрация 4 л.
7. Развески, настой, изготовление 4 л 0,25%-ного раствора
15
хлорного железа или 8 л - 0,1%-ного.
8. Вскрытие банки с сельдью, отделение от костей,
90
измельчение, фильтрация рассола.
9. Кипячение 1,6 л молока, фильтрация, охлаждение.
30
10. Смешивание, разогрев, фильтрация белковой смеси.
10
11. Запивка белковой смесив термостат, герметизация, создание
5
давления.
12. Получение гранул в установке.
190
В т.ч. 10 минут на охлаждение
последних гранул.
13. Слив масла из установки, демонтаж приемной емкости.
10
14. Отстой масла от гранул в сите с помешиванием.
10
15. Отмьгвка гранул от масла в емкости с водой.
10
16. Перелив воды с маслом, отстой, замораживание,
20
Время отстоя, замораживания не
термообработка.
учтено.
17. Отбивка пленки масла с гранул между 2-х сит.
10
18. Калибровка гранул, переплавка, фильтрация, грануляция
30
крупных гранул.
19. Дубление гранул в растворе чая.
40
20. Отмьгвка гранул от чая.
10
21. Окраска гранул в 0,25%-ном растворе хлорного железа
5
V=4n или в 0,1%-ном - V=8 л.
22. Отмывка гранул от хлорного железа
10
23. Промьтка гранул холодной кипяченой водой.
10
24. Солка гранул, удаление липшей воды.
10
25. Насыщение гранул рассолом сельди.
15
26. Введение в гранулы эмульсии из сельди с перемешиванием.
5
27. Сброс избьпка рассола.
10
28. Расфасовка икры.
15
29. Разборка, повторная отмьшка установки и посуды.
25
30. Отключение установки от системы водоснабжения и
15
электроснабжения. Слив воды из гранулятора и термостата.
Всего: 810 (13 часов 30 минут.
Из расчета на 1 кг и
кры —270 минут (4 часа 30 минут)
ПРИЛОЖЕНИЕ №3
КАЛЬКУЛЯЦИЯ СЕБЕСТОИМОСТИ ИКРЫ
Наимено ванне
Кол-ю
Цена
Потери
Причина потерь
Обоснований
приме нения
Примечание
Пищевые компоненты, входящие в 3 кг нкры
Желатин высшего аорта
190г
240
19г
Отходы с белковой
«пылью».
По а.с.№231314
Бюллетень №35
от 15.11.63 г.
Допускается
1 и 2 сорт
Вода. кипяченая
730 cm7
_
75 см3
МоГОКО КИГИЧЁНОе
1300 см3
045
150 cm3
По а.с.№231314-
казеин
По а.с.№231314
По а.с. N=282918
&% натуральная икра
Бюллетень № 30
от 8.11.76 г.
Cora
100г
0-01
44 г
Сельдь «Иней:*
1,5 кг
2-60
1J0 кг
Р-эссол сельди
0^3 кг
0^3 кг
Отходы (готовы,
хвосты, тети,
внутренности)
Выход эмульсин 1С
сельди до -500 г.
Итого
3338 г
Выход
Из расчета
3000 г
1000г
546
1-82
(расценки даны на 1989 год).
ПОСЛЕСЛОВИЕ
НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОИЗВОДСТВУ ИСКУССТВЕННОЙ ИКРЫ
И.В. Кузнецов
Последнее мое предложение по производству искусственной черной икры,
вызвало много откликов и вопросов. Что позволило совершенно по-новому взглянуть на
эту тему, и в тоже время попытаюсь ответить на наиболее часто встречающиеся
вопросы.
Кратко напомню, о чем шла речь, - существует технология для производства
искусственной черной икры, по внешнему виду и вкусу практически неотличимой
от натуральной (во всяком случае, большинство людей разницы не замечает). Сам
я лет пять назад, будучи студентом, подрабатывал именно в таком цехе у армян,
хотя пробовать мне ее приходилось и гораздо раньше. Проработал я там, около
года, потом хозяева, армяне, уехали, вроде как заграницу и увезли
оборудование . Себестоимость такой икры была, наверное, раз в сто меньше натуральной. И
прибыль составляла порядка 300 процентов, это притом что продавали они ее
раза в 3 дешевле натуральной. Чертежи и описание оборудование мне удалось
найти совсем недавно, а без оборудования даже зная технологию, о собственном
производстве можно и не думать. Ростовчане предлагают подобное оборудование,
но цены...., в тысячах у.е. Хотя сложного там ничего нет, все может сделать
простой токарь из нержавейки, оборудование не большое, может уместиться на
столе, главное чертежи.
Так вот теперь о «новом взгляде», задача этого оборудования, делать
пустотелые шарики из пищевого желатина, внутри которых и находится состав по вкусу
и цвету идентичный натуральному, те черной икре.
Почему только черной? Видимо раньше вкусовые и цветовые добавки не были
столь широко распространенны как сейчас, все делалось только из того, что
есть, те из натуральных компонентов и это накладывало ограничения.
Недавно купил в магазине филе из селедки, перекрашенную под красную рыбу,
более того она была пропитана вкусовыми добавками идентичными вкусу красной
рыбы.
Значит и можно подобрать и добавки, и делать и красную икру. Более того,
можно делать ее любого цвета и вкуса! Конечно, тут свое слово должен сказать
технолог по пищевому производству. Может среди читателей такой есть?
Далее спрашивают как с сертификацией и продажей икры. Если вы собираетесь
ее фасовать и продавать, то тогда необходим сертификат качества (стоит около
1500 рублей) . Для его получения необходимо получить ГОСТ или ТУ (стоит 3000
рублей). Скорее всего, ГОСТ или ТУ уже есть, ведь ее лет 5 назад продавали и
сейчас продают, здесь лучше проконсультироваться с технологом. Если же вы ее
собираетесь продавать там, где и делаете, в кафе, столовой и т.п. То
сертификат не нужен, также как он не нужен на бутерброды, салаты и т.п.
Главное чтоб торговля была не дальше 10 метров (в разных городах это
расстояние может быть резным) от точки питания.
Как еще можно использовать эту технологию? Можно добавлять эту икру в
бутербродное масло, здесь прибыль еще больше. Можно изготавливать это
оборудование и продавать его, себестоимость максимум 5 000 рублей. Можно просто
продавать шарики из желатина потребителям и точкам питания, а они на свой вкус
пусть наполняют их, чем хотят, это не сложно. Наполняются они за счет
разности плотности растворов, к примеру, если шарик из желатина с водой внутри,
поместить в раствор рассола, то через некоторое время раствор заместит воду в
шарике.
КАК УВЕЛИЧИТЬ СРОКИ ХРАНЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ИКРЫ
И.В. Кузнецов
Наши читатели уже начавшие производство искусственной черной икры сообщают,
что им удалось существенно увеличить сроки хранения икры. Ниже приводятся
предложенные способы.
1. Способом глубокой заморозки от -18°С, срок хранения увеличивается до 20
дней. При последующей разморозке необходимо слить образовавшийся конденсат,
его удается избежать при быстрой заморозке (на установках для заморозки
мороженного или заморозка обычными холодильниками, но маленьких партий, чтоб
теплоемкость замораживаемого продукта, была существенно меньше мощности
холодильника) , при разморозке в УВЧ печках конденсат также не образуется.
2. Антисептитическая обработка, методом облучения ультрафиолетовыми
лампами, время экспозиции зависит от мощности ламп и объема тары, далее икра
герметично запаивается в полипропиленовые стаканчики или закрывается в
стеклянные банки. Срок хранения увеличивается до 90 дней.
3. В качестве антисептиков в икру кладут сорбиновую кислоту. Плюс масло и
глицерин, чтоб икринки не слипались. Количество добавок подбирают
экспериментально , т.к. оно индивидуально от качества исходного продукта. Срок хранения
увеличивается до 60 дней. (Необходимо помнить об аллергических реакциях и
индивидуальной непереносимости препаратов, впрочем как и любых медикаментов).
ДОМАШНИЙ МИНИ-ЗАВОД ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ
ИСКУССТВЕННОЙ ЧЕРНОЙ И КРАСНОЙ ИКРЫ
ПЕРВЫЙ СПОСОБ
1. Подготовка
исходных компонентов
а) . Приготовление дубильного раствора: 300 г черного чая залить 5 литрами
воды и кипятить 10 минут, затем отфильтровать.
б) . Приготовление красящего раствора: на аптекарских весах отвесить 10 г
обводненного хлорного железа. Поместить развеску в 10-литровую стеклянную
банку, залить 50 куб. см кипяченой воды на 20-30 минут. После растворения
добавить 4 литра холодной кипяченой воды. Отфильтровать и охладить до
температуры 15°С.
Подготовку и хранение реактивов рекомендуется проводить в помещениях, где
нет пищевых продуктов. Держать концентрированные растворы категорически
запрещается !
в). Подготовка растительного масла: свежее растительное масло поместить в
холодильник.
г). Подготовка воды: вскипятить 15 литров воды.
д). Подготовка молока: вскипятить 1500 куб. см молока и охладить до 10°С.
е) . Подготовка вкусовой заправки: в качестве вкусовой заправки можно
использовать рассол от сельди "иваси".
ж) . Подготовка соляного раствора: в 500 куб. см холодной кипяченой воды
растворить 4 столовые ложки поваренной соли. Перемешать.
3). Подготовка эмульсии: приготовить филе из одной банки сельди "иваси" 1,5
кг и довести его с помощью миксера до кондиции однородной эмульсии.
2. Устройство установки
Стеклянную ветровую трубку (можно от лампы дневного света) установить в
вертикальном положении, герметично соединить ее нижний конец с горловиной 3-х
литровой банки. В самом верху, в стенке трубки надо проделать отверстие для
слива вытесняемого масла. Всей этой конструкции необходимо обеспечить хорошую
охлаждаемость. Нужно приготовить шприц больших размеров, диаметр иглы 0,4 мм.
3. Изготовление икры
190 г пищевого желатина залить 750 куб. см холодной кипяченой воды,
перемешать . Обеспечить набухание желатина в течение 4 0 минут. Затем залить желатин
1500 куб. см холодного кипяченого молока. Помешивая, растворить на слабом
огне. Отфильтровать и перелить в шприц. В трубку устройства залить холодное
растительное масло (рафинированное) так, чтобы до сливного отверстия осталось
несколько сантиметров. Температура масла не должна быть выше 10°С. Быстро
вспрыснуть содержимое шприца в трубку под давлением 10 кг/см2. Струя молока с
желатином с силой ударяясь в масло, образует гранулы диаметром 3 мм (размер
гранул регулируется силой впрыска). Гранулы оседают на дно банки, выталкивая
при этом масло в сливное отверстие. По окончании формирования гранул банку
из-под трубки убрать, предварительно слив из трубки масло. Переложить гранулы
в сито и сильной струей холодной воды сбить с поверхности гранул масляную
пленку.
4. Дубление и
окраска гранул
Откалиброванные гранулы поместить в кастрюлю, залить 4 литрами холодного
отфильтрованного чая (300 г черного чая на 5 литров воды) , 30 минут дубить
гранулы в этом растворе, постоянно перемешивая. Затем промыть, поместить в
кастрюлю с 0,1%-ным раствором хлорного железа (можно применять другие пищевые
красители), помешивая, добиться нужной окраски. Нормальный цвет должен быть
темно-серым. После окраски тщательно промыть гранулы холодной кипяченой
водой. Поместить в сито, находящееся в кастрюле, помешивая, залить гранулы
соляным раствором (пол литра воды и 4 ст. ложки соли) . Настоять 10 минут и
слить раствор. Дать раствору слиться в течение 10 минут. Переложить в кастрю-
лю, залить вкусовым раствором (рассол от сельди типа Иваси). Дать раствору
впитаться в течение 15 минут. Переложить гранулы в эмульсию сельди (1,5 кг
сельди типа Иваси довести с помощью миксера до однородной эмульсии) и
перемешать. Слить избыток эмульсии через 10 минут.
ИКРА ГОТОВА !
Хранить в холодильнике не более 7 суток, верхний слой смазать растительным
маслом во избежание высыхания.
ВТОРОЙ СПОСОБ
Способ получения веществ зернистой структуры: Из раствора белковых веществ
(казеина) и студнеобразователя (желатина) формируют гранулы икры. Затем их
дубят экстрактом растительных веществ (экстрактом чая), окрашивают задублен-
ные гранулы раствором хлорного железа. Затем обрабатывают раствором пектина и
раствором хлористого кальция (для создания дополнительной термической
оболочки) . После этого гранулы икры солят и добавляют к ним вкусовые и
ароматические вещества.
Для приготовления зернистой икры типа осетровых: Берут 150-170 г пищевого
казеина, который растворяют при перемешивании 1-2 часа в 0,1%-ном растворе
натриевой щелочи при 50-60°С. В полученный раствор казеина вводят при
перемешивании 50-75 г пищевого желатина в виде 20-60%-ного раствора в воде.
Перемешивание продолжается еще в течение 0,5-1 часа при 40-60°С. Полученную смесь
формуют при 40-85°С в виде разбившейся на капли струи в толстый слой
жидкости, верхний слой которой подогревают до 15-45°С, а нижний слой охлажден до
4-7°С.
Студнеобразные зерна сначала отделяют от масла (кукурузного,
подсолнечного) , промывают водой в течение 1-5 минут при перемешивании, затем отделяют от
воды и обрабатывают водным раствором зеленого чая, который готовят кипячением
150-200 г чая в 4 л воды в течение 1 часа и перед употреблением охлаждают до
4-7° С. Дубление зерен ведут при их перемешивании в экстракте при температуре
4-15° С в течение 20-35 минут, до образования на поверхности плотной, слегка
желтоватой оболочки продукта дубления.
Гранулы промывают 1-5 минут холодной водой (можно раствором аминокислот).
Переносят для окрашивания на 1-10 минут в раствор 0,01-1% солей
трехвалентного железа, вводят вкусовые и ароматические вещества (рыбий жир, сок сельди,
паста сельди в растительном масле).
ТРЕТИЙ СПОСОБ
Технология приготовления
искусственной "красной"
икры и икры минтая
Нужно взять 0,5 кг сельди (или другой соленой рыбы) , по одному стакану
(около 200 г) томатного сока, подсолнечного масла, манной крупы и 4 средних
луковицы.
Смешать сок с маслом и закипятить. В кипящую смесь тонкой струйкой всыпать
манную крупу; при этом все время помешивая, проварить 3-5 минут на слабом
огне . Затем снять с огня и поставить остывать. Пока стынет смесь, почистить
сельдь, снять с нее шкурку, отделить мясо от костей и пропустить через
мясорубку; почистить лук и также смолоть. Полученный рыбный фарш тщательно
перемешать с охлажденной смесью из томатного сока, подсолнечного масла и манки.
Затем дать немного отстояться и пропустить через гранулятор или просто
мазать на хлеб и есть с чаем.
Акцент
ШАРОВАЯ МОЛНИЯ - ЕДИНСТВО ПРОТИВОРЕЧИЙ
A.M. Хазен
«Она окружена тайной - а тайна волнует».
Артур Конан Дойл, Записки о Шерлоке Холмсе.
§ 1. Шаровая молния -
реальное природное явление
Среди явления природы, сохраняющих таинственность еще не объясненного
наукой, видное место занимает шаровая молния. Академик В.Л. Гинзбург в одной из
своих статей ставит вопрос о раскрытии природы шаровой молнии в один ряд с
такими проблемами, как познание строения элементарных частиц или открытие
высокотемпературной сверхпроводимости.
Что такое шаровая молния? Над этим размышляют в течение многих веков. Каких
только предположений на этот счет не высказывалось! Критиковать гипотезы -
задача неблагодарная, да и сделано это уже много раз. Известные гипотезы1 и
правдоподобны (в той или иной степени), и имеют определенные обоснования, но
они не замкнуты: в каждой из них есть, по крайней мере, одно предположение,
которое связано с решающим противоречием известным процессам и законам
природы. Это ясно понимают все, в том числе и авторы существующих гипотез, хотя
они и не всегда готовы это признавать.
Анализ многих из них содержится в книге: Сингер С. Природа шаровой молнии. - М. : Мир,
1973.
На чем же строить объяснения шаровой молнии, описанной в тысячах
опубликованных наблюдений? Что является твердым фундаментом для ее исследования в
море фактов и подробностей, которые сообщаются случайными свидетелями, и
точность которых всегда может быть оспорена?
Главным является утверждение о том, что шаровая молния как реальное
природное явление существует!
В Окридже (США), в Лаборатории атомной энергии была проведена анкета -
опрос о наблюдениях шаровой молнии. Из 19 923 опрошенных, 513 человек, т.е.
3,2%, видели шаровую молнию. Аналогичный опрос в США проводился NASA. В нем
участвовало 1764 сотрудника исследовательского центра в Льюисе. Из них
шаровую молнию видели 10%. В Советском Союзе сведения о наблюдениях шаровой
молнии в 1975 г. собрал журнал «Наука и жизнь». Его результаты обобщили
сообщения 1062 очевидцев2.
В любой аудитории из 50-100 человек при вопросе «Кто видел шаровую молнию?»
обязательно находится один-два желающих рассказать о своих личных
впечатлениях. На лекции автора о шаровой молнии в Центральном лектории Политехнического
музея в Москве в 1985 г. таких желающих оказалось даже шесть.
Каждый человек с младенческого возраста десятки и сотни раз видел линейную
молнию. Но спросите соседей и сослуживцев или попутчиков в дальней дороге:
многие ли из них видели непосредственно во время грозы именно то место, куда
ударила линейная молния? Окажется, что таких людей довольно мало: примерно в
два раза больше тех, кто видел шаровую молнию.
Как обычно очевидцы описывают шаровую молнию? Приведем некоторые из
опубликованных или устно сообщенных автору наблюдений.
«Молния ударила в металлический насос колодца, расположенного у крыльца
дома. Несколько «шаров» прокатилось по всей поверхности крыльца, наверное 30
футов, и потом без следа исчезли». (1 фут = 0,30 м.)
«Шаровая молния была красная с белым свечением внутри».
«Разряд молнии ударил в дерево и расщепил его. Из дерева выплыл шар,
передвигаясь горизонтально по прямой. Он остановился на расстоянии около 20 ярдов
от дерева, казалось, начал вращаться или вибрировать и с треском взорвался».
(1 ярд = 0,91 м.)
«Я стоял на крутом берегу озера, радиусом около четверти мили. Молния
ударила в центр озера, появился шар, пропутешествовал приблизительно 100 ярдов
по озеру на расстоянии 10-15 футов над его поверхностью, ударился о воду,
отскочил от нее, ударился снова примерно через сотню ярдов и затем внезапно
исчез , поднявшись опять в воздух».
«Молния, вероятно, ударила в наш дом или около. Проволока внешней антенны
была расщеплена, но не расплавилась. Там, где антенна входила в комнату, окно
было немного открыто. Казалось, что шар возник на окне, очень быстро полетел
к центру комнаты и вылетел».
«Это произошло после того, как молния ударила в столб электропередачи. Шар,
казалось, двигался по направлению к столбу, через улицу, над человеком. . .
Человек был ослеплен, загорел, но не получил никаких повреждений».
«Я видел, как огненный шар опустился с неба и ударился о колючую проволоку,
прикрепленную к деревянному забору. В течение нескольких минут шар двигался
вдоль проволоки и затем исчез. Появление шара сопровождал странный шуршащий
звук. Сначала шар казался больше чем в конце. Я полагаю, что диаметр шара был
не менее 4 дюймов, но и не более 18 дюймов. Я осмотрел забор через несколько
минут после исчезновения шара и обнаружил, что концы зажимов были теплыми и
немного обгоревшими, только свободная часть была обожжена».
«Через несколько секунд, после того как в окрестности ударила молния, мы
2 Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. - М.: ЭнергоатомиЗдат, 1985.
обнаружили, что около дома короткими змеевидными толчками передвигается ярко
светящаяся сфера величиной с кулак. Затем этот светящийся шар проник через
закрытое окно в комнату, на глубине примерно трех футов он совершил
неожиданный поворот на девяносто градусов параллельно стене и продвинулся еще на метр
дальше в глубь комнаты. Затем он взорвался, и светящаяся сфера исчезла с
коротким оглушающим звуком. В течение всего времени существования шаровая
молния была багряного оттенка. Она существовала приблизительно в течение трех
секунд. Ни в комнате, ни вне ее не было обнаружено каких-либо разрушений или
повреждений. После взрыва светящегося шара мы почувствовали типичный запах,
который появляется при электрических разрядах».
«Необычно длинная и яркая молния начала передвигаться по небу с юга на
север. На ее конце закручивалась спираль, из которой появилась светящаяся
сферическая форма, медленно опускавшаяся на землю. Очевидно, эта сфера
вращалась. Длительность всего этого явления, начиная от возникновения и кончая
затуханием на поле, составляла 80 секунд по часам. Шаровая молния ударилась в
100 метрах от места наблюдения с глухим шумом, напоминающим извлечение пробки
из бутылки ».
Вся эта группа наблюдений относится к 30-60 годам XX столетия. В основном
они сделаны людьми, в той или иной степени осведомленными о шаровой молнии. А
вот группа наблюдений конца прошлого - начала нашего века, когда о шаровой
молнии слышали немногие.
«Свидетелем был почтальон, который утверждал, что ничего не знал про
шаровую молнию. Он был на дороге и увидел серо-темное облако, из которого свисало
что-то похожее на штанину. Внезапно нечто похожее на золотой бочонок упало из
этой штанины. Это тело опустилось около телефонного столба с громким треском.
У него было впечатление, что оно ударилось о столб. Потом оттуда появилась
настоящая молния, и один из разрядов ударил в школу. Он был удивлен тем, что
не мог понять, сопровождается ли треск громом или нет. До этого шел небольшой
дождь, а потом пошел град. Свидетель также утверждает, что в течение
короткого времени деревья были похожи на новогоднюю елку, украшенную свечами на
иголках».
«В 1912 г. во время моих летних каникул я гулял по лесу в Маклебурге и
наблюдал за сильной грозой, которая удалялась. Был вечер и воздух был чист.
Внезапно я увидел огненный шар, поднимающийся на расстоянии, которое я не мог
определить. Сначала я полагал, что этим шаром была ракета. Но очень медленное
движение со спиральным вращением и с изменяющейся скоростью заставило меня
подумать, что это была легендарная шаровая молния. Шаровая молния несколько
раз изменяла свой путь от горизонтального к вертикальному. Она совершили
несколько колебаний, после чего стала неразличимой. Затухание не сопровождалось
звуком. Строго сферической формы, она приблизительно была равна грецкому
ореху. Я точно не помню цвет ее свечения, но, кажется, он был либо оранжевый,
либо зеленоватый и во время затухания она изменяла оттенки. Шаровая молния
была светящейся, яркой, но не ослепительной».
«1895 г. Перед нашим домом было больше открытое поле. В этот день по
области передвигалась сильная гроза, и я наблюдал яркие разряды молний, ударяющие
в землю, затем была пауза. В этот момент неожиданно появилась светящаяся
желтовато-красноватая сфера. Никогда не слыхав раньше про шаровую молнию, я
полагал, что это был метеорит или что-нибудь вроде этого. Сфера была размером с
поднимающуюся полную луну и имела четкие очертания: ее внешняя поверхность
казалась похожей на красивое яркое кольцо, как будто у сферы была оболочка.
Молния опускалась очень медленно. Когда она ударилась о небольшой заброшенный
коттедж, произошел сильный взрыв, как будто взорвалась бомба. Загорелись
бочки, и коттедж был разрушен».
«1890 г. Свидетель правил в своей коляске открытого типа с четырьмя лошадь-
ми и довольно большими деревянными колесами со стальными ободами,
находящимися на стальных осях. Движение происходило по загородной дороге, по обеим
сторонам находились железные заборы. Небо было покрыто тучами, но дождя не было.
Два очень ярких шара размером с человеческую голову появились по обеим
сторонам дороги и начали двигаться с такой же скоростью, как и коляска. Множество
искр летело от этих шаров к металлическим осям коляски. Лошади задрожали и
побежали быстрее, но чем быстрее двигалась коляска, тем быстрее передвигались
и огненные шары, пока коляска не подъехала к тому месту, где кончились
железные заборы. Тогда оба шара исчезли без взрыва с шумом, похожим на шорох листа
бумаги».
Имеется сообщение о том, как шаровая молния прошла через стекло окна,
оставив в нем почти совершенно круглое отверстие диаметром 28 см. Затем она
разорвалась на земле под окном. Свечение ее было бледно-голубого цвета, а
очертания неясны. Шар появился вскоре после разряда линейной молнии в дерево возле
окна комнаты, соседней с той, где были наблюдатели.
Академик Г.И. Петров, когда автор на его семинаре докладывал свою теорию
шаровой молнии, рассказал, что он сам видел это явление внутри помещения типа
производственного корпуса со старинной паровой машиной. Светящийся шар влетел
в окно и двигался под потолком, огибая металлические балки.
Отметим два наблюдения, описанные в книге И.П. Стаханова, упомянутой выше.
Имел место случай выстрела с расстояния примерно в 15 метров в шаровую
молнию из дробовика. Молния только слегка покачнулась и просуществовала после
этого не менее 40 с.
Спящий наблюдатель проснулся («показалось, что выстрелил карабин»), увидел
вытянутый по направлению движения белый «клубок», который плавно скользил
вдоль стен по периметру комнаты и вылетел в окно. Утром оказалось, что у
стоявшего рядом с изголовьем карабина оплавлена верхняя головка шомпола, но
натеков нет - металл как бы испарился. Других проявлений теплового эффекта
нигде не было обнаружено.
Часто цитируют описание случая, когда служитель взмахами метлы выгнал из
церкви шаровую молнию.
О поражении электрическим током, явно связанном с шаровой молнией,
рассказал автору А. Любарский. Шаровая молния влетела в деревянную будку-вагончик,
установленную для буровой бригады непосредственно около буровой вышки.
Шаровая молния коснулась головы одного из рабочих бригады, который погиб. На полу
и в ботинках погибшего был обнаружен небольшой след каких-то электрических
процессов, но ожогов на теле не было. Инженер Ю. Булычев рассказал случай,
происшедший с его близкими, когда шаровая молния размером с апельсин влетела
в окно и закончила свой путь на электропроводке обычной осветительной
лампочки. Электропроводка обгорела, как будто по ней прошел большой ток.
Во время поездки из Москвы в Муром на окраинах Владимира автор подобрал
попутчика - участкового инспектора. Тот рассказывал о местных
достопримечательностях и, в частности, без каких-либо наводящих вопросов сообщил о шаровой
молнии, которую видел на Оке. Она двигалась вдоль поверхности воды на
некотором расстоянии от нее и обогнула лодку, в которой он сидел.
Еще два описания, сообщенные автору людьми, в наблюдательности которых
сомневаться нет оснований. Оба случая относятся к их детским годам.
Инженер Е. Сорокина: как возникла шаровая молния, и был ли при этом дождь -
не помнит, находилась она в то время в Москве, в квартире в районе Садово-
Самотечной улицы. Светящийся шар сел на подоконник у закрытого окна с
промежутками между областями свечения и подоконником, проминаясь как легкий
воздушный шар. «Он был мохнатый».
Специалист в области механики, профессор Ю. Шевелев наблюдал шаровую молнию
в детстве на Кавказе. Наиболее запомнившееся впечатление: «Она была, как бы
составлена из иголок». Возникновение ее в помещении было связано с антенной
радиоприемника.
Последние наблюдения надо подчеркнуть. В описаниях очевидцев характеристика
поверхности шаровой молнии встречается не часто. Но еще известный астроном
Камилл Фламмарион, в наблюдательности которого нет оснований, характеризовал
шаровую молнию, как «пушистого котенка», который влетел в комнату и прошел
мимо него, сидящего в кресле, не коснувшись.
Если обобщить множество известных сегодня наблюдений, то получится внешне
противоречивый набор характерных свойств, которые, несомненно, относятся к
одному и тому же явлению природы - шаровой молнии:
• Возникновение шаровой молнии: наиболее часто - вблизи места удара линейной
молнии. Но имеется значительное число наблюдений, когда шаровая молния
появляется, а обычной молнии нет, и даже есть единичные случаи, когда
шаровую молнию видели при ясном небе. Немало наблюдений, когда в создании
шаровой молнии участвуют проводящие предметы - заостренные металлические
детали, антенны, провода, столбы электропередачи. Очевидцы обычно отмечают
признаки, указывающие на наличие высокой напряженности электрического поля
при возникновении шаровой молнии, в частности, коронирование с
металлических предметов.
• Исчезновение шаровой молнии: наиболее часто - путем плавного затухания,
без эффектов выделения большой энергии; отмечается запах, характерный для
газовых разрядов в атмосфере. Но в то же время есть наблюдения, при
которых исчезновение шаровой молнии достоверно сопровождается взрывом,
разрушениями, выделением достаточно больших количеств тепла, оплавлением
металла, песка и пр. При исчезновении шаровой молнии нередко описываются
эффекты, связанные с протеканием относительно большого электрического тока:
оплавление электропроводки, следы небольших искровых каналов.
• Стационарное состояние шаровой молнии характеризуется наличием выраженного
максимума частоты наблюдений в функции от ее диаметра, лежащего в
интервале 10-30 сантиметров, и практически отсутствием зависимости числа
наблюдений от времени существования шаровой молнии в зоне от 1 до 200 секунд.
Цвет свечения шаровой молнии может быть разнообразным: красным, желтым,
белым, голубым, но минимум наблюдений отмечается для зеленых оттенков. Для
шаровой молнии не характерны ни большая яркость свечения, ни эффекты,
которые могли бы рассматриваться как свидетельства термически равновесного
излучения: ее свечение похоже на свечение тлеющего разряда, даже
упоминается о прозрачности шаровой молнии. Иногда наблюдатели отмечают в шаровой
молнии более яркое ядро, реже структуры с повышенной яркостью границы.
Довольно часто упоминаются эффекты, которые связывают с вращением шаровой
молнии.
• Форму шаровой молнии часто описывают как овальную, близкую к шару или в
точности как шар. Очень редко встречаются указания на форму, которую можно
отождествить с тороидом. Наличие «нити», на которую «нанизана» шаровая
молния, с выступами в местах ее входа и выхода замечают чаще. Достоверно,
что поверхность шаровой молнии в ряде наблюдений характеризуется как
«мохнатая» , состоящая из «иголок». Очень мало внимания в описаниях очевидцев
уделяется весьма важному фактору - пронизывали или нет капли дождя шаровую
молнию, но достоверно, что много наблюдений относится к тому случаю, когда
непосредственно дождь через шаровую молнию не проходил. Есть упоминания об
охотнике, выстрелившем в шаровую молнию из дробовика, но неясно, попал он
в нее или нет, и какая была дробь. Во всяком случае, на молнию это влияния
не оказало. Искрение от шаровой молнии и внутри нее - часто упоминаемая
подробность.
• Локализация и движение шаровой молнии содержит постоянно подтверждаемую
особенность: оно закономерно, в большинстве наблюдений, обнаруживается
вблизи предметов на поверхности земли или в атмосфере (вблизи самолетов);
при этом движется, как правило, вдоль предметов и поверхностей (земли,
стен и пр.) на определенном расстоянии. Правда, она может, как бы упруго
отскакивать от них или исчезать при касании. Проникновение шаровой молнии
внутрь домов очень часто фигурирует в описаниях очевидцев. Достоверно, что
шаровая молния может двигаться как с потоками воздуха, так и против них.
Есть случаи проникновения шаровой молнии через стекла окон с разрушением
их на площади, отождествляемой с размером шаровой молнии. Иногда
наблюдается проникновение шаровой молнии в помещение через печные и каминные
трубы, через оконные проемы, щели, меньшие диаметра шаровой молнии.
Достоверно, что заметного взаимодействия шаровой молнии с ферромагнетиками
нет. Из биологических эффектов иногда отмечаются онемения рук и ног, загар,
но ожоги совершенно нетипичны. Смертельные исходы, связанные с шаровой
молнией, явно происходят от воздействия электрического тока.
Конечно, описания шаровой молнии очевидцами всегда неполные, пропущены
подробности, связанные с «привычным», например, о каплях дождя. В анкетах,
адресованных очевидцам, не сформулированы те или иные важные вопросы. При анализе
и передаче в статьях наблюдений «насилия» над ними все-таки встречаются: на
неточность или неполноту иногда «списываются» подробности, противоречащие той
или иной гипотезе.
Автор не пытался в приведенном выше описании свойств шаровой молнии
сгладить противоречия, и этот комплекс свойств можно считать достоверно
подтвержденным наблюдениями3.
Дело не в том, эквивалентен ли взрыв шаровой молнии ста или десяти граммам
тротила; важно, что для одного и того же явления природы наблюдаются
существенно разные по энергии реализации. Не в том дело, что нет единого цвета
свечения шаровой молнии; отсутствие равновесного теплового излучения - вот в чем
достоверная особенность шаровой молнии. Не пытаться подогнать весь неточную
статистику времени жизни шаровой молнии под «две экспоненты» и разделить их
на короткоживущие и долгоживущие, а констатировать, что нет преимущественного
времени существования шаровой молнии, - вот объективный вывод из наблюдений.
Только на основе непредвзятого отношения к наблюдениям, только исходя из
реальности их противоречивости, можно найти ключ к пониманию того, что такое
шаровая молния. И в силу обязательности причинно-следственных связей, если
строить гипотезы о природе шаровой молнии, то в первую очередь следует
учитывать ее неразрывную, неотъемлемую связь с грозой, в том числе и при «громе с
ясного неба». Ведь само название феномена - пусть и шаровая, но все-таки
молния !
А что же такое обыкновенная гроза и обыкновенная молния?
§ 2. Гроза,
линейная молния
Одним из незыблемых принципов электромагнетизма является утверждение о том,
что для накопления зарядов разных знаков в разных точках пространства
необходимы силы не электрического происхождения - сторонние силы. В батарейке
карманного фонарика - это химические реакции, на электростанции - это работа
расширения пара, вращающего турбину и соединенный с нею генератор, на
спутниках в солнечных батареях - это энергия излучения солнца, создающая фотоэлек-
Нет ничего противоречивей показаний свидетелей. Это вам любой следователь подтвердит
(прим. ред.).
троны а полупроводниковых пластинах. Сторонняя сила, создающая разность
потенциалов, необходимую для пробоя атмосферы, т.е. для возникновения молнии,
связана с разностью температур между поверхностью земли и верхними слоями
атмосферы. Вызванные этой разностью температур коллективные движения воздуха,
несущие в себе огромные запасы механической энергии, есть источник
возникновения разницы потенциалов между грозовыми облаками или между облаками и
землей. Именно поэтому там, где нет большого перепада температур, где солнечный
нагрев поверхности земли относительно мал, например, в приполярных районах
земного шара, грозы - редкость. «Устройство» генератора, преобразующего
механическую работу в электрическую энергию, существенно связано с парами воды в
атмосфере, с процессами в отдельных каплях и кристаллах льда, возникающими
при конденсации из атмосферной влаги. Поэтому в горячих пустынях, где
солнечный нагрев велик, где существуют мощные конвективные потоки, грозы также
редки: источник сторонних сил, механической работы, есть, но нет генератора
электричества, существенно связанного с влагой.
В тропиках, где велики и перепады температур и влажность, число гроз
рекордное . Так, например, в районе индонезийского города Багор в западной части
Явы молнии бывают почти ежедневно, в то время как в Центральной Европе в
среднем в году от 15 до 25 грозовых дней.
По оценкам специалистов, на землю ежедневно обрушивается 45 тысяч гроз. В
течение года происходит примерно три миллиарда ударов молний. По имеющимся,
например, для США данным число жертв молний в год доходит до 10 тыс.
С тех пор, как в 1752 г. Бенджамен Франклин и почти одновременно с ним М.В.
Ломоносов и Г.В. Рихман доказали электрическую природу молнии, многим
кажется, что гроза - обыденное явление, полностью описанное учеными и известное во
всех подробностях. В действительности это не так. Хотя за прошедшие более 200
лет про грозы и молнию стало известно многое, хотя защита от молнии
существенно продвинулась вперед, еще нет полностью достоверной теории, описывающей
как возникновение разности потенциалов при грозе, так и пробой атмосферы
молнией.
Однако сегодня про грозы и образование молнии известно многое, и
существующие теории, опирающиеся на многочисленные эксперименты, пусть и не
исчерпывающе полно, но, тем не менее, достаточно подробно для многих применений
описывают большинство деталей и процесса разделения зарядов в атмосфере, и
пробоя .
При грозе возможны как положительно, так и отрицательно заряженные по
отношению к земле облака. Суммарная разность потенциалов при грозе, вызывающая
линейную молнию, может достигать тысяч миллионов вольт (109 В) . Подобные
разности потенциалов в лабораторных установках пока еще не реализованы.
Электрический заряд в облаке распределяется сложным образом, а в
образовании линейной молнии могут участвовать заряды, величиной порядка 40 Кл.
Значительная часть пробоев, связанных с молнией, происходит внутри грозовых
облаков или между ними. Но и пробои облако-земля также весьма часты. В дальнейшем
для краткости будет говориться только о пробоях облако-земля, хотя все
описанное относится и к пробоям облако-облако.
Возникновение линейной молнии проходит ряд фаз. Когда разность потенциалов
между облаком и землей достигает экстремальных значений, начинается развитие
первой фазы молнии - ступенчатого лидера. Это многократно повторяющийся в
течение малого времени процесс развития последовательности электронных лавин,
постепенно продвигающихся все дальше и дальше в промежутке облако-земля. В
этом процессе нарастает осредненная ионизация в некотором канале, соединяющем
заряды облака и землю. Возможно ветвление этих лавин, возможно их прекращение
без полного пробоя, т.е. без создания высокоионизированного канала от облака
к земле.
Но даже возникновение такого канала еще не завершает пробой. Собственно
заряд конденсатора облако-земля возникает на фазе возвратного удара, когда в
уже сформировавшемся канале линейной молнии с огромной скоростью (~ 108 м/с)
распространяются области существенно повышенной ионизации и начинают течь
экстремально большие токи до 100 ООО А.
В этой фазе разряда температура в канале линейной молнии поднимается до 30
ООО тыс. градусов и нагрев носит термически равновесный характер. Но этим
разряд конденсатора облако-земля не закончен. Возможно до 20-40 импульсов
тока в канале линейной молнии, и только тогда канал начнет распадаться и
исчезнет, а вместе с тем резко упадет разность потенциалов облако-земля. В случае,
если очередной импульс тока запаздывает во времени из-за конечной скорости
притока зарядов из облака к основанию линейной молнии, то последующие пробои
в этом же канале предваряются фазой ступенчатого лидера.
Данные об основных стадиях развития линейной молнии.
Ступенчатый лидер:
• Длина ступени 3 - 200 м.
• Интервал времени между ступенями 30 - 125 мкс.
• Средняя скорость распространения ступенчатого лидера 1,5-105 - 2,6-106
м/с.
• Средний ток 100 А.
• Заряд, переносимый по каналу ступенчатого лидера 3-20 Кл.
• Средний диаметр по свечению 1-10 см.
Возвратный удар:
• Скорость распространения 2-107 - 1,4-1О8 м/с.
• Скорость нарастания тока 1 - 80 и более кА/мкс.
• Время пикового тока 1-30 мкс.
• Пиковый ток 10 - 110 кА.
• Длина канала молнии 2-14 км.
Вспышка молнии:
• Число импульсов на вспышку 1 - 40.
• Интервал между импульсами 3-100 мс.
• Продолжительность вспышки 0,01 - 2 с (есть сообщения о вспышках
длительностью до 15-20 с) .
• Величина переносимого в целом заряда 3-90 Кл.
Основные положения теории искрового пробоя и, в частности, пробоя молнии
разработаны в 30-х годах нашего века. Сейчас они существенно уточняются, но
этот процесс еще не завершен.
Отметим особенности линейной молнии. Во-первых, области земли, над которыми
электрическое поле при грозе экстремально, очень велики - квадратные
километры. Место удара молнии зависит не столько от приповерхностных слоев почвы,
сколько от таких факторов, как уровень подпочвенных вод или наличие глубинных
геологических разломов. Кстати, из-за конденсации атмосферной влаги уровень
подпочвенных вод под строениями всегда выше, чем на открытой местности, что
увеличивает частоту поражений зданий при грозе. Во-вторых, при любом ударе
линейной молнии есть пути ее развития, на которых пробой не завершается, и не
так уж мало случаев, когда начавшееся развитие молнии остается вообще неза-
вершенным, в том числе и развитие по уже реализованному ранее каналу. В
третьих, в атмосфере частота соударений электронов, играющих главную роль в
развитии пробоя, с нейтральными молекулами настолько велика, что, казалось
бы, невозможно развитие известных в физике плазмы процессов, которые
превращают электрический разряд в генератор монохроматических радиоволн. Однако
твердо установленным экспериментальным фактом является то, что при разрядах
молнии электромагнитное излучение возникает не только в форме
широкодиапазонных «тресков» в радиовещательном диапазоне, но и в виде монохроматического,
как у хорошего передатчика, излучения на высоких частотах при длинах волн от
десятков сантиметров, до миллиметров.
Исследования такого радиоизлучения сегодня широко проводятся с
использованием искусственных спутников Земли4, а первые измерения проводились в начале
60- годов наземной аппаратурой.
Объяснение шаровой молнии следует искать, прежде всего, в том, что отличает
грозу от других явлений природы - электрический пробой, возникновение
плазменных сгустков, грозовое электрическое поле, радиоизлучение.
§ 3. Противоречия
гипотезы - основа
решения задачи
Процесс формирования гипотез - субъективный. Проанализировав наблюдения,
обобщая известные для близких областей науки решения, можно интуитивно понять
сущность данного явления. Не исключено, что другой человек на той же основе
будет считать ответственным за то же явление другой класс законов природы.
Поэтому после того как гипотеза сформулирована, ее нужно проверять
объективно, используя известные методологические приемы.
В математике, в частности, широко используется способ логических
рассуждений, связанный с понятием о необходимых и достаточных условиях. Необходимо -
это значит: допустим, что данное утверждение истинно, проверим, что из этого
следует, какие условия должны обязательно выполняться. Необходимые условия,
однако, еще не гарантируют, что утверждение реализуется: может быть этих
условий недостаточно, что-то еще пропущено.
Следуя такому методу, сформулируем утверждение: шаровая молния есть
стационарно существующий в электрическом поле грозы плазменный сгусток с нетепловым
характером оптического излучения, перемещающийся под действием
газодинамических и электрических сил.
Что необходимо должно выполняться5, если исходить из реальности такого
утверждения?
Сразу же возникает, казалось бы, очевидное противоречие - рассеяние энергии
и электростатическая неустойчивость распределенных зарядов исключает
возможность существования подобного сгустка в течение времени, превышающего 10~2 -
10~7 секунды.
Но, как сказал Шерлок Холмс, ничто так не обманчиво, как слишком очевидные
факты, поэтому, во-первых, необходимо исключить из рассмотрения модели
шаровой молнии, предполагающие ее существование без подвода энергии извне; во-
вторых, надо искать класс процессов, в котором электростатическая
неустойчивость может быть подавлена. Известно, что при наличии колебаний электромаг-
См., например, Качурин Л.Г., Полтинников В.И. О селекции теплового и нетеплового
радиоизлучения при Зондировании Земли со спутников // Физика атмосферы и океана. - 1976. - № 9. -С.
947.
5 Изложенное ниже основано на работе: ХаЗен A.M. Шаровая молния: стационарное состояние,
подвод энергии, условия возникновения // Доклады АН СССР. - 1977. - Т. 235, №2. - С. 288-
291.
нитного поля (волн в плазменном сгустке) ограничения электростатики на
устойчивое равновесие снимаются.
Подвод энергии извне в виде радиоволн нереален6 следствие - высокочастотные
колебания должны быть заперты внутри плазменного сгустка, а относительно
малый дефицит энергии, расходуемый на оптическое излучение и разлет электронов,
должен восполняться электрическим полем грозы с преобразованием внутри
шаровой молнии его энергии в радиочастотные колебания.
Для того чтобы электромагнитное поле могло оказаться локализованным в
некотором объеме, например шарообразном, необходимо наличие у него отражающей
границы. Отражение радиоволн возможно в том случае, если по радиусу сгустка
плазмы будет определенным образом изменяться диэлектрическая проницаемость
среды. Хорошо известно, что для радиоволн диэлектрическая проницаемость
среды, содержащей свободные электроны, зависит от их концентрации (вспомните о
радиосвязи на коротких волнах в ионосфере). В силу исходного утверждения
плазменный сгусток распадается, концентрация электронов из-за этого в нем
изменяется по мере удаления от центра сгустка, а вместе с ней меняется и
диэлектрическая проницаемость, т.е. могут возникнуть условия для реализации
отражающей границы.
Правда, для ионосферы справедливо условие: частота поля много больше
частоты соударений электронов с нейтральными молекулами, а вблизи земли выполнение
этого условия осуществимо при частотах, близких к оптическим, что
неправдоподобно для шаровой молнии. Отметим этот настораживающий факт, но рассуждения,
тем не менее, продолжим.
Хорошо известно из экспериментов, что обычная молния является источником
монохроматического радиоизлучения в освоенных техникой (и наиболее вероятных
для шаровой молнии) радиолокационных диапазонах волн, а ведь ограничения на
взаимосвязь частоты соударений и частоты радиоколебаний должны проявляться и
при генерации этих волн.
Но независимо от условий не столкновения, на нашем пути новое противоречие:
электромагнитное поле, отражаясь от границы сгустка, должно оказывать на нее
давление и поэтому, казалось бы, стационарно не может быть локализовано в
объеме плазмы. Ведь опирающихся на что-либо границ сгустка нет. Это
противоречие снимается той известной особенностью электромагнитных процессов, в силу
которой действующие на диэлектрическую среду силы зависят не от самого
высокочастотного поля, а от градиента квадрата его напряженности и
диэлектрической проницаемости среды - от осредненных по периоду высокочастотного поля
величин. Поэтому свободные электроны, определяющие диэлектрическую
проницаемость в нашей задаче, будут получать от поля импульс, разбрасывающий их. Это,
как струя в реактивном двигателе, уравновесит силы на границе плазменного
сгустка, а переданный этими электронами окружающему газу импульс создаст
«опору» плазменного сгустка, определяющую возможность его движения вместе с
нейтральными потоками в атмосфере.
Ионизация, вызванная внутри сгустка высокочастотным полем, будет
компенсировать убыль частиц.
Таким образом, утверждение о том, что шаровая молния является плазменным
сгустком, необходимо приводит к тому, что в этом сгустке должны быть
возбуждены и поддерживаться высокочастотные электромагнитные колебания, а рассеяние
частиц и их рождение обязано быть связано с пространственным распределением в
сгустке амплитуд этих колебаний. Тогда сгусток сможет устойчиво существовать,
сохранять форму, двигаться вместе с потоком воздуха именно потому, что он все
время рассеивает составляющие его частицы.
6 Читатель должен помнить о сводке свойств шаровой молнии и проверять, как это делал и
автор , не возникают ли непреодолимые противоречия с фактами.
Кроме того, рассеяние частиц увеличивает проводимость воздуха вокруг
шаровой молнии. Даже тогда, когда электрическое поле грозы меньше, чем необходимо
для развития пробоя, например, внутри помещений, в нем существуют токи
утечки, но нет видимых эффектов. Повышенная проводимость концентрирует токи
утечки, в том числе и без свечения.
Количественные оценки показывают, что такой процесс обеспечивает
достаточный подвод энергии для того, чтобы восполнить ее потери с разлетающимися
частицами и свечением шаровой молнии.
Механизм превращения энергии постоянного поля в радиоволны для неоднородных
плазменных сгустков известен - это генерация электрическим током продольных
волн плотности зарядов и их трансформация на неоднородной границе сгустка в
поперечные электромагнитные волны.
Процессы в плазме, использованные выше для объяснения шаровой молнии,
хорошо исследованы теоретически и экспериментально, устойчиво воспроизводятся в
достаточно широком диапазоне условий. Однако вряд ли они в шаровой молнии
реализуются в точности так же, как в научных лабораториях последних
десятилетий. В начале этого параграфа упоминалось о настораживающем характере
возможной оценки частоты колебаний, вытекающей из условия на частоту соударений
электронов с нейтральными молекулами. Поэтому все изложенное выше станет
более убедительным, если установить специфику процессов соударений электронов
именно в атмосфере7.
Оказывается, что основные составляющие атмосферы - азот и кислород -
определяют такую зависимость частоты соударений электронов с молекулами воздуха в
функции от их кинетической энергии, что сила сопротивления движению
электронов при их определенных энергиях падает. Этот эффект имеет место как раз в
зоне тех энергий, которые электрон должен приобрести в поле высокочастотных
колебаний внутри шаровой молнии. Это важно для реализации процессов подвода
энергии к шаровой молнии путем генерации и поддержания высокочастотных
колебаний в ней. Процессы в плазме можно описывать не только так, как это сделано
выше, но и на основе понятия о функции распределения электронов по величине
кинетической энергии. Но в электрическом поле падающий участок характеристики
частоты соударений обеспечивает формирование отклонения функции распределения
от так называемой Максвелловской, характерной для равновесных процессов. Это
есть опять-таки необходимое условие развития всех тех процессов, о которых
говорилось раньше.
Обратившись к истории науки, мы найдем интересный аналог нашей модели
шаровой молнии. На рубеже XX века В. Томсоном (лордом Кельвином) и его
однофамильцем Дж. Дж. Томсоном была предложена модель атома-шара, состоящего из
многих тысяч распределенных в пространстве отрицательных (электронах) и
положительных электрических зарядов. Вскоре известные опыты Э. Резерфорда
показали, что в атоме есть «твердое» ядро. Остроумные попытки Дж. Дж. Томсона
примирить свою модель с этим фактом не выдержали испытания временем. Атом с
ядром в виде одной частицы и вращающимися вокруг него отдельными электронами
стал общепризнанным. Его математическая модель основана на уравнениях Шрёдин-
гера для функции ф , связанной с вероятностью нахождения электрона в заданной
точке пространства.
Предложенная модель шаровой молнии - это и есть природная реализация атома
Томсона, устойчиво существующего при подводе энергии извне.
В математическом смысле между описанием атома на основе уравнения Шрёдинге-
ра и шаровой молнии как атома Томсона справедлива прямая и эффективная анало-
Именно в этих вопросах существенно сказывается конкретная специфика Земной атмосферы.
Важна дисперсия диэлектрической проницаемости, а электронный механизм ее возникновения не
единственный , можно предложить и другие.
гия.
Если рассматривать переменное электромагнитное поле в среде с неоднородной
диэлектрической проницаемостью, то его потенциал ср будет описываться
уравнением типа Шрёдингера. В частности, для случая квазинейтральной плазмы при
специфическом предположении (вектор напряженности электрического поля
перпендикулярен градиенту диэлектрической проницаемости) для электрического
потенциала ф можно записать уравнение, полностью аналогичное уравнению Шрёдингера
для электрона в кулоновском поле ядра атома. Тот член в уравнении, который
при описании атома отвечает закону взаимодействия электрона и ядра, для
переменной ф в виде электрического потенциала будет отражать распределение в
пространстве диэлектрической проницаемости среды. Квантовые условия,
определяющие энергетические уровни для электрона в атоме, превратятся в условия,
связывающие длину волны колебаний с размерами шаровой молнии.
Решение уравнения даст пространственное распределение потенциала запертого
в шаровой молнии высокочастотного электромагнитного поля. Можно задать
распределение диэлектрической проницаемости в плазме шаровой молнии и
проанализировать получающиеся решения. Например, для аналога уравнения Шрёдингера,
описывающего электрон в кулоновском ядре атома, примененного к шаровой
молнии, диэлектрическая проницаемость вне шаровой молнии окажется отрицательной.
Это означает, что в пространстве вне шаровой молнии за счет каких-то
источников должен поддерживаться избыток энергии. Такой механизм подвода энергии к
шаровой молнии противоречит тому, что известно о грозе.
Противоречие не случайно. Ведь для электронов в реальных атомах характерно
«вечное движение» без потерь, а шаровая молния обязательно требует подвода к
ней энергии.
И опять противоречие указывает правильный дальнейший путь. При строгом, без
искусственных упрощающих предположений, выводе уравнений для потенциалов
электромагнитного поля в неоднородной среде в них обязательно появляются
члены, описывающие потоки и положительное или отрицательное затухание. Но потоки
связаны с диффузией заряженных частиц, а отрицательное затухание есть способ
подвода энергии к шаровой молнии, введенный нами при описании ее модели.
Появляется возможность вместо волевого задания распределения в пространстве
диэлектрической проницаемости (концентрации заряженных частиц) рассмотреть
самосогласованную систему уравнений электромагнитного поля и диффузии частиц.
Это сразу дает подсказку - какие и где искать особенности законов соударения
и диффузии для процессов в атмосфере при нормальном давлении8.
§ 4. Модель шаровой
молнии и наблюдения
Основные особенности модели шаровой молнии, описанной в предыдущем
параграфе, заключаются в следующем.
Шаровая молния - плазменный сгусток. Его существование как целого, форму,
свечение определяют запертые в нем электромагнитные высокочастотные
колебания. Он непрерывно получает энергию от постоянного электрического поля грозы.
Сгусток рассеивает электроны.
В проверке реальности такой модели нам поможет сопоставление с
наблюдениями. Разобьем его на группы так же, как это сделано в § 1 при обобщении
наблюдений очевидцев.
Подробнее см. : ХаЗен A.M. Уравнения для описания шаровой молнии и способ ее
экспериментального воспроизведения. // Ломоносовские чтения. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - С.
Возникновение
шаровой молнии
В процессе формирования пробоя линейной молнии происходит генерация
радиоволн. Этот факт подтверждается многочисленными наблюдениями. На генерацию
радиоволн должна быть затрачена энергия; именно поэтому даже возможно
прекращение линейного пробоя. Развитие разряда связано с ионизацией, возникающие при
этом неоднородности концентрации электронов могут создать условия для
отражения радиоволн. Ионизация перед границей отражения несколько повысится, и
появятся условия для запирания колебаний в плазменном резонаторе; это и означает
возникновение шаровой молнии. Поэтому, как и следует из наблюдений, шаровая
молния может возникать как в связи с ударом линейной молнии, так и в
результате процессов в не завершившихся каналах линейной молнии. Если ни один из
путей начавшегося разряда не приведет к завершению линейного пробоя, то
появление шаровой молнии вообще не будет видимым образом связано с линейной
молнией, так как линейная молния становится таковой только на стадии возвратного
удара. В частности, поскольку «гром с ясного неба» - реальность многовековых
наблюдений, шаровая молния может в редких случаях возникать и при ясном небе.
Вместе с тем существует и второй равноправно реализуемый механизм
возникновения шаровой молнии. Он связан с ударами линейной молнии в проводящие или
слабо проводящие предметы. В этом случае токи растекания от основного
импульса молнии создают перенапряжения на острых выступах предметов - проводов,
стволов деревьев и пр. Начинается коронирование, создающее ионизированный газ
- плазму. Но проводники являются неплохими поверхностными волнопроводами,
канализирующими высокочастотную энергию. Поэтому в зону плазмы коронного
разряда одновременно подводится и энергия высокочастотных колебания, генерируемых
каналом линейной молнии. Далее процессы идентичны описанным выше: поднимается
ионизация, высокочастотное поле формирует плазменный резонатор, запирающий
колебания, и шаровая молния начинает самостоятельное существование.
Прочитайте внимательно еще раз наблюдения очевидцев и убедитесь, что противоречий с
ними нет.
В многочисленных наблюдениях очевидцев фигурирует еще и процесс появления
шаровой молнии, т.е. не возникновение ее непосредственно в зоне видимости, а
приход ее откуда-то из-за пределов видимости. Это объясняется тем, что из-за
наличия в атмосфере не только электронов и положительных ионов, но еще и
отрицательных ионов для шаровой молнии неизбежен малый нескомпенсированный
заряд, так как подвижности электронов и отрицательных ионов существенно
различны. Но поле грозы может иметь относительно земли разные знаки. Поэтому где бы
в атмосфере ни возникла шаровая молния, она неизбежно будет либо подниматься
вверх, либо опускаться к земле, двигаясь при этом в зоны концентрации
электрического поля. Связь повышенной напряженности грозового поля и мест, где
могут находиться люди, существует. Поэтому на больших высотах шаровая молния
закономерно движется вблизи самолетов и пр., а на земле - вблизи домов,
колодцев , линий электропередачи и пр. , т.е. в зоне повышенной вероятности ее
наблюдения.
Как видите, без каких-либо натяжек, казалось бы, принципиально
противоречивые наблюдения шаровой молнии оказываются объединенными общим механизмом.
Исчезновение
шаровой молнии
Камнем преткновения для всех известных гипотез является вопрос о внутренней
энергии шаровой молнии, о противоречии между многочисленными наблюдениями, с
одной стороны, плавного затухания шаровой молнии и, с другой стороны - более
или менее разрушительных взрывов, сопровождающих ее исчезновение.
В нашей модели такого противоречия нет. Шаровая молния непрерывно получает
энергию от грозового поля. Интенсивность подвода энергии зависит от
неизвестных наблюдателю факторов: напряженности грозового поля, проводимости
атмосферы, взаимодействия разбрасываемых шаровой молнией электронов с окружающими
предметами. Поэтому существуют две возможности исчезновения шаровой молнии.
Первая возможность: уменьшение подвода энергии, сопровождающееся затуханием
колебаний в шаровой молнии, когда остается только запах, связанный с
ионизационными процессами.
Вторая возможность: неожиданное, не связанное с видимыми эффектами для
наблюдателя увеличение подвода энергии. Частота колебаний в шаровой молнии по
порядку величины не должна быть меньше 109 Гц, а характерное время тепловых
процессов - 10~2 - 10~3 с. За это время в резонаторе шаровой молнии может
произойти несколько миллионов колебаний, амплитуда которых должна возрастать,
как в обычном генераторе. Поэтому при улучшении условий подвода энергии
резонатор, образованный шаровой молнией, может не успеть распасться. К моменту
его разрушения энергия шаровой молнии возрастет настолько, что срыв колебаний
позволит выделиться теплу небольшого взрыва. В наблюдениях взрывы оцениваются
как эквивалентные не более чем 100 г тротила, что вполне соответствует
изложенному выше.
После исчезновения шаровой молнии часто наблюдаются искровые каналы,
оплавления электропроводки и т.п. С точки зрения описанной модели это вполне
логично. Пока шаровая молния существовала, не вызывающий свечения ток поля
грозы был распределен на относительно большой площади, его энергия уходила но
поддержание колебаний в резонаторе шаровой молнии, и поэтому протекание тока
по окружающим предметам не создавало видимых эффектов («темновой ток»). Но
генерация в резонаторе сорвана, шаровая молния исчезла, образовавшие ее
частицы больше не участвуют в высокочастотных процессах, а поле грозы
существует . Повышение проводимости за счет частиц из распавшейся шаровой молнии
концентрирует ток, т.е. развивается локальный микропробой. Токи в нем невелики -
от десятых долей ампера до десятков ампер, но для поражения электрическим
током со смертельным исходом, для обугливания дерева и даже для оплавления
тонких осветительных проводов этого вполне достаточно.
Стационарное состояние
шаровой молнии
Диапазон частот колебаний, которые могут быть заперты в резонаторе шаровой
молнии, не может быть очень большим, так как эти частоты определяются
параметрами атмосферы. С частотой колебаний связаны размеры резонатора, т.е.
видимые размеры шаровой молнии. Поэтому должен существовать преимущественный
размер шаровых молний. Достоверным результатом наблюдений является наличие
такого выделенного размера, а именно: максимум наблюдений шаровых молний
отвечает диаметрам 10-30 см.
Поскольку шаровая молния получает энергию извне и согласно описанной выше
модели при стабилизированных условиях подвода энергии может существовать
сколь угодно долго, то соответственно нет преимущественной длительности ее
существования. Но достоверным результатом обобщения наблюдений очевидцев
является именно независимость частоты наблюдений от времени существования
шаровой молнии. Малое количество очень короткоживущих (менее 0,5 с) и очень дол-
гоживущих (более 200 с) шаровых молний - это особенность условий наблюдения:
долгоживущую шаровую молнию легче рассмотреть и запомнить, чем ту, которая
промелькнет за полсекунды.
Вероятность времени наблюдения шаровой молнии более 100-200 с мала не толь-
ко из-за того, что она за это время вполне может уйти из поля зрения. Большое
время сохранения в атмосфере стабильного грозового поля также маловероятно.
Цвет шаровой молнии, что совершенно естественно для газовых разрядов, в
частности и для высокочастотных, очень сильно зависит от малых примесей в
атмосфере и, кроме того, может меняться при изменении амплитуды колебаний в
резонаторе шаровой молнии. Красно-фиолетовые цвета связаны со свечением азота,
желтые - с натрием, который всегда может оказаться в атмосфере (поваренная
соль, например), отсюда и разнообразные желто-красные оттенки (их могут
давать и частички пыли); бело-голубые цвета характерны для свечения кислорода;
зеленый же цвет для шаровых молний редок, так как он связан с атомами меди
или сложными возбуждениями аргона, а ни то, ни другое не характерно для
атмосферы .
Ядро шаровой молнии, эффекты, отождествляемые с вращением, - все это
особенности конкретных свечений высокочастотного разряда в газе, когда возможны,
в частности, изменения в яркости, принимаемые за вращение. Нет никаких
запретов ни на свечения столь малой интенсивности, что шаровая молния будет
прозрачной, ни на возбуждение ультрафиолетового излучения, связанного с
наблюдениями загара от шаровой молнии, ни на повышенную яркость свечения при наличии
примесей, дающих больший выход излучения. Как видите, и в этих вопросах
противоречивость наблюдений - довод в пользу справедливости описанной выше
модели шаровой молнии.
Форма
шаровой
молнии
Круглая форма шаровой молнии - естественное следствие того, что генерация в
резонаторе более вероятно возникает на первой моде колебаний, связанной со
сферической симметрией. Овальные формы могут быть проявлением действия
постоянного поля грозы, немного возмущающего форму резонатора. Упоминаемые
наблюдателями «нити» и «выступы» в местах их входа - ставшая видимой концентрация,
вообще говоря, невидимого свечения тока, подводящего энергию к шаровой
молнии. Очень редко встречающиеся упоминания о сложных формах шаровой молнии -
это, соответственно, и более редкое возбуждение высших мод колебаний.
Изменение диаметра шаровой молнии, отмечаемое некоторыми наблюдателями, -
это изменение частоты колебаний в резонаторе из-за каких-то (невооруженным
глазом не наблюдаемых) изменений в атмосфере. Разбиение шаровой молнии на
несколько меньших - переход на генерацию высших гармоник колебаний, для которых
сохранение единого резонатора, работающего на этих модах, менее вероятно.
Кстати, первая мода колебаний в «гибком» резонаторе может давать именно
такие его формы, какие дает упругая сфера, т.е. шаровая молния может
прогибаться и претерпевать другие изменения формы.
«Мохнатая поверхность», поверхность, «состоящая из иголок», - результат
более интенсивного разброса электронов градиентом осредненного высокочастотного
электрического поля.
Часто наблюдаемое искрение от шаровой молнии - это концентрация
разбрасываемыми шаровой молнией электронами темнового тока ее питания.
Длина волны колебаний, ответственных за существование шаровой молнии,
должна быть порядка ее размеров. Капли дождя малы по отношению к таким размерам.
Дифракция запертых в резонаторе волн на этих каплях должна давать небольшие
изменения параметров шаровой молнии. Кроме того, дождевая вода содержит очень
мало солей и поэтому почти идеальный диэлектрик; потери в каплях могут и не
срывать колебания в резонаторе.
Было бы очень интересно получить от читателей, среди которых должно ока-
заться немало очевидцев шаровой молнии, письма с более подробным описанием
взаимодействия шаровой молнии и капель дождя. Интересно, как связано число
наблюдений шаровой молнии, пронизываемой дождем, с местом, где происходит
наблюдение - в большом городе или «в чистом поле». В городах неизбежно
загрязнение капель в процессе их падения, рост их проводимости.
Что касается случая, когда охотник выстрелил в шаровую молнию, то, если он
в нее попал, мелкая дробь имеет достаточно высокую проводимость, чтобы из-за
эффектов скин-слоя потери в ней мало влияли на затухание колебаний.
Локализация и
движение
шаровой молнии
Отметим, во-первых, небольшой нескомпенсированный заряд шаровой молнии
сложного состава. Так как электростатические силы велики, то, на какую бы
компоненту заряженных частиц ни действовала бы сила со стороны грозового
поля, двигаться будет весь коллектив частиц.
Еще одна электрическая причина движения шаровой молнии - это силы,
связанные с возникновением для проводящих тел эквивалента повышенной
диэлектрической проницаемости и движения их при наличии градиента электрического поля
противоположным образом в зависимости от того, как задано поле: постоянными
зарядами или постоянными потенциалами проводников.
Шаровая молния потому так упорно залетает в окна домов и форточки, что под
домами из-за конденсации атмосферной влаги всегда повышен уровень грунтовых
вод, т.е. существует концентрация грозового поля. Что касается экранирующего
действия крыш и т.п., то, во-первых, не всегда известно даже строителям -
заземлены они или нет; во-вторых, если рассматривать конфигурации поля в
конкретной конструкции дома, цеха или иного сооружения, то окажется, что
непроникание в них грозового поля справедливо не всегда; в-третьих, если заданы
постоянные заряды проводников, т.е. ограничен приток зарядов к крышам и др. ,
то молния как проводящая сфера будет выталкиваться электростатическими силами
в область пониженной напряженности поля. Например, подлет шаровой молнии к
дому вызван силами, действующими на нескомпенсированные заряды.
Непосредственно вблизи дома и внутри него влажность меняется. Это меняет ионный состав
шаровой молнии, и на первый план выходят силы, действующие на нее как на
диэлектрик. Поэтому, продолжая движение, она стремится в области пониженной
напряженности поля, существующие внутри домов.
Ни одна из ранее предложенных моделей не смогла убедительно связать то, что
сообщают очевидцы, с основными законами аэродинамики: не смогла объяснить,
почему устойчив, т.е. не распадается выделенный объем газа - шаровая молния,
движущийся сквозь атмосферу. Правда, известны некоторые сравнительно
устойчивые аэродинамические конфигурации типа «колец», выпускаемых курильщиками, но
они ничуть не похожи на шаровую молнию. В предложенной нами модели форма
сгустка частиц сохраняется не из-за отличия от частиц газа, в котором они
движутся, а из-за высокочастотного электромагнитного поля. Время жизни частиц,
образующих резонатор, очень мало. Движется или покоится шаровая молния -
практически это не сказывается на расходовании ее энергии: все время
ионизируются новые частицы. Кстати, дисперсия диэлектрической проницаемости должна
существовать в высокочастотном поле и для нейтральных молекул. Это неизбежно
приведет к возникновению сил, действующих селективно по видам молекул на
нейтральные компоненты атмосферных газов, эквивалентных поверхностному
натяжению. Отсюда возможность механической причины движения шаровой молнии,
заключающейся в той или иной ее плавучести.
Из наблюдений следует возможность чисто газодинамических причин движения
шаровой молнии. Как уже упоминалось в предыдущем параграфе, электроны,
разбрасываемые высокочастотным электромагнитным полем от границ резонатора,
передают свой импульс молекулам нейтрального газа. Тем самым весь резонатор
шаровой молнии вместе с его высокочастотным полем оказывается «опертым» на
окружающий газ. Поэтому сквозняки, взмахи метлой (в рассказе о церковном
стороже, выгнавшем шаровую молнию) способны управлять движением шаровой молнии
точно так же, как они управляют движением легкого воздушного шарика: шаровая
молния движется вместе с потоками газа. Но так будет только в том случае,
если по каким-либо причинам электрические силы, действующие на шаровую молнию,
малы по отношению к газодинамическим. Как только это условие нарушается,
шаровая молния начинает столь же свободно двигаться против потоков воздуха.
Конкуренция между четырьмя видами сил, вызывающих движение шаровой молнии,
может приводить к «смене победителей».
Нескомпенсированный электрический заряд зависит от тонких особенностей
состава атмосферы, диэлектрические силы - от проводимости атмосферы и
сопротивлений утечки предметов в окрестности шаровой молнии. Характер движения в этих
случаях диаметрально противоположно будет определяться градиентами грозового
поля.
Во всех наблюдениях отмечается характерное для шаровой молнии огибание
препятствий, движение на постоянном расстоянии от них. Легкий воздушный шарик в
помещении под действием сквозняков будет двигаться именно так, как движется
шаровая молния, огибая препятствия. Шаровая молния рассеивает электроны, а
этим, с одной стороны, заряжает окружающие предметы, а с другой - создает
механический импульс, передаваемый газу, - очень легкий «ветерок»,
стабилизирующий расстояние до препятствий. Шаровая молния довольно часто не только
наталкивается на предметы, но и заведомо стремится к ним. Значит, есть и
электрические силы. И если электрические силы - определяющие, то шаровая молния
будет проникать и через стекла домов, как это изредка наблюдается:
высокочастотное поле проходит через слой диэлектрика, много меньший длины волны
колебаний, и вызывает ионизацию по другую его сторону. В результате нагрева из-за
диэлектрических потерь возможно быстрое разрушение стекла на площади,
отождествляемой с диаметром шаровой молнии. А проникновение через щели обсуждать
трудно, пока не будут собраны сведения о деталях этого процесса (ширина
щелей , проводимость их поверхностей, наличие проводников, например, гвоздей,
ипр.).
То, что шаровая молния не взаимодействует с ферромагнетиками, естественно.
Для поля сверхвысоких частот, существующего в резонаторе шаровой молнии,
магнитная проницаемость железа близка к единице. Случаи оплавления металлических
предметов, изолированных от земли, не противоречат описанной модели. Речь
идет об относительно малых предметах, вызывающих только эффект дифракции.
Если же условия подвода энергии благоприятны, то энергии грозового поля может
хватить и на большее.
Возможно, что-то в этом сопоставлении свойств нашей модели и наблюдений
очевидцев оказалось пропущенным. Читатель дополнит автора самостоятельно, в
порядке, если угодно, «домашнего задания».
Что касается вопроса о том, насколько достоверны наблюдения, то нужно
заметить, что объективность требует учесть каждое описание шаровой молнии. Однако
ни одно отдельно взятое наблюдение нельзя считать «решающим экспериментом».
Например, если безоговорочно признать достоверность проникания шаровой молнии
через стекло, которое разрушено в пределах площади ее сечения, и знать, что
получившиеся осколки - мелкие и однородны по размерам, то пришлось бы
отбросить все модели, не связанные с высокочастотными колебаниями внутри шаровой
молнии. Но опираться можно только на наблюдения, коррелирующие со всем ком-
плексом известных свойств.
Можно ли искусственно воспроизвести шаровую молнию? Основываясь на
сказанном выше, можно дать утвердительный ответ.
Схему эксперимента можно представить в следующем виде. Возьмем проводник,
проходящий через центр антенны передатчика СВЧ. Вдоль проводника будет, как
по волноводу, распространяться электромагнитная волна. Такой способ СВЧ-
колебаний иногда используется. Проводник возьмем достаточно длинный, чтобы
антенна непосредственно электростатически не влияла на его свободный конец.
Подключим этот проводник к импульсному генератору высокого напряжения и,
включая генератор СВЧ, подадим на него короткий импульс напряжения,
достаточный для того, чтобы на свободном конце мог возникнуть коронный разряд.
Импульс высокого постоянного напряжения сформируем так, чтобы после его заднего
фронта напряжение на проводнике падало не до нуля, а сохранялось на уровне,
меньшем необходимого для коронирования. Если менять амплитуду и время
импульса постоянного напряжения, варьировать частоту и амплитуду поля СВЧ,
влажность , то шаровая молния должна появиться, т.е. после выключения переменного
поля на конце проводника должен остаться и, возможно, даже отделиться от
проводника светящийся плазменный сгусток.
Автора нередко спрашивали на лекциях, опасна ли шаровая молния, что делать,
если она появилась вблизи? Безусловно, опасна: появление шаровой молнии есть
предупреждение, что человек находится в зоне экстремальных значений
напряженности грозового поля со всеми вытекающими последствиями. Может, в частности,
произойти пусть незавершенный, только начинающийся, пробой атмосферы, но
этого достаточно для смертельного исхода. Вместе с тем ясно, что при появлении
шаровой молнии следует избегать резких движений. То, что она обогнет
человека, очень вероятно и подтверждается многими наблюдениями. Но при резком
движении человек может сам наткнуться на шаровую молнию и нарушить в ней
высокочастотные колебания. Тогда произойдет развитие на месте шаровой молнии
небольшого искрового канала и результат неизбежно окажется трагическим.
Отмечаемые некоторыми очевидцами биологические эффекты типа онемения рук
или ног иногда происходят при воздействии поля СВЧ. Поэтому получение
человеком от шаровой молнии радиочастотного облучения в опасном количестве, к
сожалению , не исключено.
Лаборатория
О ПЛАЗМОИДАХ И ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Буров. В.Ф.
К плазменным образованиям или так называемым плазмоидам сегодня принято
относить не только неопознанные летающие объекты (НЛО), шаровые молнии (ШМ), но
и все, что локализовано в свободном пространстве и светится какое-либо время
без видимого потребления энергии.
Научные сотрудники и прочие любопытствующие, чтобы понять природу плазмой-
дов, не ограничиваются природными наблюдениями и описаниями очевидцев,
пытаются получить плазмоиды в лабораторных условиях.
Возможно, первые шаровые плазмоиды в лаборатории были получены еще в начале
прошлого века известнейшим изобретателем Никола Тесла с помощью
высоковольтных разрядов на изобретенном им резонансном трансформаторе. Многие считают,
что ему действительно удалось получить настоящие шаровые молнии.
Автор настоящей статьи, в течение несколько лет работал над получением
лабораторных плазмоидов с помощью энергии микроволнового излучения, так
называемых свободно парящих СВЧ-плазмоидов.
Несколько лет назад автору удалось получить в микроволновой печи СВЧ-
плазмоиды, похожие на шаровые молнии (фото. 1).
Наиболее впечатляющие результаты получаются, если при инициации плазменных
разрядов в резонаторе (в камере) микроволновой печи используется элемент из
металла, например, медная, стальная и др. проволочка, а также инициатор из
углерода или органики. Испарившиеся в СВЧ-поле и превратившиеся в плазму
мельчайшие количества вещества инициатора образуют каркас (основу) для плаз-
моида эллипсоидной формы, размером около 1/2 длины волны. Плазмоид, поглощая
микроволновую энергию, все превращает воздух внутри себя в плазму, тем самым,
накапливая внутри тепловую энергию. Замыкая на себя СВЧ-поле печки, он
понижает добротность резонатора (камеры), препятствует рождению нового плазмоида.
Всплывая вверх под действием Архимедовой силы, он практически не меняют своих
размеров и, ударившись о верхнюю стенку камеры СВЧ-печи, тихо "умирает",
отдав запасенную тепловую энергию стенке и освободив камеру для рождения нового
плазмоида.
В 2005 г. удалось вместо прямоугольного объема микроволновой печки
использовать цилиндрический резонатор. В резонаторе можно инициировать плазмоид,
плазма которого выводится наружу через отверстие, в торце резонатора,
благодаря подаваемому внутрь воздуху. Получился СВЧ-плазмотрон (см. фото. 2).
Одним из способов зажигания и поддержания стабильного горения
«безэлектродной» СВЧ-плаЗмы является возбуждение электромагнитного поля СВЧ высокой
напряженности в объемном резонаторе генератором достаточной мощности. Высокая
напряженность электрического поля в этом случае создается за счет явления
резонанса волн в замкнутом объеме металлического резонатора.
Радиус цилиндра резонатора а выбирается из условия1 Акр > Ао, где
Акр = 2я/uoi - критическая длина волны волновода, на котором построен
резонатор, параметр Uoi =2,405 - корень функции Бесселя J0(u)=0.
Длина резонатора определяется выражениями: L=Ab/2,
Ав =1/((1/Ао)2 - (1/Акр)2)172;
Ширман Я.Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. - М. : Гос. изд. Лит-ры по вопр. Связи и
радио, 1959, - 380 с.
Фото 1. СВЧ-плазмоид типа "шаровая молния" в микроволновой печке.
Объем пустого резонатора Vo в длинах волн:
Vo/(Ao)3 = яа2Ь/(Ао)3 = я (а/Ао)2/2/(1 - (и01Хо/ (2 я а))2)1/2,
Ао, Ав - длина волны СВЧ-поля в свободном пространстве и в резонаторе
соответственно .
Анализ формул показал, что минимальный объем резонатора соответствует
радиусу цилиндра а/Ао=0,467, длине L/Ao =0,877 и составляет Vo/(Ао)3=0,598.
Рис. 1. Структура электрического и магнитного полей
типа Е011 в цилиндрическом резонаторе.
Резонатор имеет две пучности стоячей волны у центров торцевых стенок (рис.
1) . Расположив в одной пучности возбуждающий элемент СВЧ-генератора, можно
получить такую напряженность поля, при которой возможна инициация
электрического пробоя плазмообразующего газа с образованием свободно парящего плазмои-
да у противоположной торца. Если сделать отверстие в этом месте и подать
через него какой-нибудь газ, то плазма под напором плазмообразующего газа,
расширяющегося под действием тепла, может быть выведена наружу в виде струи
(фото. 2) .
Фото 2. Фотография СВЧ-плазмотрона в действии.
Цилиндрический резонатор 2 экспериментального образца СВЧ-плазмотрона (фото
2) изготовлен из листовой латуни, сопло - металлическое. В качестве СВЧ-
генератора 1 применен магнетрон от бытовой микроволновой печи фирмы
«Samsung», мощностью 800 Вт. Для воздушного охлаждения магнетрона
использовался центробежный вентилятор 3.
По гибким трубкам 4 от компрессора (не показан) подавался плазмообразующий
газ - воздух, превращающийся в плазменную струю 5.
Расчеты2 показали, что разрядная мощность ненагруженного резонатора с
добротностью Qh = 2000 оценивается Рр = 5 кВт и почти в 6 раз превышает мощность
800 Вт СВЧ-генератора, применяемого в микроволновых печах.
Увеличить СВЧ-мощность вдвое (до 1500 Вт) удалось, включив дополнительный
источник питания от второй микроволновой печи.
Недостаточная мощность СВЧ-генератора потребовала первичной принудительной
инициации плазменного разряда металлической проволокой диаметром 0,2...0,5 мм
длиной 22...30 мм, которая перед включением магнетрона вводилась внутрь
резонатора через сопло. В течение первых 1-2 с после включения магнетрона инициатор
сгорал, возбуждая испарившимся металлом возле сопла плазмоид, горение
которого в дальнейшем поддерживалось СВЧ-энергией. Отбор от плазмоида плазмы и
вывод ее через сопло поддерживался непрерывным поступлением плазмообразующего
газа (воздуха) внутрь резонатора.
Наблюдение за характером движения плазмоида велось визуально по свечению,
видимому через ряд отверстий, выполненных в боковой стенке резонатора и
закрытых снаружи прозрачной пленкой. Отмечалось устойчивое горение плазмоида.
Длина плазменной струи и поперечные размеры плазмоида внутри резонатора
регулировались количеством подаваемого плазмообразующего газа. С увеличением
расхода плазмообразующего газа до 0,6 л/с длина плазменной струи возрастала,
достигала 60 мм, а при расходе 0,7... 1,0 л/с горение плазмоида срывалось. При
расходах плазмообразующего газа менее 0,2 л/с плазма сосредотачивалась внутри
резонатора, плазмоид под действием Архимедовой силы поднимался вверх, приводя
к заметному нагреву стенок.
Устойчивость горения СВЧ-плазмоида объясняется переходом плазмотрона в
автотермический режим после инициации в нем плазмы. Так, в начальный момент,
пока в резонаторе нет плазмы, добротность резонатора Qh и напряженность
электрического поля Ер в нем - максимальны. Это способствует инициации в
резонаторе электрического пробоя. При возникновении плазменного разряда добротность
резонатора резко уменьшается и становится близкой к 1, резонатор переходит в
режим хорошо согласованного нагруженного волновода. При погасании плазмоида
добротность резонатора резко возрастает, напряженность электрического поля
увеличивается, токи смещения возрастают, это приводит к восстановлению
плазмоида .
Стальная проволока диаметром 1 мм, внесенная в струю плазмы, перерезалась
плазменной струей за время не более 2 с.
Наиболее полное теоретическое обоснование плазмоидов дает Смирнов3 Б.М. Он,
пожалуй, первый высказал предположение, что основой плазмоида являются
фрактальные кластеры, структуры, состоящие из тончайшей сетки, образующейся в
результате конденсации металла после первичного испарения его при инициации, а
также окисла или углерода. Подтверждением идеи стали эксперименты К.Л. Корум
и Дж.Ф. Корум. Авторы получили разряды, аналогичные природной шаровой молнии,
на установке, в основу которой положен резонансный трансформатор Николы Тес-
Фельдштейн А. Л . , Явич Л.Р. , Смирнов В. П . Справочник по элементам волноводной техники. -
М. , - Л. : ГосэнергоиЗдат, 1963, - 360 с.
3 Смирнов Б.М. "Физика шаровой молнии" //УФН, 1990, т.160, вып.4.
ла. Авторы отмечают, что устойчивые плазмоиды с аномально большим временем
жизни получались, если электрод в момент разряда частично испарялся (возникал
так называемый эрозионный разряд).
Несколько лет назад Егоров А.И. Степанов СИ. и Шабанов Г.Д. из
Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова РАН опубликовали свои
эксперименты с т.н. гидратированными электрическими разрядами - плазмоидами,
которые они смело назвали шаровыми молниями. В этих работах авторы
производили на поверхности воды электрические разряды от заряженного конденсатора и
действительно получали объекты округлой формы, похожие на шаровые молнии со
сроком жизни до 1с. По скорости всплывания под действием Архимедовой силы в
атмосфере авторы оценили температуру объектов. Она составила 330 град С.
Авторы считают, что во время электрического разряда из воды в присутствии
металла или углерода образуются ионы водорода Н+ и ионы гидроксильной группы
ОН", которые затем, притягиваясь между собой, втягивают атомы водяного пара,
образуя также крупные связанные между собой образования - кластеры, аномально
долго находящиеся в устойчивом состоянии.
Автору не удалось получить положительный результат при воспроизведении
опытов получения плазмоидов с помощью кольца Мёбиуса, описанных автором Шахпаро-
новым4 И. М.
Более воспроизводимыми оказались эксперименты авторов Егорова А.И.
Степанова СИ. и Шабанова Г.Д. Для осуществления опыта была отрезана от пластиковой
бутылки емкостью 1,5 л верхняя часть. В пробке проделано отверстие, через
которое была пропущена керамическая трубка диаметром 5 мм. В нее была вставлена
медная проволока. Получился первый электрод. В конструкцию была налита вода
до уровня, при котором конец трубки выступал над поверхностью воды 1-2 мм, а
конец проволоки "выглядывал" из трубки наружу. Вода предварительно была
подсолена поваренной солью, для лучшей проводимости. В сосуд также было опущено
металлическое кольцо для обеспечения электрического контакта с водой - второй
электрод (рис. 2).
Блок конденсаторов емкостью 200 мкФ заряжался до напряжения 600-1200 В и
подключался к электродам прибора через катушку индуктивности 100 мГн и кон-
И.М.. Шахпаронов. Применение неориентированных контуров при генерации шаровых молний в
лабораторных условиях// Сб.ст. под ред. акад. РАЕН Р.Ф. Авраменко "Шаровая молния в
лаборатории". Изд. "Химия", М., 1994, с. 184-198.
■0
Рис. 2. Схема опыта для получения гидратированного плазмоида.
тактор. На выступающий из воды конец трубки была капнута капля воды, так
чтобы она замкнула первый электрод с водной поверхностью. После замыкания
контактора, получился электрический разряд в капле воды, которая, превратившись
в пар и плазму, сформировалась в светящийся плазмоид сфероидальной формы,
или, так называемый гидратированный разряд над водной поверхностью (фото. 3).
Поднесенная к плазмоиду бумажная полоска вспыхивала. Значит, температура
плазмоида была более 500 град С.
Интересно, что у исследователей Егорова А.И., Степанова СИ. и Шабанова
Г. Д. плазмоид поднимался на большую высоту. Вероятно, это можно объяснить
тем, что их плазмоиду в момент рождения придавался дополнительный импульс за
счет короткого диэлектрического цилиндрика, надетого на выступающий конец
керамической трубки. В этот цилиндрик авторы наливали каплю воды. При разряде
цилиндрик становится направляющим элементом, разгоняющим паро-плазменную
субстанцию.
Фото 3. Гидратированный разряд - плазмоид.
Выводы:
1. Гидратированные плазмоиды могут быть получены в результате электрических
разрядов в атмосфере влажного воздуха.
2. Температура плазмоидов не менее 500 град.С.
Лаборатория
ДЕМОНСТРАЦИЯ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
А.И. Егоров, СИ. Степанов, Г.Д. Шабанов
1. Введение1
Шаровая молния — красивое явление, сопровождающее электрический разряд во
влажном воздухе. Яркие округлые плазмоиды, всплывающие в притемненном
помещении, оставляют неизгладимое впечатление, особенно на очевидцев природного
феномена. Для физика-экспериментатора шаровая молния — это, прежде всего,
проявление особого и мало изученного состояния вещества — гидратированной
плазмы.
Гидратированная плазма образуется в тех случаях, когда в водяной пар или во
влажный воздух попадает популяция положительных и отрицательных ионов. При
сближении гидратированных ионов разного знака образуются кластеры с большим
дипольным моментом [1-2]. Из-за кластеризации плазмы процесс рекомбинации
ионов резко замедляется — аккумулированная энергия постепенно преобразуется в
световое излучение2.
Если создать во влажном воздухе плазменную струю и затормозить ее в
электрическом поле, то от струи отделится и поплывет автономный светящийся плаз-
моид. Как показало экспериментальное исследование [3] , — это клуб теплого
1 Смотрите также «Домашняя лаборатория» №11 За 2007 г.
2 Один из авторов, Шабанов Г.Д., придерживается иного взгляда на теоретическую модель
строения изучаемого плазмоида.
влажного воздуха, содержащий массу положительных и отрицательных ионов.
Избыток электронов, который всегда присутствует в плазменной струе, мигрирует к
поверхности плазмоида, отчего кластерный керн поляризуется и вокруг него
формируется тонкий слой, обогащенный отрицательными ионами.
2. Описание установки
Получать гидратированную плазму можно несколькими способами, самый простой
из них — импульсный разряд через тонкий слой воды. На рисунке 1 представлена
схема устройства, которое позволяет вводить обильную популяцию ионов разного
знака в клуб теплого воздуха, насыщенного водяными парами. Основу установки
составляет конденсаторная батарея, которую можно заряжать до 5,5 кВ. Для
демонстрационных опытов достаточно батареи емкостью 600-800 мкФ — в этом случае
количество электричества, участвующее в разряде, будет на один-два порядка
меньше, чем при природных явлениях, зато будут меньше и последствия случайных
пробоев.
Рис. 1. Установка для получения искусственных шаровых молний:
1 — полиэтиленовый сосуд, 2 — кольцевой электрод, 3 —
центральный электрод, 4 — конденсаторная батарея, 5 — разрядник,
6 — капля воды или водной суспензии, 7 — кварцевая трубка, 8
— угольный электрод, 9 — медная шина.
Полиэтиленовая чашка диаметром 18-20 см должна быть заполнена на 15 см сла-
бопроводящей водой. Можно использовать жесткую водопроводную воду с
содержанием СаНСОз и МдНСОз 5-7 мг-экв/л. На дно сосуда помещается кольцевой медный
электрод, соединенный изолированной медной шиной с положительным полюсом
конденсаторной батареи. Отрицательный полюс соединен с электродом, расположенным
в центре сосуда у поверхности воды и направленным в воздушное
полупространство. Этот цилиндрический электрод диаметром 3-5 мм можно изготовить из
стандартного угля для дугового спектрального анализа. Кварцевая трубочка, плотно
окружающая электрод, должна возвышаться над ним и над поверхностью воды на 3
- 5 мм.
Для получения искусственной шаровой молнии на центральный электрод наносят
1-2 капли воды. При быстром замыкании-размыкании разрядника из электрода с
легким хлопком вылетит плазменная струя, от которой отделится и поплывет в
воздухе светящийся плазмоид (рис. 2).
Рис. 2. Схема эксперимента.
3. Эксперименты с
шаровой молнией
Видеосъемка плазмоида позволяет определить время жизни шаровой молнии и ее
размеры (рис. 3). Кадры съемки разворачивают последовательные стадии
возникновения , развития и распада плазмоида. Округлую форму плазмоид приобретает
только при определенной и не очень высокой разности потенциалов между
электродами. Для установки, представленной на рис. 1, оптимальное напряжение
пробоя находится в пределах 4,4-5,5 кВ. При подборе оптимального напряжения
сначала отрабатывают технику получения плазмоидов при 4,8 кВ, а затем проходят
весь интервал, чтобы убедиться, что при высоких пробойных напряжениях
возрастает скорость рекомбинации ионов — плазмоид "выгорает".
При смене полярности электродов меняется картина разряда: из положительного
центрального электрода вылетает плазменная струя, от которой отделяется
плазмоид в виде маленького облачка неправильной формы. Время его жизни в
несколько раз меньше, чем у округлых плазмоидов, вылетающих с отрицательного
электрода . Этот эксперимент демонстрирует роль избытка электронов в формировании
шаровой молнии и ее внешней оболочки.
Рис. 3. Сформировавшаяся шаровая молния.
Рекомбинация ионов плазмоида ускоряется на металлических поверхностях, при
этом часть металла распыляется. Колечко из медной или нихромовой проволоки,
подвешенное на пути плазмоида, уменьшается по массе, что можно установить
контрольным взвешиванием. Известен случай, когда мощная шаровая молния
распылила целое обручальное кольцо и при этом не обожгла руку [4]'
Видеосъемка шаровой молнии на фоне масштабной двумерной сетки позволяет
одновременно определять диаметр плазмоида (12-18 см) и скорость его
вертикального перемещения (0,6-0,8 м/с) . По этим данным можно рассчитать среднюю
температуру клуба теплого влажного воздуха, содержащего светящуюся гидратиро-
ванную плазму. По нашим измерениям средняя температура шаровой молнии близка
к 330 К.
Цвет шаровой молнии зависит от состава вещества, вовлеченного в
электрический разряд. Окраску плазмоидов, срывающихся с влажных металлических
электродов , определяет линейчатый спектр материала электрода. С железного электрода
слетают ослепительные белесые плазмоиды, с медного — зеленые, с алюминиевого
— белые с красноватым отливом. Если нанести на угольный электрод 1-2 капли
0,001-молярного раствора ЫаНСОз или 0,005-молярного раствора СаНСОз, то
плазмоид окрасится в желтый или красноватый цвет.
Природная шаровая молния кроме гидратированной плазмы может содержать
аэрозоль вещества, диспергированного при электрическом разряде. Это могут быть
сажа, частички почвы, глина, песок, различные органические вещества. Число
возможных комбинаций велико, и с этим связано многообразие окрасок, форм и
плотностей шаровых молний в природе.
Для получения плазмоида с углеродным аэрозолем можно использовать суспензию
из 3 г коллоидного графита, 8-10 мл ацетона (смачиватель) и 90 мл воды. Одну-
две капли этой суспензии наносят на угольный электрод, тогда при разряде из
него вылетает яркий плазмоид цвета пламени.
На угольный электрод, смоченный каплей воды, можно прямо наносить различные
смеси органических и неорганических веществ, угля и металлических порошков.
Видеосъемка вылетающих плазмоидов показывает, что некоторые аэрозоли
сокращают время жизни плазмоида, а некоторые увеличивают. Поиск состава и количества
дисперсной фазы, которая заметно увеличит время жизни плазмоидов, не завершен
и здесь есть широкое поле для поиска [5]. Время жизни водо-пылевых плазмоидов
зависит еще от ряда факторов: от разности потенциалов между электродами, от
длительности импульса тока, от размера и геометрической формы центрального
электрода, от температуры и электропроводности опорного водного объема, от
электрических и магнитных полей на пути плазмоида.
Большинство плазмоидов живет 0,4-0,6 с, но у отдельных экземпляров время
жизни достигает 1с. У некоторых наблюдателей яркая вспышка разряда вызывает
на сетчатке глаза светлый послеобраз плазмоида, который существует несколько
секунд и перемещается в пространстве при повороте головы (эффект Хамфрейса)
[6, с. 34 ] . Каждый такой случай нужно протоколировать, чтобы оценить долю
долгоживущих "физиологических" феноменов среди наблюдаемых природных явлений.
Форма водо-пылевых плазмоидов разнообразна — чаще всего это яркий керн,
окруженный оболочкой другого цвета. Иногда плазмоид приобретает форму тора или
короны, но подбором параметров разряда и формы электродов всегда удается
придать вылетающим плазмоидам округлую форму.
С помощью устройства, представленного на рис. 1, были получены не только
летящие плазмоиды, но и различные плазменные струи и сидящие шаровые разряды.
Не представляет особого труда дополнить демонстрационные опыты измерением
заряда плазмоидов с помощью сетчатого цилиндра Фарадея и простейшими зондовыми
измерениями, которые укажут на существование тонкого отрицательно заряженного
слоя на поверхности плазмоида.
4. Заключение
Реальный образ шаровой молнии довольно далек от мифического, созданного
любителями сенсаций. Тем более значителен результат работы Стаханова [6],
который на основе критической обработки показаний очевидцев составил правильную
картину природного явления. По Стаханову шаровая молния представляет собой
сгусток холодной гидратированной плазмы с резкой границей. Диаметр молнии
составляет 12-20 см время жизни — секунды, только в редких случаях молнии живут
десятки секунд. Видимый свет шаровая молния излучает за счет постепенной
рекомбинации ионов, законсервированных в гидратных кластерах. Шаровая молния
может нести небольшой нескомпенсированный электрический заряд и в большинстве
случаев исчезает бесшумно.
В заключение необходимо отметить, что механизм образования молний в природе
остается нераскрытым. Неизвестно, как линейная молния собирает заряды из
протяженного грозового облака, как образуется токовый канал, почему
светящаяся головка линейной молнии движется в атмосфере с разной скоростью — от
107 м/с до нескольких метров в секунду, частично эта проблема рассмотрена в
[7] .
Плазменные струи — одна из форм линейного электрического разряда в
атмосфере. Они могут выбрасываться из острых предметов, оказавшихся под высоким
отрицательным потенциалом после удара линейной молнии. Для получения
искусственной плазменной струи в грозовое облако запускают ракету с хвостом из
тонкой проволоки или со шлейфом из проводящего аэрозоля. В результате возникает
токовый канал с ярко светящейся головкой [8]. Естественная плазменная струя
может пройти через узкую щель, дырочку в стекле, проникнуть в дом по
электропроводке или через дымоход. В замкнутом помещении головка струи может
превратиться в автономный плывущий плазмоид, который просуществует несколько секунд
за счет энергии, аккумулированной в кластерах.
Список литературы
1. Шевкунов СВ. ЖЭТФ 119 485(2001)
2. Шевкунов СВ. Докл. РАН 379 181 (2001)
З.Егоров А.И., Степанов СИ. ЖТФ 72 (12) 102 (2002)
4. Имянитов И.М., Тихий Д.Я. За гранью Закона (Л.: Гидрометеоиздат, 1967)
с. 34
5. Hubler G.K. Nature 403 487(2000)
6. Стаханов И. П. О физической природе шаровой молнии (М. : Научный мир,
1996)
7. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. УФН 170 753 (2000)
8. Барри Дж.Д. Шаровая молния и четочная молния (М.: Мир, 1983)
Лаборатория
ПРИРОДА ШАРОВОЙ МОЛНИИ
СИ. Степанов
ЛАБОРАТОРНЫЕ
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Первыми экспериментальными исследованиями механизма образования шаровой
молнии (ШМ), проведенными в России, были опыты Н.А. Гезехуса. Их постановка
типична для экспериментов по получению лабораторных аналогов ШМ. Создается
электрический разряд, как правило, высоковольтный, в специально подобранных
условиях. В их число входят материал электродов, их форма, длительность
разряда , дополнительное вещество, введенное в область разряда. На этом пути во
второй половине XX в. исследователи достигли значительных успехов в получении
лабораторных аналогов ШМ. Современные лабораторные генераторы шаровых молний
представляют собой сложные устройства, с помощью которых удается получать
светящиеся шарики или объекты другой формы, существующие некоторое время
после окончания разряда. Так, в опытах Дж. Барри, Исследовавшего длительный
(около 1 мс) разряд в воздухе, к которому был добавлен в небольших
количествах горючий газ (типа бутана), возникал светящийся шарик. Он двигался по
камере в течение примерно 1 с, мог отскакивать от ее стенок и оставаться
целым1 .
А.Г. Аскарьян и А.А. Лерман на специальной разрядной установке — коаксиаль-
1 Барри Дж. Шаровая молния и неточная молния. М., 1983.
ном инжекторе — получали устойчивый объект, который двигался со скоростью 50—
70 м/с, не увеличивая своих первоначальных размеров2.
При действии СВЧ разряда на пары воды в экспериментах Е.Т. Протасевича
возникал светящийся шар, существовавший около 1 с. Внутри шара были обнаружены
большие электрические поля, электроны в высокой концентрации и водород,
образовавшийся из воды под действием СВЧ излучения3.
«Вещество шаровой молнии» в виде струи удалось получить Р. Ф. Авраменко с
коллегами4. Эти результаты, на наш взгляд, наиболее интересны. В опытах
создается длительный разряд, проходящий через канал в диэлектрике, из канала
вылетает светящаяся струя (длиной 20—40 см) , которая состоит из керна
(диаметром 1—2 мм) и оболочки (6—10 мм). В состав струи входят в основном продукты
эрозии диэлектрика и электродов. Она имеет большую (относительно ожидаемой в
низкотемпературной плазме) концентрацию заряженных частиц и содержит
значительную долю энергии, вложенной в разряд. Необходимое условие — ламинарное
истечение струи из капилляра, тогда как при турбулентном получается обычная
плазма.
Струя имеет весьма необычные свойства: как и шаровая молния, она прожигает
металлическую фольгу, но не повреждает бумагу и другие диэлектрики, способна
проходить через отверстие в пластине, теряя при этом свою оболочку. Но если
струю направить между двумя отверстиями в пластине, то она отклоняется и
проникает только в одно из них! Таким образом, струя Авраменко демонстрирует
удивительную способность сохраняться как единое целое. Такая устойчивость
совершенно не типична для обычной плазмы.
Обнаружено, что керн струи может, как ослаблять, так и усиливать
зондирующий луч гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм. Факт усиления излучения
весьма нетривиален. Дело в том, что излучение могло бы усиливаться в такой же
среде, в которой работает сам лазер, т.е. в смеси гелия и неона. Однако струя
не содержит этих веществ и поэтому непонятно, каким образом осуществляется
усиление на данной длине волны.
При исследовании взаимодействия струи с пересекающим ее сверхзвуковым
потоком воздуха выяснилось, что она делится на три части: первая сносится
потоком, вторая демонстрирует неожиданное поведение — проходит через него без
отклонения, а третья движется ему навстречу.
Кроме струи, которая существует во время разряда, при измененных условиях
эксперимента на установке Авраменко получены и автономно существующие
плазменные объекты, в частности, сферической формы.
Исследовалось встречное столкновение автономного плазменного объекта с
ударной волной. Плазменный объект расщеплялся на два, из которых один
сносился движущимся за ударной волной потоком, а второй двигался сквозь нее, не
уменьшая своей скорости. Подчеркнем, что речь идет не о делении объекта на
одинаковые, а о расщеплении его на два объекта различной природы. Эти опыты,
как и опыты со струей, экспериментаторы сопоставляют с наблюдениями движения
шаровой молнии против ветра.
В последнее время струя Авраменко успешно исследуется и другими научными
группами, описываются многочисленные опыты с ней, а также с автономными
плазменными объектами, обсуждаются их свойства в сравнении со свойствами
природной шаровой молнии5.
2 Аскарьян Г.А., Лерман А.А. Направленный выброс концентрированного компактного сгустка
из коаксиального инжектора в атмосферу. //Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10. Вып. 1. С. 49—51.
3 Протасевич Е. Т. «Шаровая молния» на лабораторном столе / /Химия и жизнь. 1986. № 8. С.
49-50.
4 Авраменко Р. Ф. , Бахтин В. И., Николаев В. И. и др. Исследование плазменных
образований, индуцируемых эрозионным разрядом //ЖТФ. 1990. Т. 60. Вып. 12. С. 57—64.
5 См., например: Шаровая молния в лаборатории. М., 1994.
По общему мнению, установление физической природы струи Авраменко станет
решающим шагом к пониманию того, чем же является шаровая молния.
Схема одной из лабораторных установок для генерации шаровых
молний. 1 — высокочастотный (ВЧ) генератор; 2 — ВЧ-ваттметры; 3
— согласующее устройство; 4 — нагрузка; 5 — настройка; 6 —
вакуумная камера; 7 — форвакуумный насос; 8 — вакуумметр; 9 —
стеклянный колпак; 10 — ВЧ-электроды; 11 — шаровая молния; 12 —
холодная вода; 13 — горячая вода; 14 — расходомер.
ПРИРОДА БОЛЬШИХ ЭНЕРГИЙ
По наиболее обоснованной точке зрения, энергия ШМ имеет химическое
происхождение . Однако известно, что иногда шаровая молния способна выделять большую
энергию — 1 МДж и более, а это не может быть объяснено запасом только
химической энергии в молнии. Подобные факты сбивают с толку тех, кто размышляет о
природе ШМ. Все случаи ее наблюдения, когда выделение энергии могло быть
корректно оценено, сведены в таблицу6. При ее составлении мы исходили из
предположения И.П. Стаханова, что разрушительное действие молнии обусловлено не ее
собственной энергией, а энергией внешнего электрического поля, выделяющейся
при протекании тока через нее7. Тогда сила воздействия должна быть различной
в зависимости от того, находилась ли ШМ в областях с большим полем или нет. В
последнем случае это могут быть жилые помещения, поскольку атмосферное поле
не проникает в них.
6 Степанов СИ. Об энергии шаровой молнии // ЖТФ. 1990. Т. 60. Вып. 2. С. 211—212.
7 Стаханов И.П. Физическая природа шаровой молнии. М. , 1979.
Таблица. Действия, вызываемые шаровой молнией, и энерговыделение.
Энергетическое действие ШМ
Энергия
НАБЛЮДЕНИЯ В ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ, Дж
Нагрев пластика и золота
440
Воздействие вспышки света
10
Акустическое воздействие взрыва
10
Нагрев, плавление, испарение железа
2000
Нагрев и испарение железа
700
Поднятие воды в ведре
10
НАБЛЮДЕНИЯ ВНЕ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИИ, МДж
Нагрев воды
3
Расщепление сваи причала
0.15
Нагрев воды и битума
0.016
Выжигание травы
0.9
Нагрев высоковольтного провода
0.15
Нагрев железной трубы
0.1
Прожигание железной трубы
0.1
Нагрев, испарение воды
180
Расщепление древесины (4 случая)
10-200
Из таблицы следует, что выделение больших энергий действительно наблюдалось
только на открытой местности. Поражает разница в поведении ШМ в помещении и
вне его, если она попадает в сосуды с водой: так, в помещении молния совсем
не нагрела воду, лишь выплеснула ее часть из ведра, на улице же вода в одном
случае закипела в бочонке, в другом — даже вся испарилась, что требовало в
миллионы раз большей энергии. Таким образом, предположение Стаханова
подтверждается: на открытой местности ШМ может выделять энергию внешнего
электрического поля. В помещениях же проявляется энергия самой молнии. Судя по
таблице, она невелика (сотни Дж) и имеет, несомненно, химическую природу. Между
прочим, отсюда следует практическая рекомендация: не следует бояться ШМ в
комнате, хорошо изолированной электрически.
НЕКОТОРЫЕ МОДЕЛИ
Главная трудность при построении гипотезы ШМ — объяснить устойчивость ее
формы. Обычно исходят из того, что шаровая молния больше всего похожа на
облако , т.е. рассматривают ее как дисперсную среду. Но облако, состоящее из
плазмы, газа или аэрозоля, не устойчиво, так как нет сил, которые способны
противостоять внешним силам, изменяющим его форму. К настоящему времени такие
гипотезы так и не смогли объяснить устойчивость формы ШМ.
По-иному объясняет это Б.М. Смирнов, исходя из каркасной гипотезы8, по
которой ШМ представляет собой каркас, комок, сгусток нитей или маленьких
фрактальных кластеров9. По Смирнову, химические реакции происходят во многих
точках каркаса, в них развивается высокая температура (тысячи градусов) и
появляется свечение. В целом температура ШМ остается незначительной, и это
соответствует наблюдениям.
8 Смирнов Б.М. Шаровая молния — что же это такое? // Природа. 1987. № 2. С. 15—26; он же.
Загадка шаровой молнии. // Новое в жизни, науке, технике. М., 1987.
9 Фрактал — это структура, имеющая дробную размерность. Примером является ветвь дерева: она
делится на мелкие ветви, те делятся снова и так далее. Фрактал подобен сам себе на различных
пространственных масштабах.
Имеется вариант модели, в котором каркас состоит из органического полиме-
ра10.
Рассмотрим критически основные положения гипотезы Смирнова. Главное
утверждение состоит в том, что устойчивость ШМ обусловлена жесткостью ее каркаса,
т. е. жесткостью твердого тела. Сам по себе каркас имеет ту форму, какая была
у него в момент возникновения; сферическая — только одна из многих возможных.
Тогда с равной вероятностью должна существовать как сферическая, так и,
например, кубическая молния. Чтобы все же объяснить наличие сферической формы у
ШМ, приходится вводить дополнительные предположения. Согласно одному
варианту, ШМ вращается в сдвиговых течениях11 и приобретает сферическую форму,
наподобие комка пуха, катающегося по земле. Но если форма каркаса легко
меняется в сдвиговых потоках воздуха, то она должна меняться и в других течениях,
например, турбулентных, а в спокойной атмосфере (в закрытых помещениях) быть
вообще неопределенной. Напротив, известно, что ШМ везде появляется сразу в
виде шара. Другой вариант — ШМ только кажется нам сферической из-за быстрого
вращения в сдвиговых течениях. Но для этого она должна вращаться весьма
быстро , что при реальных градиентах скорости ветра маловероятно.
Кроме того, в горячих точках каркаса вещество будет находиться в
расплавленном состоянии, но это сильно ослабит жесткость, а именно она должна
обеспечить устойчивость формы. Что касается варианта гипотезы, где каркас состоит
из органического полимера, то его существование вообще не совместимо с
высокой температурой.
ШАРОВАЯ МОЛНИЯ
КАК ИСТОЧНИК
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Возможно, трудности в понимании ШМ возникли потому, что не учтена какая-
либо ее важная особенность. Обратим внимание, что молния испускает искры,
ударяет током человека, плавит и испаряет металлические предметы при контакте
с ними и на некотором расстоянии от них. Существенно, что эти связанные с
электрическими силами явления происходят как вне помещений, так и в них.
Последнее свидетельствует о том, что ШМ имеет собственное электрическое поле.
Предположим, что внутри молнии есть постоянно действующий источник, который
поддерживает ее электрическое поле и способен создавать ток во внешней среде.
Возьмем собственное электрическое поле в качестве отправной точки при
построении модели ШМ12.
Пусть ШМ представляет собой не каркас, а аэрозольное облако, в котором
протекают химические реакции с выделением энергии и появлением заряженных частиц
(электронов или ионов). Примеры таких реакций известны и изучены. Основное
наше утверждение состоит в следующем: в ШМ имеется сторонний ток, который
создается возникающими заряженными частицами, т.е. работает электродвижущая
сила, происходит разделение зарядов, что и приводит к возникновению в ШМ
радиального электрического поля с большим потенциалом13. Таким образом, в шаро-
10 Bychkov V.L. Polymer Ball Lightning Model. // Physica Scripta. 1994. № 50. P. 591-599.
11 Сдвиговое течение — это течение, в котором скорость плавно меняется в соседних слоях.
Такое течение имеется, в частности, вблизи поверхности Земли, обдуваемой ветром.
12 Sfepanov S.I. How Can an Electrochemical Model Solve the Mysteries of Ball Lightning? //
Proc. of Eur op. Interdisciplinary Congress on Ball Lightning, Sept. 1993. Salzburg.
Austria.
13 Сторонний ток — это ток, вызванный неэлектрическими силами. Аналогичные явления — это
сторонние токи и поля с большими потенциалами, наблюдаемые в других дисперсных средах (в
плазме, выхлопных газах реактивных двигателей, при взрыве), а также поля с небольшими
потенциалами , возникающие в обычном электрохимическом аккумуляторе.
вой молнии осуществляется преобразование химической энергии в энергию поля.
В состоянии равновесия возникающее таким образом поле задано величиной ЭДС
и ток в ШМ отсутствует (аналог — отключенный электрохимический аккумулятор).
Если по какой-то причине величина поля изменилась, то в зависимости от знака
этого изменения ток внутри молнии может течь в одну или другую сторону. Если
поле меньше значения, соответствующего ЭДС, ток течет против поля — это и
есть сторонний ток (аккумулятор преобразует химическую энергию в
электрическую) . Если поле больше того, которое соответствует ЭДС, ток течет по полю —
это ток проводимости (аккумулятор заряжается от внешнего источника энергии).
Поскольку ШМ является дисперсной средой, протекание токов в ней имеет
некоторые особенности: и концентрация, и энергия заряженных частиц здесь могут
меняться, вызывая изменение тока. В результате одному значению напряженности
поля могут соответствовать различные значения плотности тока. Часто
протекание тока демонстрирует гистерезис: при увеличении поля плотность тока меньше,
чем при уменьшении поля (при той же напряженности). Эта особенность приводит
к развитию тех или иных неустойчивостей в токовых явлениях. Известным
примером таких неустойчивостей являются страты — непостоянство свечения в
люминесцентных лампах.
В ШМ равновесное состояние в принципе устойчиво, однако в силу того, что
связь между напряженностью поля и плотностью тока в ней не вполне однозначна,
в устойчивом состоянии появляются небольшие спонтанные токи (сторонний или
ток проводимости), а поле колеблется вокруг некоторого «среднего».
С колебаниями поля и возникновением спонтанных токов в нашей модели можно
связать радиопомехи, которые природная ШМ вызывает в близко расположенных
приемниках, колебание свечения всей молнии, неравномерность интенсивности
свечения и цвета по поверхности, выбрасывание «искр» или кусков светящегося
вещества, звуки (обычно это шипение или потрескивание).
До сих пор речь шла лишь о разделении зарядов в молнии. Будем считать, что
ШМ состоит из более плотного ядра и внешней оболочки. Предположим, что часть
этой оболочки «сдувается» во время движения и у молнии остается
некомпенсированный электрический заряд. Рассмотрим устойчивость формы такой системы.
Любое заряженное облако под действием кулоновских сил отталкивания
стремится к расширению в радиальном направлении. Заряженные частицы при дрейфе в
собственном электрическом поле облака сталкиваются с молекулами воздуха и
увлекают их за собой, что облегчает движение частиц, так как они все движутся в
потоках от соседей.
Движение заряженных частиц в поле вместе с увлеченным воздухом известно под
названием «электрический, или ионный, ветер». Под высоковольтной линией
слышится потрескивание — это и есть электрический ветер, т. е. движение зарядов
вместе с воздухом в электрическом поле проводов. В облаке из редко
расположенных частиц эффект увлечения воздуха незначителен, а в достаточно плотном
облаке весь внутренний воздух «захватывается» движущимися частицами, и
возникает явление непродуваемости: внешний воздух обтекает облако как единое
целое. Непродуваемость больше известна нам по движению в поле силы тяжести.
Отдельная пушинка падает довольно медленно. Если собрать пушинки в комок, то
комок падает значительно быстрее, поскольку наружный воздух обтекает комок
как целое и сопротивление движению уменьшается.
Аналогично этому непродуваемое заряженное облако быстрее перемещается во
внешнем электрическом поле, но, казалось бы, оно должно скорее рассеяться в
пространстве из-за более эффективного разлета отталкивающихся друг от друга
частиц. Однако это не так. В сферическом заряженном облаке, разлетающемся в
собственном поле, непродуваемость приводит к тому, что внутри облака
появляется разрежение и возникает перепад между внешним давлением и давлением
внутри облака. Когда вскоре этот перепад в точности уравновесит кулоновскую силу,
быстрое радиальное движение заряженных частиц наружу прекратится и останется
лишь медленный их дрейф. Заметим, что для реальной ШМ скорость дрейфа частиц
в собственном поле молнии очень мала, поэтому время разлета ШМ за счет дрейфа
значительно больше, чем время ее жизни.
—^ Электрическое поле
—> Ток
Модель шаровой молнии как аналог
электрохимического аккумулятора.
Молния представляет собой аэрозольное
облако (слева) , в нем происходят
химические реакции с образованием
заряженных частиц, что служит причиной
возникновения стороннего тока,
который поддерживает собственное
электрическое поле. Внутренняя и внешняя
части молнии заряжены противоположно,
давление внутри молнии чуть меньше,
чем снаружи. При мгновенном значении
поля меньше величины, соответствующей
ЭДС (в середине), течет сторонний
ток, происходит разделение зарядов за
счет превращения химической энергии в
электрическую.
Поле увеличивается. Если поле больше
величины, соответствующей ЭДС
(справа) , возникает ток проводимости. Поле
уменьшается. В зависимости от
мгновенного значения электрического поля
результирующий ток может течь в одну
или другую сторону. Внешняя оболочка
молнии может быть частично потеряна
во время ее эволюции, например, сдута
при движении. На следующих рисунках
молния изображена без внешней
оболочки , т. е. представлена своим ядром, в
основном и определяющим
рассматриваемые здесь свойства ШМ.
Баланс перепада давления и кулоновской силы дает для первого выражение:
р=Е2/8л, где Е — поле на границе облака. Оценивая перепад давления для поля
пробоя воздуха (30 кВ/см), получаем р=0,0005 атм, т. е. небольшую величину.
Пусть далее наше облако деформировалось под влиянием какого-либо внешнего
воздействия. При этом поля в каждой точке облака изменились. В выступающих
частях поля и соответственно кулоновские силы стали больше, чем в сферическом
облаке, на плоских частях — меньше14. Перепад давления между внешней средой и
внутренней частью облака одинаков для всех его частей. Поэтому в выступающих
частях кулоновская сила превышает перепад давления, и эти части выталкиваются
наружу, а в плоских, наоборот, перепад давления превышает кулоновскую силу и
эти части вдавливаются внутрь, деформация увеличивается, и облако в конечном
итоге распадается.
Итак, обычное заряженное облако не устойчиво к деформации. А как поведет
Это качественное утверждение можно формализовать: при эллипсоидальной форме облаков
соответствующие поля поддаются строгому расчету.
себя в этом случае ШМ, в которой действуют сторонние силы? Пусть ШМ получила
деформацию. Сразу после этого распределение зарядов и полей в ней выглядит
так же, как в обычном деформированном облаке. Теперь в выступающих частях
поле стало больше, чем равновесное, соответствующее ЭДС, а в плоских — меньше.
В соответствии с этим в выступающих частях течет ток проводимости, и
плотность зарядов уменьшается, а в плоских частях текут сторонние токи и
плотность увеличивается.
1 ■ Электрическое попе
t=£> Ток
Результирующие силы и направление движения в
режиме непродувания
Неустойчивость формы заряженного облака: а — облако из редко
расположенных частиц расширяется во всех направлениях за счет их дрейфового
движения; б — заряды и поля в плотном (непродаваемом) деформированном
заряженном облаке, возникшем из сферического. В выступающих частях
облака поля больше, чем в плоских частях; в — силы в том же облаке. Ку-
лоновская сила преобладает над перепадом давления в выступающих частях
и выталкивает их наружу. Перепад давления преобладает над кулоновской
силой на плоских частях и вдавливает их внутрь; г — облако продолжает
деформироваться и распадается.
Изменение полей происходит, в первом приближении, до тех пор, пока поля
снова не станут равны полю, соответствующему ЭДС. Для эллипсоидов можно точно
решить задачу поиска распределения зарядов на основе известного поля.
Оказывается, что плотность заряда на плоских частях становится больше, чем на вы-
ступающих, а направление сил противоположно силам в обычном деформированном
облаке: в выступающих частях ШМ перепад давления преобладает над кулоновской
силой, он толкает эти части внутрь, в то же время кулоновская сила,
превосходящая перепад давления, выталкивает наружу плоские части. Тем самым ШМ
восстанавливает сферическую форму.
Электрическое поле
Ток
Результирующие силы
и направление движения
в режиме нвпроцуван**
Устойчивость формы шаровой молнии: а
— заряды и поля, которые есть в ШМ
непосредственно после деформации. В
выступающих частях поля больше
значения, соответствующего ЭДС, в плоских
— меньше; б — токи возникают в
деформированной ШМ потому, что поля
отличаются от значения, соответствующего
ЭДС. В выступающих частях имеется ток
проводимости, в плоских — сторонний
ток; в — заряды и поля, которые
возникают под действием этих токов.
Поля близки к значению,
соответствующему ЭДС, плотность заряда на плоских
частях больше, чем на выступающих; г
— силы в деформированной ШМ.
Кулоновская сила преобладает над перепадом
давления на плоских частях, она
выталкивает их наружу. Перепад давления
преобладает над кулоновской силой в
выступающих частях и вдавливает их
внутрь; д — сферическая форма ШМ
восстанавливается .
Учет гистерезиса не меняет принципиально обрисованной картины, правда, он
может и способствовать, и препятствовать восстановлению формы.
Химическая реакция, дающая заряженные частицы, может прекратиться,
например, из-за того, что исчерпан запас исходных веществ. Тогда механизм
устойчивости перестанет работать и ШМ превратится в обычное заряженное облако,
которое распадается. Этим можно объяснить такое странное явление, как взрыв или
погасание молнии без видимых причин.
МОДЕЛЬ И
ПОВЕДЕНИЕ
МОЛНИИ
Попробуем объяснить некоторые известные свойства ШМ в рамках нашей
гипотезы. Природная ШМ плавит и испаряет металлические предметы, не трогая, как
правило, диэлектрики. Известен случай, когда молния расплавила и испарила ка-
тушку репродуктора, совершенно не затронув соседних картонных деталей. Если
ШМ находится возле проводящего или диэлектрического тела, то при ее
приближении к телу в нем появляются наведенные заряды, и молния притягивается к нему.
Поле в ШМ, в свою очередь, перераспределяется: в области, обращенной к телу,
оно увеличивается, а в области, удаленной от тела, уменьшается. Так как поля
в обеих областях не равны теперь полю, соответствующему ЭДС, возникают токи —
ток проводимости и сторонний, соответственно. Вследствие этого при
приближении ШМ к телу течет сквозной ток. Если тело состоит из проводников и
диэлектриков , ток проходит только через проводники. Это может вызвать их плавление
и испарение.
Напомним, что струя Авраменко также расплавляет металлическую фольгу и не
действует на диэлектрики, например на бумагу. Это свойство имеет то же самое
объяснение, если считать, что воздействие на металлы оказывает электрический
ток, причем струя Авраменко имеет постоянно действующий источник стороннего
тока.
Между ШМ и металлическими телами наблюдаются искры, причем одна и та же
молния может испускать их неоднократно. Как мы отметили, при приближении ШМ к
телу возникает ток, который при большой напряженности поля может переходить в
пробой. Заметим, что если бы в ШМ не было стороннего тока, постоянно
возобновляющего поле, то многократное испускание искр оказалось бы невозможным.
Встреча ШМ с массивными металлическими предметами — например с
отопительными батареями, водопроводными трубами — иногда оканчивается взрывом или ее
исчезновением. В нашей модели при взаимодействии ШМ с телами происходит
искажение ее поля и сферически симметричного распределения зарядов. Следовательно,
нет полной компенсации кулоновской силы и перепада давления. Это может
приводить к распаду ШМ, который, в зависимости от ее энергии, наблюдается как
взрыв или тихое угасание.
В случае встречи ШМ с диэлектриком она, как правило, отскакивает.
Предположим, что ток проводимости между ШМ и телом приводит к переносу заряда на его
поверхность и тем самым к компенсации наведенных на нем зарядов. Таким
образом, поле наведенных зарядов, а вслед за ним и притяжение ШМ к диэлектрику
исчезают. Вот почему встреча с диэлектриками не приводит к распаду молнии.
Вместо этого она восстанавливает форму так, как об этом уже говорилось.
Поскольку тело препятствует восстановлению формы сплющенной ШМ с одной стороны,
то появляется импульс, направленный от тела, и ШМ отскакивает. То же самое
может происходить, если небольшой проводник изолирован или покрыт краской.
ШМ движется на некоторой высоте от земли, пола, способна следовать по
тропинке, дороге, ручью. Наблюдали, как она двигалась над рекой и, встретив мост
на своем пути, поднялась и перелетела через него. Это свойство, называемое
гидированием, выглядит весьма загадочно. Ясно, что в этом состоянии сумма
всех вертикальных сил, действующих на ШМ, равна нулю, но как это получается?
С нашей точки зрения, ток, текущий через ШМ и вызванный перераспределением
ее поля при нахождении вблизи земли, приводит к тому, что молния
разогревается джоулевым теплом. Вследствие нагрева ее плотность уменьшается и появляется
выталкивающая сила, направленная вверх. Можно предположить, что она больше,
чем кулоновская сила притяжения, тогда будет происходить всплывание молнии.
Когда она поднимается вверх, все эти явления ослабевают и на какой-то высоте
сумма вертикальных сил станет равной нулю.
Известно, что ШМ может выделять большую энергию, и ранее мы показали, что
она обусловлена энергией внешнего электрического поля. В нашей модели
взаимодействие молнии с внешним электрическим полем выглядит следующим образом. С
одной стороны ШМ поле увеличивается, с противоположной — уменьшается.
Поскольку поля не равны полю, соответствующему ЭДС, появляются токи сторонний и
проводимости, и через ШМ течет сквозной ток. Если он очень велик, то и выде-
ляется та большая энергия, которую наблюдатели принимают за энергию ШМ.
Шаровая молния вблизи проводящего или
диэлектрического тела (слева). Будучи
заряженной, она приводит к появлению в
теле наведенного заряда, что вызывает
перераспределение поля в молнии. На
стороне, обращенной к телу, поле
становится больше значения,
соответствующего ЭДС, на противоположной — меньше.
Вследствие этого возникают ток
проводимости и сторонний ток, и через ШМ к
телу течет сквозной ток. Он лежит в
основе явлений, сопровождающих контакт
с телами, — возникновения искр между
—9> Электрическое поле
молнией и металлическим телом,
расплавления проводников, распада ШМ, ги-
дирования. Молния во внешнем
электрическом поле (справа). Внешнее поле
накладывается на поле самой молнии. На
одной стороне молнии поле становится
больше поля, соответствующего ЭДС, на
другой — меньше. Через молнию потечет
ток, для которого она поставляет
заряженные частицы. Протекание тока
приводит к выделению дополнительной
энергии, которую наблюдатели принимают за
энергию самой шаровой молнии.
Исследования шаровой молнии, берущие начало в конце XIX в. , сейчас быстро
развиваются. Прогресс налицо и в получении ее лабораторных аналогов, и в
теоретических исследованиях, и в изучении свойств природной ШМ.
Хочется надеяться, что данная публикация послужит побудительным мотивом для
привлечения исследователей к изучению молнии, а также будет способствовать
возникновению новых идей в теоретических представлениях о ней. Сбор
наблюдений о шаровой молнии в природе по-прежнему актуален15.
Этим специально Занимается группа исследователей в Ярославле. Ее адрес: 150000, Ярославль,
ул. Советская, 14, Госуниверситет. «Шаровая Молния», Григорьеву Александру Ивановичу.
Лаборатория
ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМОИДОВ
Р.Ф. Авраменко и др1.
Введение
Проводимые теоретические и экспериментальные исследования [ 1 ] показывают,
что свойства, присущие шаровой молнии (ШМ) : низкая газовая температура (до
1000 К) и интенсивность свечения, длительное время существования,
устойчивость формы, а также процессы взаимодействия с предметами и веществом,
однозначно свидетельствующие о наличии "скрытого" электрического заряда и
генерации мощных электрических токов могут наблюдаться в устойчивых плазменных
образованиях — плазмоидах. Последние можно трактовать как лабораторные аналоги
ШМ. Наличие указанных свойств предполагает существование канала
энергетической подпитки и адекватного энергетического резервуара, обеспечивающих
энергобаланс плазмоида. Одной из гипотез, высказанной П. Л. Капицей [2], является
взаимодействие плазменного образования с СВЧ-излучением дециметрового
диапазона, генерируемого разрядами линейной молнии или электрическим полем
грозового облака. При этом минимальная энергия СВЧ-излучения должна соответство-
В. А. Гришин, В. И. Николаева, А. С . Пащина, Л . П . Поскачеева. В российских статьях всегда
очень трудно понять, кто на самом деле делал работу, и кто и За что включен в соавторы.
вать энергосодержанию ШМ. Это заставляет усомниться в возможности
существования природного источника электромагнитных волн дециметрового диапазона и
вынуждает искать другие источники и каналы энергетической подпитки, а также
механизмы формирования ШМ.
К настоящему времени ряд исследователей склоняется к представлению о том,
что плазмоидные образования, к которым относится ШМ, могут иметь квантовую
природу [1]. Одной из гипотез является представление о существовании
естественного фона электронного Бозе-конденсата (ФЭБК) [3], взаимодействие с
которым может приводить при определенных условиях к образованию устойчивых
плазменных структур. Спектр плазменных колебаний должен соответствовать
энергетическому спектру ФЭБК, ряд частот которого, в соответствии с теоретическими и
экспериментальными данными, лежит на уровне десятков мегагерц. Примечательно,
что указанный диапазон частот обнаруживается в холодной сильнонеравновесной
плазме, в частности в прикатодной области газового разряда низкого давления
[4-8] .
Данная работа посвящена исследованию некоторых характеристик локализованных
плазменных образований в атмосфере, обладающих дискретным спектром энергии, в
частности в диапазоне 1—100 МГц.
Теоретические предпосылки
энергобаланса плазмоидов
В основе концепции электронного Бозе-конденсата (БК) лежит фундаментальное
утверждение, что Вселенная заполнена не только реликтовым безмассовым
фотонным излучением, но и конденсатом электронов типа куперовских пар с отличной
от нуля массовой плотностью [3] . Согласно базовым квантовым представлениям
заряд электрона является оператором (как и энергия, импульс, координата и т.
п.) , т. е. находится в скрытом от наблюдателя состоянии до тех пор, пока он
не произведет опыт по наблюдению этого заряда.
С учетом замечания об исходной ненаблюдаемости электрического поля
"размазанных" частиц фона можно заключить, что физически эффективными и
реализуемыми путями перераспределения амплитуды Y-волны является, прежде всего,
использование "неэлектрических" взаимодействий:
• гравитационного взаимодействия;
• магнитного (спинового) взаимодействия;
• взаимодействия с конвекционными токами (потенциалами Льенара-Вихерта).
Одним из удобных физических объектов для "проявления" электронов БК
являются плазма и плазмоподобные среды (электролиты, полупроводники и др.) . Здесь
наряду с протеканием тока электронной проводимости (бегущей волны Y-функции
электронов) могут независимо (в квазинейтральной среде) формироваться и
протекать значительные конвекционные токи (например, положительных ионов),
наличие которых создает в системе нелокальную "электродвижущую силу" (отличную от
электрического поля), являющуюся функционалом скорости
Fc =(e/c)NAcVc ,
где е — заряд, с — скорость света, Ас — векторный потенциал магнитного поля
конвекции.
Электромеханический перенос зарядов (конвекция) в плазменной или плазмопо-
добной среде связывает эту среду с окружающими материальными объектами за
счет силы Fc. В общем случае, отличия энергосодержания в плазмоподобной и в
окружающей среде, между ними возможен обмен энергией при сохранении
крупномасштабного баланса энергии в соответствии с известными законами сохранения.
Как следует из определения конвекционной силы Fc, она действует как в
классическом, так и в квантово-физическом описании на объекты, обладающие заря-
дом. Такими объектами в окружающей среде являются, согласно [3] и другим
работам, электронный БК с отличной от нуля плотностью гБК (амплитудой волновой
функции) и связанные с атомами и веществом электроны, особенно р-электроны в
атомах и электроны вблизи поверхности Ферми в конденсированных средах (vei ~
с) .
На поверхности Земли гБК определяется гравитационным взаимодействием массы
Земли и массы БК, связанной с Землей. Эта величина может варьироваться, но по
порядку величины может быть определена при принятии гипотезы о соизмеримой
плотности гравитационной энергии БК (низшая мода) и энергии магнитного поля
БК, наблюдаемой как магнитное поле Земли гБК » ЗхЮ13 см-3.
Наблюдатель в лаборатории на поверхности Земли может зарегистрировать два
вида движения относительно БК. Первый вид — это низшая мода гравитационных
колебаний БК, т. е. вертикальные колебания, пространственно образующие
столбы, струны, пронизывающие Землю. Второй вид — движение поперек столбов БК за
счет вращения Земли (широтная скорость vq) . Обоим видам движения можно
сопоставить определенный спектр характерных длин волн и частот колебаний, который
можно получить из энергетических соотношений квантовой и классической физики:
nq = mvq2/((2)h) = 47,86 (95,72) МГц (широта Москвы);
n~ = (e2mvi2) / (2ch2) = 49,87 МГц (индекс ~ — вертикальные колебания,
соответствующие первой космической скорости vi) .
Кроме массы покоя электроны несут и квантовый потенциал [3]
Wq = 2pe2mc/h = 3,73 кэВ = exjq. Обычная "электрическая энергия" электронов
с учетом "квантовой энергии", "материализовавшихся", например, при зарядке
конденсатора с емкостью С = q/j, минимальна при величине емкости (для данного
примера) Copt = q/jq = 442,6 пФ.
Указанные частоты могут быть зарегистрированы в электрической цепи, которая
при соответствующем подборе параметров может выполнять роль макроскопического
квантового объекта. Наличие в цепи конвекционных токов, источником которых
может служить плазма газового разряда (особенно в приэлектродных областях),
должно приводить к взаимодействию с ФЭБК, т.е. к энергообмену.
Для ШМ дополнительным механизмом энергообмена может служить взаимодействие
электронов БК с веществом окружающей среды — воздухом. Этот механизм
аналогичен взаимодействию электронов с фононами в сверхпроводниках. Учет указанного
механизма приводит к следующим характерным параметрам ШМ: диаметр d ~ 30 см,
среднее время жизни t ~ 70 с, энергосодержание Wmax ~ 107 Дж.
С учетом сказанного можно предположить, что квантово-механическая структура
ШМ подобна резонатору электромагнитных волн. В отличие от него в ШМ
образуется стоячая Y-волна электронов БК в объеме, размеры которого определяются
параметрами среды (в данном случае воздуха). Данный размер можно отождествить с
длиной когерентности волновой функции электронов БК в сверхпроводниках [10] ,
т. е. ШМ представляет собой макроскопический квантовый объект, обладающий
такими неотъемлемыми свойствами, как сверхтекучесть и сверхпроводимость.
Эти свойства предполагают наличие критического тока (аналог критического
тока Джозефсона) и критической температуры, соответствующих переходу из
сверхпроводящего (квантового) состояния в нормальное. Критический ток
является абсолютной величиной, равной I = 2emc2/h = 39,57 А. Для критической
температуры теоретические оценки, выполненные с учетом равенства свободной энергии
нормального и сверхпроводящего состояний, дают величину порядка 800—1600 К.
Таким образом, процессы энергообмена в электрической цепи с соответствующим
плазменным элементом и процессы в ШМ должны иметь одну природу, поэтому
исследование параметров энергообмена в электрической цепи является, по
существу, моделированием процессов в ШМ. В отличие от ШМ, где окружающая среда
играет, в основном, пассивную роль в формировании плазмоида, использование
электрической цепи может приводить к активному влиянию на плотность ФЭБК,
особенно в случаях больших мощностей. При этом электромагнитные параметры
цепи (волновое сопротивление, коэффициент фазы и др.) определяют характерный
квантовый размер (де-Бройлевскую длину волны) плазмоидного образования.
Наиболее эффективное влияние на процесс формирования плазмоидов электрическая
цепь должна оказывать в случае совпадения характерных длин волн и частот
электромагнитного и де-Бройлевского резонансов.
Помимо указанных частот, связанных с вертикальными колебаниями электронов
БК и вращением Земли, в плазме присутствуют также частоты, связанные с
движением Земли вокруг Солнца со скоростью ~30 км/с, а также с движением Солнечной
системы по направлению к созвездию Льва со скоростью ~350 км/с. Это приводит
к увеличению частотного спектра ФЭБК, который может служит источником
энергетической подпитки природных плазмоидов, включая ШМ2.
Экспериментальные
исследования
Впервые экспериментальные исследования, подтверждающие квантовый характер
плазмоидных структур, представлены в [1, 11]. В данной работе были проведены
исследования для случаев пассивной и активной электрической цепи. Случай
пассивной электрической цепи соответствует небольшому уровню мощности источника
накачки (до 100 Вт). Электрическая цепь при этом является приемником
колебаний ФЭБК. При повышенном уровне мощности источника накачки электрическая цепь
оказывает активное влияние на параметры ФЭБК и генерируемых плазмоидов. В
обоих случаях электрическая цепь является потенциальной ямой для электронов
БК.
Исследование пассивного режима проводилось с использованием несимметричной
линии с разрядником. Для исследования активного режима использовался
спиральный волновод (катушка Тесла), подключаемый к выходу высокочастотного
генератора .
Пассивный режим
электрической цепи
Для моделирования энергообмена в плазмоидах использовался вариант
несимметричной линии длиной ~1/2 для частот ~50 МГц, которые соответствуют одной из
ветвей спектра колебаний ФЭБК, связанных с Землей.
Линия с волновым сопротивлением Zi=100 Ом была выполнена в виде ленты из
фольгированного текстолита, расположенной над проводящей поверхностью.
Конструкция линии позволяла изменять ее геометрическую длину li во время
экспериментов .
Схема подключения к линии плазменного элемента 2 "короткозамыкающего"
конденсатора Со, служившего основным источником энергии для процессов
возникновения разряда и поддержания его в течение нескольких циклов "частоты
накачки" , изображена на рис. 1. Периодический пробой промежутка в разряднике 2
создавал в цепи питания пилообразные импульсы зарядного тока с частотой 0—5
кГц при амплитуде напряжения, соответствующей пробою 0,5—4 кВ в зависимости
Часто исследователи экспериментально обнаруживают анизотропию Вселенной, вызванную
абсолютным движением Галактики. Некоторые ученые пытаются использовать это явление для создания
преобразователей энергии окружающей среды. Например, Ю. А. Бауров использует концепцию
векторного потенциала Галактики [9] для создания энергоустановок и новых типов движителей.
Обнаруженное им направление векторного магнитного потенциала Галактики перпендикулярно
абсолютному направлению движения последней (так как магнитное поле перпендикулярно
электрическому) , что лишний раз подтверждает возможность использования различных источников и каналов
преобразования энергии окружающей среды. - (Охренеть! - прим. ред.)
от зазора в разряднике.
1 lt=l;\f
Рис. 1. Линия-тромбон с индуктивно-емкостным датчиком: 1 —
линия-тромбон с полной длиной 1/4; 2 — плазменный элемент; 3 —
нагрузка (лампа накаливания RXOn ~ 50—100 Ом) ; 4 — кабель к
осциллографу 50 Ом; 5 — индуктивно-емкостной датчик.
Небольшая мощность накачки не приводит к существенному искажению спектра
ФЭБК, связанного с Землей (слабая связь). Так что в данном случае линия 1
является пассивным приемником. Для выделения составляющей плазменных колебаний
использовался подключаемый к нагрузке индуктивно-емкостной датчик,
исключающий колебания накачки.
Разрядник — воздушный, состоял из одного или нескольких последовательно
соединенных разрядных промежутков между электродами специальной формы. Основной
материал электродов — медь, зазор между электродами 0,1—1 мм. Специальная
форма электродов обеспечивала непрерывное (от пробоя к пробою) перемещение
электродных пятен, что важно для поддержания максимальной амплитуды изучаемых
плазменных колебаний.
Выполненные эксперименты включали две серии. В первой изучался спектр
плазменных колебаний, поддерживаемых током накачки (колебательным процессом
разряда с периодом tr=2p(Li(C0 + Ci))1/2. Варьируя длину линии 1, определяли
максимум регистрируемой амплитуды колебаний на частотах диапазона порядка 50
МГц, предсказываемых теорией.
Эксперимент показал, что действительно имеет место общий резонанс в области
предсказанных частот. Изучение более тонкой частотной структуры резонанса
показало наличие биений двух близких частот, которые можно отождествить с двумя
теоретическими 47,5 и 49,5 МГц.
Варьирование величиной емкости Со показало, что амплитуда плазменных
колебаний имеет максимумы при значениях Coi = 390 пФ и С02 = 440 пФ, близких к
теоретическому оптимуму для одной из мод колебаний БК. Оптимальная длина
линии кратна четверти длины волны для выше указанных частот.
Колебания формируются в приэлектродных областях разряда, в которых плазма
сильно неравновесна. Это следует из того, что изменение амплитуды колебаний
происходит пропорционально увеличению зазора разрядника от 0 до 0,15—0,2 мм.
Дальнейшее увеличение межэлектродного расстояния не приводит к росту
амплитуды колебаний. При значительном увеличении межэлектродного расстояния (выше 1
мм) может наблюдаться уменьшение амплитуды плазменных колебаний, что
обусловливается увеличением температуры плазмы за счет потерь энергии в
положительном столбе. При этом амплитуда плазменных колебаний не зависит от тока накач-
ки и практически постоянна.
При запитке короткозамкнутой линии (т.е. в отсутствие разрядника) от
импульсного источника напряжения указанные частоты не проявлялись. На
осциллограммах наблюдались колебания, характерные для затухающих процессов с
периодом, определяемым индуктивностью и емкостью линии.
Во второй серии экспериментов осуществлялась демонстрация возможности
отвода мощности от плазменных колебаний в низкоомную активную нагрузку — лампу
накаливания. Использовались различные лампы накаливания: от миниатюрных типа
СМ-15 (~0,5 Вт) до автомобильных 5—10 Вт, 12 В.
Как показано на схеме рис. 1, при подключении лампы (СМ-15) на расстоянии ~
1/4 от петли связи датчика на ней выделялась наибольшая мощность. Светимость
лампы контролировалась люксметром типа Ю-16. Подключение осциллографа
параллельно лампе позволяло контролировать процесс и подтвердить, что лампа горит
исключительно от мощности плазменных колебаний.
Наличие значительного "темнового" тока в течение периода Тг
регистрировалось по характеру изменения напряжения зарядки на емкости (Со + Ci) , которое
только малую часть периода имело классический характер экспоненциального
процесса в RC-цепи (рис. 2).
и
t
Рис. 2. Типичная осциллограмма напряжения на разряднике
Абсолютная мощность, выделяемая на лампе накаливания, варьировалась в
зависимости от частоты повторения Fn = 1/Тп, и при частоте ~1 кГц на лампе СМ-15
достигала десятых долей ватта. При этом благодаря слабой связи датчика
(+лампа) с линии отбиралась лишь малая (до 10 %) часть мощности плазменных
колебаний.
Активный режим
электрической цепи
Проведенные эксперименты со спиральными волноводами (катушками Тесла) в
диапазоне частот 200 кГц — 15 МГц также подтвердили наличие указанного выше
спектра частот, в частности при мощностях накачки не более 100 Вт.
Более высокий уровень мощности приводит к активному влиянию резонатора на
изменение плотности ФЭБК и формированию пространственных структур,
аналогичных ШМ. Параметры спирального резонатора при этом оказывают определяющее
влияние на параметры возникающих плазмоидных структур. Подтверждением
являются эксперименты с плазменными генераторами на основе спиральных волноводов с
частотой накачки 12—15 МГц.
В экспериментах использовались стандартные ВЧ-генераторы (ЛД2-60 и ВЧИ
4/13, колебательная мощность 63 и 2,5 кВт соответственно) рабочей частотой
10—15 МГц. К выходу ВЧ-генераторов через элементы, обеспечивающие
согласование фазовых соотношений, подключались спиральные резонаторы.
Используемые в исследованиях спиральные резонаторы имели следующие
параметры: длина намотки L ~ 50—70 мм, число витков n ~ 40—55, диаметр каркаса D ~
30—60 мм. Геометрические параметры волновода в данной серии исследований не
оптимизировались. Главным критерием выбора геометрических параметров было
соответствие собственной частоты волновода в режиме четвертьволнового резонанса
частоте накачки ВЧ-генератора (13,56 МГц). При этом необходимо иметь в виду,
что существуют вполне определенные геометрические параметры волновода
(диаметр, длина, число витков), которые при заданной частоте внешнего возбуждения
обеспечивают наиболее устойчивую конфигурацию формируемого плазмоида при
минимальных энергозатратах.
Зажигание разряда при атмосферном давлении, в основном, приводит к
формированию факела. Факел имеет выраженную структуру: яркую центральную область
(керн) и менее яркую оболочку. Образование последней связано с
тепловыделением разряда.
Рис. 3. Факельный разряд при атмосферном давлении
При значениях колебательной мощности ВЧ-генератора до 2 кВт длина факела,
примерно, равна 1—2 длины намотки катушки. Увеличение колебательной мощности
ВЧ-генератора приводит к кратному росту длины факела, т. е. факел имеет
волновую структуру, состоящую из перетяжек и утолщений. Период такой структуры
примерно равен длине намотки катушки (см. рис. 3).
Состояние среды (статическое давление, наличие потоков и др.) оказывает
существенное влияние на характер разряда. Так, при организации выдува газа из
высоковольтного электрода (при атмосферном давлении) характер разряда
существенно меняется, в частности исчезает высокотемпературная оболочка и в
невозмущенной потоком области происходит периодическое образование плазмоидных
структур, похожих на линейные молнии (рис. 4) . Частота образования структур
совпадает с частотой модуляции напряжения питания ВЧ-генератора, что
указывает на определенную роль акустических процессов в формировании плазмоидов. Как
правило, возникающие структуры расположены в плоскости, перпендикулярной
направлению потока газа.
Рис. 4. Формирование плазмоидных структур при атмосферном
давлении при организации подачи воздуха (газа) в область факела.
Аналогичные структуры возникают при повышении мощности ВЧ-генератора (более
2,5 кВт). При этом возникновение структур носит случайный характер.
Образование плазмоидных структур в данном случае может быть связано с интенсивными
тепловыми потоками, которые приводят к перемещению ионизованных плазменных
областей и росту конвекционного тока. Наиболее ярко указанный механизм
проявляется при организации потока газа в разрядной области (за счет инжекции
газа , обдува модели и т. п.) . Помимо роста конвекционной составляющей тока это
дополнительно приводит к понижению температуры плазмы.
При обдуве модели сверхзвуковым потоком газа3 (М ~ 1,5—3) существуют два
режима горения разряда в зависимости от давления торможения4. При давлениях
ниже 150 торр на носовой части модели возникает светящийся шар (рис. 5)
диаметром порядка 2,5—...3 см. Размер шара совпадает с теоретическими оценками
длины когерентности, задаваемой электромагнитными параметрами спирального
волновода на частоте 13,5 МГц.
Рис. 5. Формирование плазмоидных структур в условиях
обтекания модели сверхзвуковым потоком (М ~ 1,5—3) при
давлениях торможения р*< 150 торр.
При давлениях выше 150 торр размер шара уменьшается вплоть до исчезновения
и вокруг модели образуется шуба из веретенообразных нитевидных структур,
направленных по потоку (рис. 6). В случае неоднородного потока плотность нитей
возрастает пропорционально плотности потока, что находится в полном
соответствии с теоретическими предпосылками относительно влияния конвекционной силы.
Некоторые результаты исследования аэродинамических характеристик описываемых моделей
изложены в работах [12, 14].
4 Режим обтекания тела и характер возникающих плазмоидных структур существенно Зависят от
свойств материалов высоковольтного электрода и оболочки модели. В данной серии экспериментов
использовался высоковольтный электрод, изготовленный из диамагнетика (медь, латунь). В
качестве материала корпуса использовался фторопласт.
Рис. 6. Формирование плазмоидных структур в условиях
обтекания модели сверхзвуковым потоком (М ~ 1,5—3) при
давлениях торможения р*< 150 торр
Таким образом, обнаруживается существование критического давления
торможения, при котором происходит изменение масштаба плазмоидных структур. Похожий
переход наблюдается также в экспериментах с выдувом газа из высоковольтного
электрода модели при атмосферном давлении, когда происходит периодическое
образование структур, похожих на линейные молнии (см. рис. 4) . Обдув потоком
воздуха головной части модели приводит к исчезновению крупномасштабных
"молний" и появлению нитевидных структур аналогичных изображенным на рис. 6, с
характерным диаметром порядка 1 мм. Структурному переходу в этом случае
соответствует напор потока не более 5х103 Па. Увеличение напора в диапазоне 105—
106 Па не приводит к видимому изменению режима горения разряда, аналогичному
сверхпроводнику второго рода.
Измеренная с помощью термотаблеток газовая температура плазмы на
поверхности модели не превышает 120° С. При увеличении энергии ВЧ-генератора на
поверхности модели происходит возникновение ярких привязок, оставляющих следы
разрушения в виде глубоких борозд вдоль образующей поверхности (см. рис. 5).
Анализ этих фактов показывает, что проявляемые в экспериментах свойства
плазмоидных структур можно сопоставить свойствам сверхпроводников и
сверхтекучей жидкости. Например, для структурного изменения плазмоидов, возникающего
вследствие влияния потока газа, можно условно применить аналогию со
сверхпроводниками первого и второго рода5. Давлениям торможения до 150 торр можно
сопоставить сверхпроводимость первого рода. Размер области, занимаемой шаром,
определяется, в основном, параметрами электрического контура. По-видимому, в
этой области давлений торможения набегающего потока влияние среды на
параметры плазмоида является минимальным.
Увеличение давления торможения приводит к росту влияния параметров
набегающего потока на формирование плазмоидных структур. По аналогии с механизмом
сверхпроводимости второго рода (учитывая принцип минимума свободной энергии)
в данном случае возможно образование вихревых зон, соответствующих веретено-
Применяемая аналогия носит условный характер, поскольку в общем случае тип
сверхпроводимости определяется соотношением между длиной когерентности и глубиной проникновения магнитного
поля. Более глубокий анализ показывает, что для большинства способов формирования плазмоидов
(электромагнитное, гравитационное и другое взаимодействие) длина когерентности существенно
меньше глубины проникновения магнитного поля, что соответствует сверхпроводимости второго
рода (Лондонский сверхпроводник).
образным структурам. Последние можно сопоставить с вихрями Абрикосова.
Положение нитей определяется параметрами потока, в частности направлением и
градиентом (см. рис. 6). Существует также тенденция привязок нитей к неоднород-
ностям (например, к поверхностным неоднородностям), что показывает аналогию с
явлением пиннинга [10] .
Наблюдаемое в экспериментах при обдуве головной части модели
распространение нитей навстречу набегающему потоку (см. рис. 6) позволяет провести
аналогию со свойствами сверхтекучей жидкости. Одним из таких известных свойств
является распространение сверхтекучей и нормальной компонент навстречу друг
другу, что обеспечивает минимальное значение интегрального массопереноса,
либо его полное отсутствие [13]. Данное свойство проявляется в области
существования нитевидных структур, т. е. при давлениях торможения 150 торр и выше,
а также при обдуве головной части при атмосферном давлении. Величина напора в
последнем случае достигала 106 Па. Существенного изменения характера
распространения нитевидных структур не наблюдалось.
Повышение температуры плазмы выше критического значения приводит к
разрушению сверхпроводящего состояния с выделением энергии связи пар. Данным
механизмом обусловлено, по-видимому, появление ярких шнуров на поверхности модели
(см. рис. 5). Разрушение поверхности модели в случае привязки шнуров говорит
в пользу термического воздействия, вызванного разрушением пар. Образование
шнуров (зон разрушения электронных пар) происходит при увеличении
вкладываемой в разряд мощности ВЧ-генератора, например, при увеличении мощности за
счет перехода от двухполупериодного однофазного режима питания анода лампы к
трехфазному режиму.
Выводы
1. Проведенные эксперименты показывают, что при выполнении определенных
условий электрическая цепь с плазменным промежутком проявляет ярко выраженные
свойства макроскопического квантового объекта. В зависимости от мощности,
вкладываемой в электрическую цепь, последняя может выполнять роль пассивного
приемника колебаний ФЭБК либо активно влиять на изменение его параметров,
определяя при этом параметры плазмоидных образований.
2. Проведенное моделирование механизмов энергообмена в пассивной
электрической цепи позволило обнаружить высокочастотные плазменные колебания в районе
центральной частоты ~ 50 МГц, а также резонансный максимум при значении
емкости порядка 400 пФ. Это соответствует теоретическим предпосылкам о природе и
механизмах энергообмена в цепи с плазменными элементами. Данный механизм
может быть основным при формировании природных плазмоидов, в том числе ШМ.
3. Образующиеся в результате воздействия активной электрической цепи плаз-
моидные образования проявляют свойства, во многом аналогичные
сверхпроводникам и сверхтекучей жидкости. Обнаружено влияние параметров плазмообразующей
среды (воздуха) на масштаб плазмоидных структур.
4. Для обеспечения устойчивого существования сверхпроводящего (квантового)
состояния плазмоидов при минимальных затратах энергии электрической цепи
необходимо обеспечение оптимальных геометрических соотношений формируемой
линии, а также низкой газовой температуры плазмы. Превышение критической
температуры и критического тока приводит к разрушению сверхпроводящего состояния с
выделением энергии, равной энергии связи пар.
5. Как показано экспериментально, существует возможность использования
плазменных колебаний для создания преобразователей энергии окружающей среды в
требуемую форму (по аналогии с тепловым насосом). Кроме того, рассмотренный
механизм формирования плазмоидов может иметь широкий спектр применения, в
частности при решении задач аэродинамики, уменьшения шума (в том числе
связанного со сверхзвуковым истечением), каналирования энергии и др.
Литература
1. Шаровая молния в лаборатории. — М.: Химия, 1994.
2. Капица П. Л. О природе шаровой молнии. //В кн.: Эксперимент, теория,
практика. — М.: Наука, 1987. — 496 с.
3. Авраменко Р.Ф., Николаева В. И. Квантовая энергия электронного Бозе-
конденсата в окружающей среде. — М.: Химия, 1991. — 32 с.
4. Avramenko R.F., Burdakov V.P., Yevchenko N.V., Klimov A.I., Lebedev
P.D., Nikolayeva V.I., Paschina A.S., Sotnik B.V., Fediayev M.U.
Problems of Energy and Motor Installations for Spacecraft// Acta
Astronautica. 1998. V. 43. № 1-2. P. 63-64.
5. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в
вакууме. — М.: Наука, 1970. — 536 с.
6. Грановский В.Л., Быховская Л. И.//ЖЭТФ. 1946. Т. 16. С. 823.
7. Кесаев И.Г. //То же. 1964. Т. 34. С. 1482.
8. Клярфельд Б.Н. //Электричество. 1962. № 5. С. 70.
9. Бауров Ю.А. О структуре физического пространства и новом взаимодействии
в природе//Физическая мысль России. 1994. № 1, август. С. 18—41.
Ю.Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение. — М. :
Мир, 1974. - 430 с.
11.Авраменко Р. Ф. и др. Исследование плазменных образований, инициируемых
эрозионным разрядом// ЖТФ, 1990. Т. 60. №12.
12.Beaulieu W., Bityurin V., Klimov A., Leonov S., Paschina A., Timofeev B.
Plasma Aerodynamic WT Tests with 1/6 Scale Model of Nose Part of F-15.
//Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aerospace
Applications.- M.: IVTAN, 1999. P. 44-46.
13.Тилли Д.P., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. — М.: Мир,
1977.
14.Avramenko R.F., Grishin V.A. , Nickolayeva V.I., Paschina A.S. Some
Features of the Plasmoid Formation with reference to Aerodynamic
Problems. //Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aerospace
Applications. - M. : IVTAN, 1999. P. 134-136.
Лаборатория
СОЗДАНИЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
К. Л . Корум, Дж. Ф . Корум
«Не только глубокие размышления и
интуиция требуются ученому, но также
смелое воображение».
П.Л. Капица
Введение
Точно следуя высокочастотной методике Николы Теслы, описание которой
было обнаружено в его записях, мы в августе 1988 г. начали создавать в
воздухе электрические огненные шары диаметром ~2 см [1—5]. Работа Теслы
была выполнена 8 9 годами ранее, летом 18 99 г. и, как следует из открытой
литературы, никогда не была повторена или проверена. Хотя создание
огненных шаров повторялось в лаборатории, зафиксировано большим числом
фотографий [6] и видеозаписями, скрытая за их образованием и развитием
физика была для нас в то время недостаточно ясна. Имея высоковольтную
высокочастотную методику создания этого явления по желанию, мы не могли
четко объяснить природу образования и эволюции огненных шаров,
полученных этим способом.
В детальных, замечательных наблюдениях Теслы в 1899 г. [7] было
выдвинуто несколько гипотез о природе огненных шаров, но мы ощущали, что
нужно нечто большее для ясного понимания явления, чем представления физики
столетней давности. Любой прогресс в технике получения огненных шаров
требует понимания, выраженного на языке самой современной физики.
Несмотря на то, что мы были хорошо знакомы с трудами Капицы и большим
числом публикаций по шаровой молнии западных ученых за последние 150 лет,
тем не менее мы не использовали возможность проанализировать последние
достижения советских исследователей.
Последние успехи
советских ученых
В июне этого года нам стало известно о значительных успехах в создании
теории шаровой молнии, результаты которой были опубликованы в советской
научной печати. Большая часть последних советских работ содержит такое
же число неудовлетворительных и странных абстрактных теоретизирований по
шаровой молнии, как и работы, появляющиеся в западной научной
литературе. Однако среди них есть ряд интересных публикаций, которые, как мы
думаем, описывают метод Теслы для создания шаровой молнии с достаточной
определенностью. Мы поместили их в список литературы под номерами [8—
28] . Этот прогресс был достигнут в первую очередь благодаря усилиям Б.
М. Смирнова и его коллег из Института теплофизики СО АН СССР в
Новосибирске. С самого начала Смирнов осознал тщетность всех моделей шаровой
молнии, которые не включали в себя внутренний источник химической энергии.
Он также ясно представлял какую роль могут играть аэрозоли, аэрогели,
нитевидные структуры, плазмохимия и горение частиц пыли. С появлением
понятия фрактала и физики агрегации, ограниченной диффузией [2 9—36],
Смирнов смог с конца 7 0-х и до середины 80-х годов сильно развить аэро-
гельную теоретическую модель, в которой активное вещество шаровой молнии
представляет собой электрически заряженную структуру, состоящую из
переплетенных субмикронных нитей, т. е. пористый фрактальный кластер с
большой химической емкостью. Почти весь каркас такой аэрогельной структуры
занят свободными порами.
Высвобождение энергии из химически заряженного фрактального кластера
может быть описано многоступенчатым процессом горения. В качестве
примера такого процесса Смирнов предлагает многоступенчатое горение
фрактального кластера из древесно-угольной пыли в озоне, поглощенном самим
кластером, как модельный процесс в шаровой молнии:
С+ 03^X4-Y^Z-iC02, СО, (1)
где а и в — константы скоростей наиболее медленных стадий процесса
зависят от температуры, при которой происходит насыщение угля озоном и,
согласно его расчетам, характерные значения времени достаточно велики.
Горение древесного угля в адсорбированном озоне одновременно —
интенсивный и медленный процесс тепловыделения. Предсказанные температуры и
времена жизни согласуются с наблюдениями шаровой молнии. В этой модели цвет
и свечение шаровой молнии создаются путем, подобным тому, как это
происходит в пиротехнике благодаря присутствию светящихся компонентов
состава . Указанная теоретическая модель Смирнова способна удовлетворительно
объяснить разные свойства шаровой молнии.
Фрактальные явления
и первопричина
шаровой молнии
«Химическая история свечи» была источником удивления и восхищения с
того времени, когда в середине XIX в. Фарадей выступил с Рождественскими
лекциями в Королевском институте. Его известные беседы являются
великолепным введением в основные принципы горения и доступны в
современных изданиях [37]. Именно Фарадей указал на главную роль частиц са-
жи и углерода в свечении пламени.
Современное развитие науки о кластерах углубило наше понимание
процессов образования пыли, сажи, коллоидов и конденсированных аэрозолей.
Изучение роста фракталов позволило по-новому взглянуть на рост сажи при
добавлении частиц углерода в процессе хаотической коагуляции.
Интересной во многих отношениях и, может быть, даже положившей начало
новому направлению, связывающему фракталы и дым, была публикация
результатов замечательного экспериментального исследования, проделанного Фор-
рестом и Уиттеном [30]. Они наблюдали сверхвысоко-дисперсные частицы
дыма (диаметром порядка 80 А) и обнаружили, что частицы прилипают друг к
другу и образуют цепочечные агрегаты. Их лабораторные эксперименты
показали, что фрактальные структуры действительно образуются в течение
нескольких десятков миллисекунд после теплового взрыва материалов.
Установка Форреста и Уиттена состояла из вольфрамовой нити с
нанесенным на нее гальваническим способом железом или цинком. Нить быстро
нагревалась при прохождении по ней короткого сильноточного импульса,
нанесенный материал испарялся с нити и образовывал плотный газ
(металлический пар) , распространение которого в окружающую атмосферу было
ограничено диффузией. Плотный газ состоял из более—менее однородных
сферических частиц. Горячие частицы, быстро двигавшиеся от нагретой нити,
останавливались из-за столкновений в окружающей среде и формировали
сферический ореол на расстоянии порядка 1 см от нити. На этом расстоянии
частицы начинали конденсироваться и слипаться, формируя агрегаты типа
цепочек, которые затем оседали на предметном стекле электронного микроскопа.
Последующее изучение конденсированной фазы показало, что она обладает
фрактальными свойствами. (Анализируя это направление исследования,
необходимо отметить и раннюю работу Бейшера, который показал, что дым окиси
магния в дуговом разряде содержит цепочечные агрегаты, в то время как в
дыме при отсутствии дуги из сверхвысокодисперсных частиц образуется
просто плотный аэрозоль [38].)
Глубокая проницательность Смирнова состояла в том, чтобы осознать, что
этот фрактальный кластер можно привлечь для объяснения структуры и
свойств шаровой молнии. Ошеломляющим подтверждением представлений
Смирнова и его коллег являются слова из его недавней работы [21]: «Мы будем
исходить из того, что шаровая молния имеет структуру фрактального
кластера». Нет сомнений в том, что глубокие исследования Смирнова и его
анализ дают наилучшее физическое объяснение шаровой молнии из имеющихся
в современной науке.
Высокочастотная
установка для создания
шаровых молний
Существует много работ, посвященных описанию и анализу генератора Тес-
лы», начиная с классической работы Обербека, вышедшей в 1895 г. [39].
Однако, по нашему мнению, все из этих описаний основаны на ошибочной
теоретической модели и оставляют желать лучшего с технической точки
зрения. (Так, они рассматривают установку как сосредоточенную цепь и
упускают из вида тот факт, что распределение тока на стадии резонатора
является четвертьволновой синусоидой с Imax(Vmin) внизу и Imin (Vmax) наверху.)
До тех пор, пока мы не воспользовались концепцией «усредненного
характеристического сопротивления» Шелкунова и не применили к резонаторам Теслы
линейную теорию распространения медленных волн, мы не могли точно
предсказать действие высоковольтного, высокочастотного генератора и, соот-
ветственно, создавать огненные шары. Наша модель достаточно надежна при
использовании ее для анализа данных лабораторных тетрадей Теслы за 18 99
г.
Основная часть установки Теслы для создания огненных шаров состоит из
четвертьволнового спирального резонатора замедляющей волны,
расположенного над проводящей, заземленной плоскостью. Наш резонатор магнитно
связан с искровым разрядным генератором высокой пиковой мощности (примерно
7 0 кВт), работающим с частотой 67 кГц. Фактическая средняя мощность,
поступающая на высоковольтный электрод, была порядка 3,2 кВт (при этом
создавался 7,5-м ВЧ разряд). Используемая Теслой мощность была, конечно,
в 100 раз больше той, которую потребляли мы на нашем достаточно скромном
оборудовании.
Действие установки
Искровой разрядный генератор производил 800 импульсов в секунду, а
продолжительность искры составляла 100 мкс. Вторичная обмотка
высокочастотного резонатора имела измеренное время когерентности 72 мкс. Это
означает, что индуцированные некогерентные полихроматические колебания
занимают 72 мкс для того, чтобы создать стоячую волну и образовать высокое
напряжение в верхней части резонатора:
Vmax = SVmin (2)
где S — коэффициент замедления спирального резонатора. Схема Смита
может быть использована для удобной демонстрации работы высоковольтной
секции установки. (Теория работы установки детально развита в [4 0—42].
Работа [43] представляет собой руководство с использованием компьютера.)
780 turns
84" tall
24" wide
4900 ft
32 tt/lb
157 lbs
1 05 mh
Primary 65 uh
3m* 2m
1 rn above ground —
20 ohms
4 turns of 3
parallel #2 gauge
wire 375 "
stranded
26
ft-
~? 432 Turns
НЭ 54" tall
1 8" wide
~l 33.25 mh
2035 ft
20 Wlb
1 05 lb
m
.08 Ut
10 kv
Rotary Break
800 hz/1 00 usee
spark
60 hz
power
mams
Установка Теслы (из другой статьи авторов)
Установки Теслы имеют несколько важных преимуществ перед другими
высоковольтными устройствами (такими, как генераторы ван де Графа и Маркса).
В них не только достигается высокая энергия, но также разрешены циклы в
напряженных режимах, т.е. высокие частоты повторения и работа с высокой
средней мощностью. Согласно инструкциям Теслы, короткий кусок толстого
медного провода или угольный электрод выходит из боковой части
высоковольтного электрода. Когда указанный электрод разряжается, ВЧ резонатор
выделяет энергию быстро, импульсом. (Тесла отмечал во многих местах
записей, что для появления огненных шаров требуется создание «быстрых и
мощных» разрядов.) Всплеск выделенной энергии проявляется в виде
сферического шара или того образования, которое может быть фрактальным
«пузырем». Этот метод создания огненных шаров определяется релаксацией
испаренного металла или частиц угля, причем образуемые кластеры не
отличаются от появляющихся в результате агрегации, ограниченной диффузией Форре-
ста и Уиттена. Полезными являются указания Теслы по использованию
покрытого резиной кончика кабеля или медного провода для того, чтобы
«облегчить зажигание искры» [7]. Мы предполагаем, что диффузионно-ограниченная
агрегация проходила либо в парах меди, либо в парах угля (в результате
испарения либо провода, либо его изоляции) . Как и в случае с Si02, при
таких условиях конденсированный СиОг тоже может образовывать аэрогель.
Образование фрактального шара не сильно отличается от того, что
наблюдали Форрест и Уиттен (за исключением того, что он заряжался
высоковольтным электродом). Между прочим, резиновая изоляция старого образца
покрывалась сажей.
Но, как указывает Смирнов, простое образование пористого фрактального
кластера еще не будет достаточным условием для появления шаровой молнии
с временем жизни большим нескольких миллисекунд. Фрактальное образование
получалось из сажи еще в свечах Фарадея, но для образования шаровой
молнии, живущей несколько секунд и более, необходимы и другие составляющие.
Подчеркнем, что установка Теслы является источником озона и других
химически активных частиц. Мы полагаем, что эти, а может, и другие частицы
быстро поглощаются заряженным пористым фрактальным кластером.
Температура плазмы в районе разряда, где формируется структура, достаточна для
того, чтобы вызвать многоступенчатый процесс горения.
Экспериментальные
наблюдения
Используя установку, схема которой представлена на рис. 1, мы
наблюдали большое число огненных шаров диаметром от нескольких миллиметров до
нескольких сантиметров. Времена жизни огненных шаров типично
продолжались от половины до нескольких секунд, их цвет изменялся от темно-
красного до ярко-белого. Исчезновение некоторых из огненных шаров
сопровождалось громким звуком, в то время как другие появлялись и затухали.
Иногда производить запись явления на фотопленку на доступной нам
технике было сложно. В некоторых случаях видеозапись оказывалась
прекрасной. Продолжительность могла быть оценена по скорости кадров
видеоаппаратуры. Но для стандартных фильмов, как скорость кадров, так и выдержка,
были слишком медленными. Однако фотографии часто получались адекватными
изображению. В замечательной последовательности фотографий можно
наблюдать появление огненных шаров с противоположной стороны оконного стекла
[2, 5] .
На фотографии (рис. 2) видно, как огненный шар плавно скользит справа
налево и вверх. (На самом деле, огненный шар сначала сформировался, а
затем в него ударил стример. В результате появилось изображение, на
котором огненный шар пронизан стримером.) Белый огненный шар имел диаметр
порядка 2 см. Электрод изготовлен из медного провода, при съемке
использована выдержка 1/125 с. Длина стримера превышала 1,5 м. Другие
светящиеся области и яркие точки видны слабо1.
Рис. 1. Установка Теслы, использованная при получении
фотографий. На рисунке представлена схема действия открытого
спирального резонатора замедляющей волны.
При съемке фотографии рис. 3 было видно невооруженным глазом много
огненных шаров, но лишь один из них был пойман фотокамерой. Видно, как он
поднимается слева направо по отношению к центральной части стримера.
Обратите внимание на яркие и темные области стримера. Диаметр огненного
шара был около 2 см, а длина стримера, справа, превышала 2 м. Электродом
служил медный провод, использована выдержка 1/125 с. На фотографии рис.
4 находятся два огненных шара, образовавшиеся близко друг от друга.
Скользя вправо, они столкнулись с разными стримерами. Использована
выдержка 1/4 с.
На фотографии рис. 5 видно пять больших огненных шаров (около 2 или 3
см в диаметре), несколько светящихся точек и ярко светящийся участок
стримера длиной около 30 см. Использована выдержка 1/4 с. (Красное
свечение в нижнем левом углу фотографии возникло благодаря интенсивному
нагреву у основания дуги.)
В наших лабораторных экспериментах огненные шары обычно формировались
около высоковольтного резонатора и проносились снаружи от стримера либо
выше, либо ниже его. Это представляется удовлетворяющим названию
«Kugelblitz» — шаровая молния. (В противоположность ему четочная молния
или «Perlschnurblitz» представляет собой такое явление, когда разрядный
канал разрывается на несколько коротких светящихся фрагментов, не свя-
Мы не стали помещать фотографии, потому что на самом деле на них ничего не видно.
Изначально они были цветные, но толи при публикации статьи в УФН, толи при сканировании и
оцифровке, они пошли как черно-белые и все детали пропали.
данных между собой, которые продолжают существовать дольше, чем
разрядный канал. Ясно, что четочная молния не то явление, которое мы
наблюдали . )
Видеозаписи эволюции огненных шаров указывают на то, что огненные шары
возникают вблизи электрода, а затем в них ударяют стримеры.
Первоначально они бывают величиной со сферу в 6 мм, которая затем начинает расти.
Кажется, что шарик застыл, плавая в объеме, а стример тем временем
гаснет. Затем в плавающий шар ударяет новый стример, и он становится
больше. Мы наблюдали, как в один шар последовательно попали шесть разрядов,
при этом он каждый раз увеличивался. Наблюдался огненный шарик, который
вырос из первоначальной 6 мм сферы в огненно-красную глобулу диаметром 5
см за время в 1 с. Иногда было видно, как вращаются некоторые шары с
движущимися пятнами (как пятна на солнце). Некоторые огненные шары
кажутся прозрачными рядом с разрядами, пронизывающими их. Мы наблюдали
несколько светящихся образований, которые в течение эволюции изменяли цвет
и в конце концов взрывались как сверхновая. При этом в соответствии с
указанным ранее предположением помещение восковой свечи на
высоковольтный резонатор усиливает появление огненных шаров.
Фотография рис. 6 увеличена для того, чтобы показать глобульную
структуру одиночного большого яркого изолированного электрического огненного
шара. В действительности огненный шар был диаметром приблизительно в 1
см. Огненные шары имеют сферическую структуру, и это наводит на мысль,
что поверхностное натяжение должно играть какую-то роль в эволюции
шаровой молнии. Легкое, но заметное потемнение лимба и почти твердое
изображение указывают на то, что шаровая молния оптически плотна. Электродом
служил провод, намотанный на восковую свечу, использована выдержка 1/4
с.
Фотография рис. 7 была сделана при видеосъемке образования огненного
шара вблизи высоковольтного электрода. После сортировки кадров на
дисплее был перефотографирован отдельный кадр на цветном мониторе.
Последовательность событий была весьма примечательна. Сначала кажется,
что огненный шар появился из «ничего» (так как его не было на предыдущем
кадре). На следующих кадрах стример уходит и исчезает, оставляя шаровую
молнию несколько увеличенной в размере и более горячей, как это показано
на фотографии рис. 7. (Наблюдение за стримерами тоже очаровывающее
занятие—стримеры часто появляются такими, будто они состоят из яркого
жидкого вещества, которое видно как впрыскивается и движется в их
направлении. Это вещество, очевидно, добавляется к веществу шаровой молнии и
увеличивает ее размер.)
Из последовательности видеозаписей становится понятным, что снимок
может дать неправильное представление, ибо огненные шары выглядят вместе
со стримерами как мячики для гольфа, нанизанные на шпагу. В
действительности же установка (делающая 800 прерываний в секунду) производит в
секунду очень большое число разрядов. Эти разряды попадают в огненные шары
достаточно часто за время выдержки и дают на фотографиях изображение
образования шаровой молнии в стримере. На самом деле стримеры прыгают от
шаровой молнии к шаровой молнии, ослепительно высвечиваясь. На
фотографиях в инфракрасном свете огненные шары значительно ярче стримеров. Это
означает, что они значительно горячей, чем стримеры.
Видеоснимки дают еще одну возможность—наблюдать слабые вариации
распределения свечения поперек диска шаровой молнии. В одном частном случае
шаровая молния была действительно окружена светящейся оболочкой
аналогично Звезде М-52 (кольца Небулы в созвездии Лиры). Усиление
результирующего сигнала открывает большое истинное свечение сферической оболочки
шаровой молнии. В астрофизике такое случается только с особо горячими
звездами типа О и В.
Фотография (рис. 8) может вызвать волнение. Изображение содержит
дюжину больших сферических глобул, находящихся в одном ряду и на разных
стадиях развития, когда в них попадает один и тот же стример. Огненные
шары, начиная с красных карликов, проходят состояния с различными цветами
и размерами к гигантской бело-голубой стадии. Кажется, что некоторые из
них взорвутся как сверхновая, тогда как другие охладятся, как красные
гиганты. Выдержка 1/4 с. Штырь из древесного угля использован вместо
покрытого резиной медного провода для «зажигания искры» Теслы.
Высоковольтный электрод диаметром 30 см виден слева.
В работах [2, 3 и 5] мы фотографически подтверждаем «прохождение
шаровых молний через оконное стекло» в наших лабораторных экспериментах. Мы
также сообщаем об альтернативных электрических устройствах для получения
тех же результатов.
Выводы
Анализируя полученные результаты, мы считаем, что, как и в установке
Форреста и Уиттена, в рассматриваемом случае сильноточные импульсы,
исходящие из медного провода и древесно-угольных электродов на
высоковольтном электроде, могут создавать фрактальные сгустки, которые быстро
адсорбируют озон и другие химически активные компоненты из приэлектрод-
ной области. Образуемые электрически заряженные аэрогельные структуры
проявляют характерные свойства шаровых молний. Эта фрактальная природа
электрохимических шаровых молний была впервые предложена и теоретически
исследована советским ученым Б. М. Смирновым. Нет никакого сомнения в
аналогичности этих огненных шаров, полученных в высоковольтном
генераторе, и шаровых молний, появляющихся естественным путем в атмосферных
электрических грозах.
Мы также отмечаем, что эти результаты тщательно подтверждают
исторические эксперименты Теслы по созданию шаровой молнии. Не может и быть
сейчас вопроса о достоверности его записей 1899 г. и правдивости его
наблюдений шаровой молнии.
Прохождение шаровой молнии сквозь стекло
(снимок из другой статьи тех же авторов).
Заключительные
замечания
У Теслы не было двойственного отношения к наблюдению и лабораторному
созданию электрических шаровых молний. Описывая исследования 1899 г. по
шаровой молнии, он говорил: «Мне удалось определить способ их
образования и создать их искусственно» [44]. К несчастью в течение жизни он не
выбрал пути ознакомления широкой научной общественности со своей
экспериментальной техникой. Нам повезло, что он оставил после себя такую
подробную интересную документацию. Как раз накануне закрытия его
лаборатории в Колорадо-Спрингс Тесла записал в дневнике: «Наилучшее изучение
этого явления может быть проведено при продолжении экспериментов с более
мощными установками, которые в существенной степени разработаны и будут
сконструированы, как только время и средства мне позволят» [7]. Причина
записи заключалась в том, что он возвратился в Нью-Йорк, начал строить
большую передающую станцию на Лонг-Айленд, преследовался кредиторами и
потерпел финансовое банкротство прежде, чем смог закончить создание
аппаратуры .
Время прошло, теперь шаровые молнии могут быть тщательно изучены в
лабораторной контролируемой среде. Мы думаем, что работа, которую Тесла
оставил незавершенной, может быть сейчас возобновлена. С развитием
техники и концепций, доступных современным ученым, будет непременно
достигнут быстрый прогресс в этом направлении.
Цитата в начале работы взята из доклада Капицы «Воспоминания о Лорде
Резерфорде» на заседании Королевского общества в 1966 г. Капица, который
сам инспирировал много работ по шаровой молнии, продолжает: «Основными
чертами мышления Резерфорда были большая независимость и большая
смелость». Эти качества являются характеристиками всех тех, кто хоть что-то
вложил в поступательное движение цивилизации. Однако, как указывал
Капица , нигде это не выглядит так критично, как в научных вопросах. Конечно,
эти отважные черты присутствовали и в жизни Николы Теслы — физика-
экспериментатора, инженера и изобретателя.
Нам кажется уместным закончить работу собственными мыслями Теслы,
пришедшими ему в первые часы XX в. и записанными в дневник всего за
несколько дней до отъезда в Нью-Йорк из его лаборатории в Колорадо-
Спрингс, покрытой снегом и пронизанной одиночеством: «Это является
фактом, что данное явление может быть теперь искусственно создано, и будет
нетрудно узнать больше о его природе» (Н. Тесла, 3 января 1900 г.).
К несчастью для современной цивилизации эти удаленные
исследовательские устройства на земле Скалистых Гор были закрыты навсегда в
январе 1900 г., и электрические чудеса, проделанные в этих стенах,
оставались тайной вплоть до нашего поколения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Corum J.K., Corum K.L. Laboratory Generation of Electric Fire Balls
(принято в печать), 7c. (издание не указано).
2. Corum J.К., Corum K.L. Further Experiments with Ball Lightning (принято
в печать), 9c. (издание не указано).
3. Corum K.L., Corum J.К.//Production of Electric Fireballs (принято в
печать) , 7c. (издание не указано).
4. Corum J.К., Corum K.L.//The Laboratory Production of Electric Fireballs
(принято в печать), 54 с. (издание не указано).
5. Corum K.L., Corum J.K.//Tesla Coil Builder's Association News. 1989. V.
8. P. 13.
6. Corum K.L., Edwards J.D., Corum. J.K. Fire Balls: A Collection of
Laboratory Photographs.— Corum and Associates, 1988.
7. Testa N. Colorado Springs Notes: 1899—1900/Ed. A. Marincic— Beograd:
Nolita, 1978.
8. Гиндин Л.Г., Вольпян //Yen. химии. 1968. Т. 1. С. 130.
9. Зайцев А.В.//ЖТФ. 1972. Т., 42. С. 213.
Ю.Смирнов Б.М//ДАН СССР. 1976. Т. 226. С. 806.
11.Смирнов Б.М//УФН. 1975. Т. 116. С. 731.
12.Голубев Е.М., ПодмошенскийИ. В.//Письма ЖТФ. 1977. Т. 3. С. 509.
13 . Афанасьев В.Р., Дорофеев СБ; Синицын В.И. , Смирнов Б.М.//Ж.ТФ. 1981. Т.
51. С. 2355.
14.Александров В.Я; Бородин И.П; Киченко Е.В., Подмошенский И.В.//ЖТФ.1982.
Т. 52. С. 818.
15.Александров В.Я; Голубев Е.М., Подмошенский И.В.//ЖТФ. 1982. Т. 52. С.
1987.
16.Крайнов В.П., Смирнов Б.М, Шматов И.П.//ДАН СССР. 1985. Т. 283. С. 361.
17.Войцеховский Б.В., Войцеховский М.Б.//Ibidem. 1986. Т. 287. С. 331.
18.Плюхин В.Г., Смирнов Б.М.//Ibidem. С. 836.
19.Смирнов Б.М.//УФН. 1986. Т. 149. С. 177.
20.Крайнов В.П., Лебедев Г.П., Назарян А.О., Смирнов Б.М.//ЖТФ. 1986. Т.
56. С. 1791.
21.Смирнов Б.М.//ДАН СССР. 1987. Т. 292. С. 1363.
22.Смирнов Б.М.//УФН. 1987. Т. 152. С. 133.
23.Смирнов Б.М. Загадка шаровой молнии. М.: Наука, 1987.
24.Войцеховский Б.В., Войцеховский М.Б.//ДАН СССР. 1987. Т. 295. С. 580.
25. Smirnov B.M.//Phys. Rept. 1987. V. 152. P. 177.
26.Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии.—М.: Наука, 1988.
27.TerHaar D.J./Pkys. Scripta. 1989. V. 39. P. 735.
28.Григоръев А.//Сов. Литва. 1989. Н. 179. С. 4.
29.Mandelbrot В.В. Fractals: Form, Chance and Dimension.— San Francisco:
Freeman, 1977.
30.Korrest S.R„ Witien T.A.//J. Phys. Ser. A 1979. V. 12. L. 109.
31.Witien T.A., Sander L.M. J/Phys. Rev. Ser. B. 1983. V. 27. P. 5686.
32.Meakin P. //Phys. Rev. Lett. 1983. V. 51. P. 1119.
33. Mandelbrot B.B. The Fractal Geometry of Nature.—New York: Freeman, 1983.
34.Niemeyer L., Pietronero L., Wiesmann H.J.//Phys. Rev. Lett. 1984. V. 52.
P. 1033.
35.Hurd A.J.//Amer. J. Phys. 1988. V. 56. P. 969.
36.Douady A.//The Beauty of Fractals/Eds H. 0. Peitgen, P. H. Richter.—
Berlin A.O.: Springer-Verlag, 1986.—P. 161.
37.Фарадей M. История свечи. H.: Наука. 1980.
38.Beischer D.//Zs. Electrochem. 1938. Bd 44. S. 375.
39.0berbeck A.//Wied. Ann. 1895. Bd 55. S. 623.
40.Corum K.L.//Proc. of the 2nd Intern. Tesia Sumposium.—Colorado Springs,
Col., 1986.-Ch. 2. P. 1.
41.Proc. of the 19th Southeastern Symposium on System Theory.—Clemson
University, South Carolina, 1987.—P. 45.
42.Corum J.K., Corum K. L. Vacuum Tesia Coils.—Corum and Associates, 1988.
43.Corum J.K., Edwards D.K., Corum K.L. TCTVTOR: A Personal Computer
Analysis of Spark Gap Tesia Coils.— Corum and Associates, 1988.
44.Testa N.//Electrical World and Engineer. 1904, March 5. P. 429,
Электроника
С
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Бойков В.И., Смирнов А.В.
Описан высоковольтный усилитель постоянного тока с ключевым режимом
работы выходных транзисторов и оптронной развязкой входного и
выходного каскадов. Диапазон изменения выходного напряжения от -350 до +350
В, при работе на нагрузку емкостью 10000 пФ и коэффициенте гармоник <
3% полоса пропускания составляет 600 гц.
Все большее использование пьезоэлектрических исполнительных устройств в
различных областях науки и техники делает актуальной разработку простых,
компактных и экономичных высоковольтных усилителей для управления ими. Эта
задача имеет особое значение для адаптивной оптики, где применяются корректоры
волнового фронта с большим количеством пьезоэлектрических приводов (до
нескольких десятков), каждому из которых требуется управляющий усилитель.
Описанные в литературе высоковольтные усилители [1, 2] довольно сложны,
громоздки, имеют относительно низкий к.п.д.
Авторами разработана экономичная и простая в реализации схема
высоковольтного усилителя с ключевым режимом работы выходных транзисторов и оптронной
развязкой входного и выходного каскадов. Схема усилителя показана на рис. 1.
Выходной двухтактный каскад образован двумя высоковольтными транзисторными
оптопарами, импульсное управление которыми осуществляется с помощью
компаратора Ml. Входной сигнал и сигнал отрицательной обратной связи с выхода
усилителя подаются на неинвертирующий вход компаратора через делитель напряжения
R1R2. К выходу компаратора подключены светодиоды Д1 и Д2, управляющие
выходными высоковольтными фототранзисторами Т2 и ТЗ. Транзистор Т1 инвертирует
сигнал управления светодиодом Д1. При подаче входного сигнала включается один
из светодиодов и открывается соответствующий ему фототранзистор. Когда
выходное напряжение достигает величины напряжения на входе, умноженного на
коэффициент усиления, компаратор переключается, что приводит к переключению
выходных фототранзисторов. В схеме возникает высокочастотный автоколебательный
режим, при котором выходное напряжение поддерживается на уровне входного,
умноженного на коэффициент усиления, равный отношению R2/R1. Диапазон изменения
выходного сигнала определяется напряжением питания и ограничивается только
напряжением пробоя фототранзисторов.
+ 350
0 -350
Рис. 1. Высоковольтный усилитель постоянного тока. Mi — К554САЗА;
Ti - КТ315А-Е, Т2, Т3 - КТ826В; Дх, Д2 - АЛ107А.
Высоковольтные фототранзисторы изготовлены из высоковольтных транзисторов
КТ826В и инфракрасных светодиодов АЛ107А. В крышке металлического корпуса
транзистора напротив кристалла просверлено отверстие (рис. 2) , в которое
вставлен светодиод с таким расчетом, чтобы излучение максимально
концентрировалось на кристалле транзистора (при использовании светодиода в
металлическом корпусе его необходимо изолировать от корпуса транзистора). От
правильности установки светодиода зависит к.п.д. усилителя и ширина полосы
пропускания при работе на емкостную нагрузку. Макетный образец усилителя имел
следующие параметры. Диапазон изменения выходного напряжения от —350 до 350
В. Частота пульсаций выходного напряжения (частота переключений компаратора)
1,2 МГц. Амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке 10 ООО пФ, не более 1,5
В. Частотные характеристики при работе на емкостную нагрузку представлены на
рис. 3 в виде зависимостей полосы частот f от амплитуды выходного напряжения
U при коэффициенте гармоник <3% для нагрузок емкостью 2000 и 10 000 пФ.
Рис. 2. Высоковольтный фототранзистор
12
О
\
\
\l0000n®
^2000пФ
100
J00 и,ь
Рис. 3. Зависимости полосы частот высоковольтного
усилителя от амплитуды выходного напряжения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сакалаускас С.Ю., Добровольские А. Т., Марцинкивячус В.А. // ПТЭ. 1983.
№ 5. С. 127.
2. Каменев Л.В. // ПТЭ. 1983. № 6. С. 96.
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР
D. Di Mario
Если у вас возникла необходимость обеспечить питанием схему с очень малым
потреблением, вы можете остановить свой выбор на инфракрасных оптронах,
солнечных элементах, батарейках или маломощных трансформаторах, хотя последний
вариант может оказаться несколько габаритным для поставленной задачи. В
конечном итоге, за исключением солнечных элементов и батарей, все из них
получают энергию из сети, поэтому, если требуемая мощность лежит в диапазоне от
0.1 до 0.3 мВт, может оказаться удобным использование пьезоэлектрического
трансформатора. На рисунке 1 показана простая схема использования такого
трансформатора.
I
П ь&зок&ра ы н ч ескн й
трансформатор
Рис. 1
Два пьезокерамических звуковых излучателя приклеены друг к другу таким
образом, чтобы механические колебания одного из них (первичного) передавались
другому (вторичному). Выходное переменное напряжение может быть использовано
напрямую без дополнительных преобразований или же выпрямлено, чтобы
обеспечить подачу постоянного питающего напряжения к схеме или использоваться в
качестве источника постепенной подзарядки маленькой резервной батарейки.
Для практического изготовления потребуется два керамических звуковых
излучателя с высокой собственной емкостью: излучатели с емкостью от 80 до 100 нФ
широко доступны и обычно представляют из себя 50-миллиметровые диски. Два
таких диска были обрезаны до 35 мм, чтобы сделать трансформатор более
компактным и уменьшить паразитную емкость между первичным и вторичным дисками. Слой
двустороннего скотча наложен на большую пластину каждого излучателя для
обеспечения надежной электрической изоляции между первичным и вторичным дисками.
Затем звуковые излучатели плотно прижимаются друг к другу и трансформатор
готов к работе.
В Таблице 1 показаны значения, измеренные на выходе при различных
сопротивлениях нагрузки. Переменное напряжение измерялось при нагрузке подключенной
непосредственно к выводам трансформатора, как это показано на рисунке 2.
Постоянное напряжение измерялось на выходе двухполупериодного выпрямителя.
Измеренное постоянное напряжение справедливо для выпрямителя, выполненного
на диодах Шоттки, но даже использование стандартных диодов типа 1N4004
приведет к уменьшению этой величины всего лишь на 6-8%.
Измерения проводились при работе трансформатора на открытом воздухе, без
какого либо держателя, однако должная механическая компоновка схемы
потребует, чтобы трансформатор был прочно закреплён за край диска. Это улучшит
передачу энергии механических колебаний к вторичной цепи и приведет к
дополнительному повышению выходного напряжения на 15-20%.
Табл. 1.
Нагрузки
VriEPEM, [В]
Vnocr, [В]
1 МОм
7
5.48
100 кОм
5.1
4.67
47 кОм
4.22
3.29
22 кОм
2.77
2.06
10 кОм
1.41
1.1
4.7 кОм
0.68
0.56
Необходимо соблюдать предельную осторожность во время тестирования и
эксплуатации, поскольку устройство подключается напрямую к сети переменного
тока . В некоторых странах необходимо будет использовать два входных резистора
вместо одного, включив их последовательно с каждым проводом с целью
уменьшения сквозных высоковольтных выбросов через паразитную емкость между первичным
и вторичным дисками (около 180 пФ).
Пьезокерамические звуковые излучатели
R
Данное устройство тестировалось на электрическую прочность путем снижения
номинала входного резистора до 56 кОм: выходное напряжение при этом возросло
на 55%, но сам трансформатор слегка разогрелся после нескольких часов работы.
Поведение керамических звукоизлучателей на частоте сети переменного тока не
документировано, поэтому использование такого трансформатора с входным
резистором номиналом менее 100 кОм может быть рискованным.
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Медведев И.И.
Повторитель напряжения предназначен для сопряжения устройств, имеющих
высокое выходное сопротивление, с устройствами, имеющими низкое
входное сопротивление. Полоса пропускания по уровню 0,707 равна 0 н- 90
МГц, время нарастания фронта 4 не, входное сопротивление 1 МОм,
коэффициент передачи >0,9.
Во многих устройствах требуются быстродействующие (широкополосные)
повторители напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлениями.
В [1] описан такой повторитель. Однако при использовании этого повторителя
выявились его недостатки: имея высокое входное сопротивление, он требует
шунтирования входа низкоомным резистором (<1 кОм), иначе повторитель
самовозбуждается на низких частотах; в режиме холостого хода на входе при включении
источников питания на выходе повторителя устанавливается положительное или
отрицательное напряжение, близкое по величине к напряжению источников питания;
в районе частот около 100 Гц появлялись биения додаваемого на вход сигнала с
собственными колебаниями повторителя.
Неустойчивость повторителя [1] объясняется действием положительной обратной
связи (п.о.с.) через конденсатор обхода н.ч.-канала 0,1 мкФ и опережением
сигналом п.о.с. сигнала отрицательной обратной связи (о.о.с). От величины
выходного сопротивления устройства, к которому подключается повторитель, также
зависит коэффициент передачи сигнала п.о.с. Поэтому повторитель не
самовозбуждается только при работе с устройствами, имеющими низкое выходное
сопротивление (< 1 кОм) .
Эти недостатки накладывают определенные ограничения на устройства, с
которыми может работать данный повторитель, и ограничивают область его
применения .
Автор поставил цель — обеспечение возможности подключения повторителя к
устройствам с любым выходным сопротивлением и устойчивости повторителя.
Очевидно, что для повышения устойчивости повторителя необходимо уменьшить
величину п.о.с. и обеспечить задержку ее воздействия относительно сигнала
о.о.с. на операционный усилитель (о.у.), на котором сравниваются входное
напряжение и выходное напряжение повторителя. Для уменьшения величины п.о.с.
нужно уменьшить емкость конденсатора, включенного между входом повторителя и
затвором транзистора Ti. Однако это требует увеличения широкополосности н.ч.-
канала. Таким образом, здесь проявляются противоречивые требования к номиналу
емкости разделительного конденсатора, включенного на входе в.ч.-канала и
определяющего величину п.о.с, и к характеристикам н.ч.-канала (широкополосности
и коэффициенту усиления).
Так как корректировка RC-цепей и простая замена о.у. К140УД14 на более
быстродействующие положительных результатов не дали, то автор доработал схему
повторителя, выполнив н.ч.-канал на трех широкополосных о.у. К544УД2А.
Повторитель , схема которого приведена на рисунке, свободен от недостатков
повторителя [ 1 ] .
Б.ч.-канал здесь выполнен так же, как ив [ 1 ] , но величина разделительной
емкости уменьшена до 30 пФ. Н.ч.-канал доработан с учетом предотвращения
вышеперечисленных недостатков. О.у. Mi включен по схеме повторителя напряжения
и выполняет две функции — обеспечивает высокое входное сопротивление н.ч.-
канала и задерживает сигнал п.о.с, поступающий на вход о.у. М2, относительно
сигнала о.о.с. примерно на 100 не. Поэтому о.о.с. с выхода повторителя
успевает отследить и компенсировать любые паразитные колебания на выходе н.ч.-
канала.
Принципиальная схема быстродействующего повторителя
напряжения. Mi-M3 - К544УД2А; Ti-T2 - КП312А, Т3 -
КТ368А, Т4 - КТ363Б; RlrR2 ~ КД522А.
Кроме того, подключение ко входу повторителя вместо о.у. К140УД14
быстродействующего К544УД2А, имеющего меньшую входную емкость, позволило расширить
полосу пропускания повторителя. О.у. М2 служит для сравнения входного и
выходного напряжений повторителя. О.у. М3 является усилителем сигнала
рассогласования, который вырабатывается М2 в случае отличия входного напряжения
повторителя от выходного. Включение двух о.у. позволило получить достаточно
высокий коэффициент усиления н.ч.-канала при широкой полосе пропускания.
Повторитель имеет следующие параметры:
• полоса пропускания по уровню 0,707 от 0 90 МГц,
• время нарастания фронта ~4 не,
• входное напряжение + 5В,
• входное сопротивление ~1 МОм,
• коэффициент передачи > 0,9,
• сопротивление нагрузки > 390 Ом.
Измерения проводились с помощью осциллографа С1-91 и генераторов Г5-56, Г4-
107, ГЗ-118.
ЛИТЕРАТУРА
1. Правдин В.Л. // ПТЭ. 1989. № 2. С. 137.
Матпрактикум
СИГНАЛЫ и ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ
Давыдов А.В.
ТЕМА 13. МНОГОМЕРНЫЕ СИГНАЛЫ И СИСТЕМЫ
«Когда ты смотришь в бездну,
бездна смотрит в тебя».
Фридрих Ницше. Немецкий философ-
моралист, XIX в.
«Человек и бездна - две
бесконечномерных системы в разных
функциональных пространствах с одной
точкой пересечения. И лучше
держаться от этой точки подальше».
Эрик Трубов. Русский геофизик-
оптимист , XX в.
Введение
Обработка многомерных сигналов, используя в частных случаях методы
обработки одномерных сигналов, имеет и существенные особенности. Это объясняется
тремя факторами. Во-первых, математические методы описания многомерных систем
далеки от совершенства и завершенности. Во-вторых, при решении многомерных
задач используется значительно больший объем данных. И в третьих, многомерные
системы обладают большим числом степеней свободы и, соответственно,
значительно большей гибкостью. Так, например, при дискретизации информации в
одномерном случае устанавливается только частота отсчетов, а в многомерном не
только частота, но и форма растра дискретизации. С другой стороны,
многомерные полиномы разлагаются на множители только в частном случае, а,
следовательно , многие одномерные методы не обобщаются на случай многомерных задач.
Ниже будут рассматриваться сигналы и системы с размерностью два и более,
при этом основное внимание будет уделяться двумерным задачам, имеющим широкое
распространение в геофизической практике. Повышение размерности выше двух не
приводит к качественным отличиям от двумерных случаев, кроме повышения
сложности вычислений.
Многомерная информация в своем абсолютном большинстве, это дискретная
информация в цифровой форме - многомерные массивы данных. Многомерные
непрерывные функции используются только в чисто теоретических исследованиях. Даже
двумерных данных, непрерывных (аналоговых) по обоим аргументам практически не
существует. С учетом этого ниже рассматриваются, в основном, многомерные
сигналы в дискретной форме.
13.1. Двумерные и
многомерные сигналы
Понятие многомерного сигнала
Многомерные сигналы представляют собой функции Р независимых переменных при
Р>1. В общем случае, сигнал может быть непрерывным, дискретным или смешанным.
Понятия непрерывности и дискретности аналогичны одномерным сигналам. Что
касается смешанного сигнала, то это многомерный сигнал, который описывается
функцией некоторого количества непрерывных и некоторого количества дискретных
переменных. Пример смешанного двумерного сигнала: ансамбль непрерывных
сигналов, изменяющихся во времени (t - вторая переменная), снимаемых с набора
сейсмических приемников сейсмотрассы (номера датчиков - первая переменная).
Рис. 13.1.1.
В общем случае, двумерный непрерывный сигнал представляет собой функцию,
значения которой зависят от двух независимых переменных (аргументов,
координат) :
s(x,y) = sin(x2+y2), - 00 < х,у <оо (13.1.1)
График функции (в пределах одного периода) приведен на рис. 13.1.1.
Двумерный дискретный сигнал (цифровой массив) - это функция, определенная
на совокупности пар числовых значений координат с определенным шагом
дискретизации Ах и Ау. В общем случае, при различной физической размерности аргументов
х и у, значения Ах и Ау не равны друг другу:
s„,m = s(nAx,mAy), -оо< n,m <оо. (13.1.1')
Элемент последовательности sn,m представляет собой отсчет двумерной функции s
в координатной точке (x=nAx, у=тАу), где значения х и у - независимые переменные
(аргументы) функции. Для числовых массивов значения шага дискретизации по
аргументам также могут приниматься равными 1 (независимо от размерности) и
использоваться аргументация s(n,m) = sn,m. Результаты геофизических съемок какого-
либо одного геофизического параметра по поверхности земли относятся к
двумерным функциям: дискретным - если это отсчеты в отдельных точках по
определенной координатной сети (х,у), или смешанным - если это непрерывная регистрация
данных по профилям (например - мощности экспозиционной дозы гамма излучения
горных пород при аэросъемке). Но в настоящее время геофизические съемки
относятся даже не к двумерным, а к многомерным функциям, так как регистрируется,
как правило, сразу несколько физических параметров геологических сред. Так,
например, при спектрометрической съемке естественной радиоактивности горных
пород регистрируется содержание в горных породах урана, тория и калия, в гра-
виразведке - трехкоординатный вектор силы тяжести, и т.п. Если на какой-либо
площади проведена съемка нескольких видов геофизики, то их результаты также
могут рассматриваться в совокупности, как многомерная функция физических
параметров данной геологической среды.
По определениям (13.1.1) двумерные функции и сигналы, равно как и
многомерные, имеют бесконечную протяженность по координатам. На практике мы всегда
имеем дело с конечными координатами наших данных. Учитывая это, будем
считать, что значения наших сигналов за пределами определенных координат равны
нулю.
Отметим некоторые двумерные последовательности (функции, сигналы), имеющие
специальные названия.
Двумерный
единичный
импульс
Двумерный единичный импульс 8(nAx, тАу) = 8п,т или единичный отсчет :
5n,m = 1, при и = in = 0.
= 0, при п Ф О, m Ф 0.
8п,111 8П 8т}
где 8n, 8т - одномерные единичные импульсы (импульсы Кронекера) по координатам
пит. Стилизованное графическое представление двумерного единичного импульса
приведено на рис. 13.1.2.
Произвольное расположение двумерного единичного импульса по координатам щ,
mi соответственно записывается в виде: 8((n-ni)Ax, (m-mi)Ay) = 5n_ni,m_mi. Попутно
напомним, что математическая запись импульса Кронекера обозначает не единичный
отсчет, а функцию, определяющую место положения единичного отсчета и нулевые
значения по остальным координатам (аргументам).
5 О
0
0
о
о
0
0
0
о
о
0
4 О
0
0
о
о
0
0
0
о
о
0
3 О
0
0
о
о
0
0
0
о
о
0
2 О
0
0
о
о
0
0
0
о
о
0
1 о
0
0
о
о
0
0
0
о
о
0
0 О
0
0
о
о
■
0
0
о
о
о-►
-1 о
0
0
о
о
0
0
0
о
о
m
О
-2 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-3 О
0
0
о
о
0
0
0
о
о
О
-4 о
0
0
о
о
0
0
0
о
о
О
-5 О
0
0
о
о
0
0
0
о
о
О
-5
л
-3
-2
-1
о
1
2
3
4
5
Кружки - отсчеты 0, квадраты - отсчеты 1.
Рис. 13.1.2.
Двумерный линейный импульс
Двумерный линейный импульс представляет собой последовательность единичных
отсчетов по одной координате: s(n,m) = 8(п) или s(n,m) = 8(m).
На рис. 13.1.3 приведены два двумерных линейных импульса, первый - по
координате in = 0: s(n,m) = 8(m), и второй импульс по координате и = 2: s(n,m) = 8(п-2).
Очевидно, что для Р-мерных случаев точно таким же образом могут быть
определены Р-мерные единичные импульсы, Р-мерные линейные импульсы, Р-мерные
площадные импульсы и т.д., хотя понятие импульса, заимствованное из теории
одномерных сигналов, здесь несколько не к месту.
t
п
5 о
о
о
о
о
о
о
□
о
о
о
4 О
о
о
о
0
0
о
□
0
0
0
3 о
о
о
о
о
о
о
□
о
о
о
2 О
о
о
о
0
0
о
□
0
0
0
1 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-1 о
о
о
о
о
о
о
□
о
о
о
-2 о
о
о
о
0
0
о
□
0
0
0
-3 о
о
о
о
о
о
о
□
о
о
о
-4 о
о
о
о
0
0
о
□
0
0
0
-5 о
о
о
о
о
о
о
□
о
о
о
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
m
Кружки - отсчеты 0, квадраты - отсчеты 1.
Рис. 13.1.3.
Двумерная единичная ступенька
Двумерная единичная ступенька u(n,m), представленная на рис. 13.1.4,
определяется выражением:
u(n,m) = 1, при п > 0 и m > О,
= 0, в остальных случаях.
u(n,m) = u(n) u(ni),
где u(j) представляют собой единичные ступеньки соответственно по координатам
пит: u(j)=l при j > 0, u(j)=0 при j<0. Двумерная единичная ступенька отлична от
нуля в одном квадранте (n,т)-плоскости.
5 о
о
о
о
о
4 о
о
о
о
о
3 о
о
о
о
о
2 о
о
о
о
о
1 о
о
о
о
о
0 о
о
о
о
о
-1 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-2 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-3 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-4 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-5 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-5
л
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Кружки - отсчеты 0, квадраты - отсчеты 1.
Рис. 13.1.4.
Экспоненциальная
последовательность
Экспоненциальная последовательность: s(n,m) = anbm, -оо< n,m <оо, где а и b в общем
случае комплексные числа. При а = exp(jcoi), b = exp(ja>2), |а |=1, |b|=l:
s(n,m) = exp(jncoi+jmco2) = cos(ncoi+mco2)+jsin(ncoi+mco2).
Экспоненциальные последовательности, как и в одномерном случае, являются
собственными функциями двумерных линейных систем, инвариантных к сдвигу.
Разделимые
последовательности
Разделимой называют последовательность, которую можно представить в виде
произведения одномерных последовательностей. Так, для двумерной разделимой
последовательности:
s(n,m) = s(n) s(m).
Разделение возможно для немногих практических сигналов. Однако любое
двумерное множество с конечным числом ненулевых отсчетов разлагается на конечную
сумму разделимых последовательностей:
N
s(n,m) = Z Si n(n) si m(m),
i =1
где N- число ненулевых строк или столбцов массива. В крайнем случае, для
этого достаточно выразить s(n,m) в виде суммы отдельных строк:
N
s(n,m) = X s(n,i) 8(m-i). (13.1.2)
i= i
Конечные
последовательности
Важным классом сигналов являются последовательности конечной протяженности,
для которых сигнал равен нулю вне определенной области, называемой опорной
областью сигнала. На рис.13.1.5 условно представлена двумерная
последовательность конечной протяженности, значения которой отличны от нулевых только
внутри ограниченной прямоугольной области-3 < п < 2,-2 < m <. Опорная область
сигнала может быть произвольной формы и выходить за пределы сигнала, частично
включая нулевые отсчеты. Отсчеты за пределами опорной области считаются
равными нулю.
5 о
О
о
о
о
о
о
о
о
о
о
4 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
3 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
2 о
о
о
о
о
1 о
о
о
о
о
0 о
о
о
о
о-►
-1 о
о
о
о
ш
о
-2 о
о
о
о
о
-3 о
о
о
о
о
-4 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-5 о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Кружки - отсчеты 0, квадраты - отсчеты 1.
Рис. 13.1.5.
Периодические
последовательности
Двумерные последовательности могут быть периодическими, регулярно
повторяющимися в пространстве. Последовательность, удовлетворяющая условиям:
s(n,m+M) = s( 11,111),
s(n+N,m) = s(n,m), (13.1.3)
обладает периодичностью в двух направлениях, по п и по т. Значения М и N
называют интервалами периодичности сигнала соответственно по координатам m и
п (горизонтальными и вертикальными интервалами периодичности). Прямоугольная
форма области периода (пример на рис.13.1.6) наиболее удобна при обработке
данных, но не является единственно возможной.
5 о -
-о-
-О
о -
1
- о-
-О
о -
- о -
- о-
-о-
- о
4 О
■
■
1
о
1
о
■
■
о
о
■
3 Ш
■
■
1
о
1
■
■
■
о
■
■
2 о -
-о-
-O-j-
1
о -
1
- о -
- о- -
о -
-о -
- о-
-о-
- о
1 о
■
ит
N
1
о
1
1
о
■
■
о
о
■
0 ■
■
" 1
о
1
■
■
■
о
■
■
-1 о -
- о-
1
?«
- о-
м
о -
- о-
- о-
- о
-2 о
■
■
о
1
о
IVI
■
PI
о
о
■
-3 ■
■
■
1
о
1
■
■
■
о
■
■
4о-
- о-
-О
1
о -
1
- о-
-О
о -
-о -
- о-
- о-
- о
-5 О
■
■
1
о
о
■
■
о
о
■
ш
-5
■А
-3
-2
-1
0
1
сч
3
4
5
m
Кружки - отсчеты 0, квадраты - отсчеты 1.
Рис. 13.1.6.
Для двумерных последовательностей условия (13.1.3)
как частный случай общих условий периодичности:
могут рассматриваться
s(n+Ni, m+Mi) = s(n,ni),
s(n+N2, m+M2) = s(n,m),
D = NiM2 - N2Mi Ф 0.
(13.1.4)
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
■ -о -
о
-о-
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
■ о ■
о
о
о
о
о
о
о
о
о
-о-
о
о
о
о
о m
о
о
о
-о
10
Рис. 13.1.7.
Упорядоченные пары (N1,M1) и (N2,M2) представляют собой смещения от
отсчетов одного периода к соответствующим отсчетам других периодов и могут рас-
сматриваться как векторы N и М, которые образуют области периодов в форме
параллелограмма . Линейная независимость векторов обеспечивается при ненулевом
определителе D, а количество отсчетов в пределах периода равно ID | . Пример
периодической последовательности с векторами (4,4) и (3,-5) приведен на рис.
13.1.7.
Понятие периодичности можно обобщить на многомерные сигналы. Р-мерный
сигнал s(n) будет представлять собой Р-мерную периодическую последовательность,
если существует Р линейно независимых Р-мерных целочисленных N-векторов
периодичности, с которыми выполняется условие:
s(n) = s(n + N,),i = 1,2,3,... ,Р. Р
Столбцы векторов N; образуют матрицу периодичности N размером Р х Р. Векторы
периодичности матрицы линейно независимы при наличии у матрицы ненулевого
определителя . Абсолютное значение определителя равно числу отсчетов в периоде.
Последовательность s(n) прямоугольно периодична для случаев диагональной
матрицы N. Если функция s(n) периодична с матрицей периодичности N, то для любого
целочисленного вектора Р имеет место s(n + P N) = s(n), и матрица PN также будет
матрицей периодичности для s(n). Отсюда следует, что любая многомерная
периодическая последовательность имеет не единственную матрицу периодичности.
13.2. Двумерные системы
Системы осуществляют преобразование сигналов. Формализованная система - это
оператор (операция) отображения входного сигнала на выходной: z(x,y) = Т [s(x,y)].
Базовые операции
Базовыми операциями в системах, комбинациями которых осуществляются
преобразования, являются операции скалярного умножения, сдвига и сложения:
z(n,m) = с s(n,m),
z(n,m) = s(n-N,m-M),
z(n,m) = s(n,m)+u(n,m).
Используя базовые операции, любую двумерную последовательность можно
разложить на сумму взвешенных двумерных единичных импульсов:
ОО ОО
s(n,m)= Z Z s(i,j) 8(n-i,m-j). (13.2.1)
i = - CO j = - ОО
Обобщением скалярного умножения является пространственное маскирование:
z(n,m) = cn,m s(n,m). (13.2.2)
Правая часть равенства (13.2.2) представляет собой поэлементное
произведение входного сигнала на совокупность чисел с n,m.
Кроме линейных операций в системах используются также безынерционные
нелинейные преобразования с независимым нелинейным воздействием на значения
отсчетов входной последовательности. Пример операции - возведение в квадрат:
Zn,m (Sn,m) •
Линейные системы
Система считается линейной при выполнении двух условий:
1. Пропорциональное изменение входного сигнала вызывает пропорциональное
изменение выходного сигнала.
2. Суммарный сигнал двух входных последовательностей дает суммарный сигнал
двух соответствующих выходных последовательностей.
Другими словами, если оператор T[s(x,y)] описывает линейную систему и имеет
место z(x,y) = T[s(x,y)], q(x,y) = T[u(x,y)], то T[as(x,y)+bu(x,y)]
az(x,y)+bq(x,y). Линейные системы подчиняются принципу суперпозиции сигналов.
В выражении (13.2.1) значения s(i,j) можно рассматривать как скалярные
множители для соответствующих единичных импульсов. Применяя оператор
преобразования Т[.] к левой и правой части (13.2.1), получаем:
ОО ОО
Т [s(n,m)] = у (n,m) = Z Z s(i,j) T[8(n-i,m-j)],
i = - со j = - со
CO СО
z(n,m) = Z Z s(i,j) hij(n,m), (13.2.3)
i = - OO j = - OO
где hjj(n,m) - отклик системы в точке (n,m) на единичный импульс в точке
(i,j). Если импульсный отклик hjj(n,m) определен для всех точек (i,j), то отклик
системы на произвольный многомерный сигнал, как и для одномерных систем,
находится с помощью суперпозиции.
Инвариантность к сдвигу
Система инвариантна к сдвигу, если сдвиг входной последовательности
приводит к такому же сдвигу выходной последовательности:
Т [s(n-N,m-M)] = z(n-N,m-M).
Линейность и инвариантность к сдвигу являются независимыми свойствами
системы. Так, пространственное маскирование линейно, но не инвариантно к сдвигу,
а безынерционные операторы нелинейны, но инвариантны к сдвигу.
В дальнейшем ограничимся рассмотрением только систем, широко
распространенных при решении практических задач - линейных и инвариантных к сдвигу (ЛИС-
системы).
Импульсный отклик
Импульсный отклик на произвольно расположенный входной импульс, как следует
из выражения (13.2.3), описывается выражением:
hjj(n,m) = T[8(n-iii,m-mj)].
Для частного случая i = j = 0 имеем:
h0(n,m) = T[8(n,m)].
Используя принцип инвариантности к сдвигу, получим:
hij(n,m) = h0(n-i,m-j) = h(n-i,m-j), (13.2.4)
т.е. импульсный отклик на произвольно расположенный входной импульс равен
сдвинутому импульсному отклику на входной импульс, расположенный в начале
координат .
Двумерная свертка
Подставляя (13.2.4) в выражение (13.2.3), получаем:
z(n,m) = Zj Zj s(i,j) h(n-i,m-j). (13.2.5)
Двумерная дискретная свертка (13.2.5), является аналогом одномерной
дискретной свертки. При замене переменных n-i = k, m-j = 1, получим:
z(n,m) = Zk Z, h(k,l) s(n-k,m-l), (13.2.5')
т.е. двумерная свертка коммутативна, как и одномерная. В такой же мере она
обладает свойством ассоциативности по отношению к последовательности операций
свертки нескольких функций (результат не зависит от порядка свертки) и
свойством дистрибутивности по отношению к операции свертки с суммой функций
(результат аналогичен сумме сверток с каждой функцией). Эти свойства определяют
и основное свойство двумерных (и многомерных) линейных систем при их парал-
лельном и/или последовательном соединении - результирующая система также
является линейной.
Для упрощения символьного аппарата двумерную свертку обозначают индексом
z(n,m) = h(k,l) .. s(n-k,m-l).
При обобщении этого выражения на многомерные системы, в векторной форме:
z(n)= h(k) **s(n-k).
Разделимые системы
Если импульсный отклик системы может быть разделен:
или: z(n,m) = Zk h(k) g(n-k,m), g(n-k,m) = Z] h(l) s(n,m-l).
Массив g(n,m) вычисляется одномерной сверткой столбцов массива s(n,m) при п
= const (сечения массива по координатам п) с откликом h(l), с последующим
вычислением выходного массива z(n,m) одномерной сверткой строк g(n,m) при m =
const с откликом h(k). Результат не изменится, если сначала выполнять свертку
по строкам, а затем по столбцам. Система с откликом вида (13.2.6) называется
разделимой. Отметим, что в разделимой системе входной и выходной сигнал не
обязаны быть разделимыми.
Аналогичные разделимые системы могут существовать и в многомерном варианте.
Устойчивость систем
Интерес для практики представляют только устойчивые системы, обеспечивающие
определенный конечный результат системной операции на конечные входные
сигналы. Необходимым и достаточным условием устойчивости системы является
абсолютная суммируемость ее импульсного отклика: ZkZ] |h(k,l)| < оо.
Специальные
двумерные системы
На практике используются также системы с несколькими входами и/или
выходами .
Допустим, система имеет i-входы и j-выходы, линейна и инвариантна к сдвигу
по переменной t. Если на i-вход системы поступает одномерный единичный
импульс 8j(t) при нулевых сигналах на остальных входах, то j -выходные сигналы
будут импульсным откликом системы hjj(t). При известном полном ансамбле значений hy
для всех i-входов, для произвольной комбинации входных сигналов Si(t) сигнал на
j-выходе будет определяться выражением:
(»):
z(n,m) = Zk h(k) I, h(l) s(n-k,m-l), (13.2.7)
Zj(t) = ZiZk hij(k) Si(t-k).
(13.2.8)
13.3.
Частотные
характеристики
сигналов и систем
Частотный отклик системы
Допустим, что двумерная ЛИС-система имеет импульсный отклик h(kAx,lAy). Подадим
на вход системы сигнал вида комплексной синусоиды:
s(n,m) = exp(jnAxcox+jmAycOy),
где шх и юу- значения частоты сигнала соответственно по координатам х и у.
Принимая Ах = 1, Ay = 1 и выполняя двумерную свертку (13.2.5), получаем:
ОО ОО
z(n,m)= Z Z h(k,l) exp[jcox(n-k)+jcoy(m-l)] =
k = -co |= -co
CO CO
= exp(jncox+jmcoy) Z Z h(k,l) exp(-jkcox-jlcoy) = Н(шх,шу) exp(jncox+jmcoy).
k = -co |= -co
CO CO
Н(шх,шу) = Z Z h(k,l) exp(-jkcox-jlcoy). (13.3.1)
|<= -OO |= -OO
Таким образом, выходной сигнал представляет собой комплексную синусоиду с
теми же значениями частоты, что и у входного сигнала, с изменением амплитуды
и фазы за счет комплексного множителя Н(шх,шу), который носит название
частотного отклика (частотной характеристики) системы. Для дискретных сигналов
частотный отклик периодичен с периодом 2% по обеим частотным переменным:
Н(шх+2л;к,шу+2л;1) = Н(шх,шу).
Пример расчета частотного отклика системы.
Определить частотную характеристику системы с импульсным откликом:
h(0,0) = 0.25, h(0, + 1) = 0.125, h( + 1,0) = 0.125, h( + 1, + 1) = 0.0625.
Частотный отклик:
i i
Н(шх,шу) = Z Z h(n,m)exp(-jncox-jmcoy) = 0.25+0.125[exp(-jcox)+exp(jcox)+exp(-coy)+exp(jcoy)]+
n = -i m = -i
+0.0625[exp(-jcox-jcoy)+exp(-jcox+jcoy)+exp(jcox-jcoy)+exp(jcox+jcoy)] = 0.25(l+cos cox)(l+cos coy).
Система является примером двумерного фильтра нижних частот. Частотный
отклик системы на плоскости (шх,шу), приведенный на рис. 13.3.1, имеет осевую
симметрию с коэффициентом передачи 1 в центре (шх=0, юу=0) со спадом до нуля при
шх= + л: и юу= + 71.
Рис. 13.3.1. Частотная характеристика ФНЧ.
При разделимости импульсного отклика частотный отклик многомерных систем
также является разделимой функцией:
h(k,l)= q(k)g(l) о Q(cox)G(coy)= H(cox,coy)Q(cox) =
= Zkq(k) exp(-jkcox).
G(ray) = £igG) exp(-jlcoy).
Р1мпульсный отклик системы
Выражение (13.3.1), по существу, описывает разложение функции Н(шх,шу) в
двумерный рад Фурье с коэффициентами разложения в виде отсчетов импульсного
отклика h(k,l), т.е. прямое преобразование Фурье. Очевидно, что обратным
преобразованием Фурье с интегрированием в пределах одного периода из частотного
отклика Н(шх,С0у) можно получить импульсный отклик системы:
71 71
h(k,l) = —| | Н(шх,шу) exp(jkcox+jkOy) dcoxdcOy. (13.3.2)
4к -к -к
Пример расчета импульсного отклика фильтра
Определить импульсный отклик идеального фильтра низких частот с
прямоугольной частотной характеристикой вида: Н(шх,шу) = 1 при |шх| < я<ж, |шу| < b<7i; Н(шх,шу) = 0 в
остальных случаях.
a b
Импульсный отклик: h(k,l) = —| | exp(jka>x+jkOy) dcoxdcOy.
4тг -a -Ь
b
, 1Ч if ... ч , if ... ч , sin ak sin bl
Система разделима: h(k,l)= — J exp(jkcox) dcox — J exp(jlcoy) dcoy=
2ti - a 2ti -b 7tk 7tl
Пример расчета неразделимого импульсного отклика
Определить импульсный отклик идеального кругового фильтра нижних частот:
Н(шх,Шу) = 1 п р и ш^+Шу2 <R2<iz2; Н(шх,шу) = 0 в остальных случаях.
Вычисления по круговой области целесообразно выполнять в полярных
координатах: Ш =д//Ф + /§,
ф = arctg(coy/cox), ф = arctg(m/n), при этом выражение 13.3.2 перепишется в следующем
виде:
1 р R р 271
h(n,m) = —- ш exp[jco cos((|)-(p)] dq> do =
4к J о J о
= — Г ш J0(ro Vn2 + m2 ) dco = (R/27i) J^RVn' + m2 ) /Vn2 + m2 ,
27Г J о
где J0(...), Ji(...) - функции Бесселя 1-го рода 0-го и 1-го порядков
соответственно .
На рис. 13.3.2 приведена пространственная форма импульсного отклика
фильтра, расчет которой проведен при R = 1 с ограничением по N = 10 и М = 10, и
сечения отклика по координате т.
I 1 1 1 1 -0,02 I 1 1 1 1 1
-10 -8 -6 4 -2 0 2 4 6 8 10
Координата n.
Рис. 13.3.2. Круговой низкочастотный фильтр (внизу -
сечения по координате т).
Свойства двумерного
преобразования Фурье
Вышеприведенные преобразования импульсного отклика в частотный отклик и
наоборот представляют собой двумерные дискретные преобразования Фурье с
прямоугольным растром дискретизации информации, эквивалентные одномерным преобра-
зованиям. На двумерные преобразования с прямоугольным растром переносятся и
другие свойства одномерных систем. В частности:
1. Фурье-преобразования сигналов.
S(cox,coy) = Zn Zm s( 11,111) exp(-jncox-jmcoy). (13.3.3)
1 тл тл
s(n,m) =—- S(cox,coy) exp(jncox+jmcoy) dcoxdcoy. (13.3.4)
4 л- ~n ~n
2. Теорема о свертке.
z(n,m) = h( 11,111).. s(n,m) <=> Н(шх,шу) S(ox,C0y) = Z(ox,C0y).
z(n,m) = c(n,m) s(n,m) <=> С(шх,шу) S(ox,C0y) = Z(ox,C0y).
3. Основные свойства Фурье-преобразования.
1) Линейность (в том числе для любых комплексных чисел а и Ь):
a s(n,m)+bz(n,m) <=> aS(cox,coy)+bZ(cox,coy).
2) Пространственный сдвиг:
s(n-N,m-M) <=> S(cox,coy) exp(-jNcox-jMcoy).
3) Дифференцирование:
dS(cox,coy)/dcox <=> -jn s( 11,111),
dS(cox,cqy)/dcqy<=> -jm s( 11,111),
d2S(cox,coy)/(dcox doty) <=> -nm s( 11,111).
4) Комплексное сопряжение:
x *(n,m) <=> S*(-cox,-coy).
Вещественная и мнимая части Фурье-образов последовательностей s(n,m):
S(cox,coy) = S*(-cox,-coy).
Re [S(cox,coy)] = Re [S(-cox,-coy)].
Im [S(cox,coy)] = -Im [S(-cox,-coy)].
5) Теорема Парсеваля:
1 f» ск
Zn Zm s(n,m) s*(n,m) = —- S(cox,coy) S*(cox,cqy) dcoxdcoy.
В частности, при s(n,m) = s(n,m):
2 ' 2
|s(n,m)| = -— |S(cox,coy)| dcoxdcoy,
где левая часть уравнения представляет собой полную энергию дискретного
сигнала s(n,m), а функция ^(со^Шт)!2 - спектральную плотность энергии сигнала.
13.4. Дискретизация
двумерных сигналов
Прямоугольный растр
дискретизации
Из способов обобщения одномерной периодической дискретизации на двумерный
случай наиболее простым является периодическая дискретизация в прямоугольных
координатах:
s(n,m) = sa(nAx,mAy),
где Ах и Ay - горизонтальный и вертикальный интервалы дискретизации
двумерного непрерывного сигнала sa(x,y) с непрерывными координатами х и у. Ниже значения Ах и
Ау, как и в одномерном случае, принимаются равными 1.
Дискретизация двумерного, а в общем случае и многомерного сигнала, также
приводит к периодизации его спектра и наоборот. Сохраняется также и условие
информационной равноценности координатного и частотного представлений
дискретного сигнала при равном количестве точек дискретизации в главных
диапазонах сигнала. Для прямоугольной дискретизации связь Фурье-преобразований не-
прерывного и дискретного сигналов устанавливается аналогично одномерной
дискретизации .
Интегральные
преобразования Фурье
Интегральные преобразования Фурье аналоговых сигналов в непрерывной шкале
частот fix и fiy:
(•СО /• СО
Sa(fix,fiy) = sa(x,y) exp(-jfixx-jfiyy) dxdy. (13.4.1)
J —со J -co
^ /• CO /• CO
sa(x,y) =—— Sa(fix,fiy) exp(jfixx+jfiyy) dfixdfiy. (13.4.2)
4 77" J —CO J —CO
4ж
Дискретные
преобразования Фурье
N-1 М-1
S(k,l) = Z Z s(n,m) exp(-jn27ck/N-jm27il/M), (13.4.3)
n = o m = o
N-1 M-l
S(k,l) = Z exp(-jn27ik/N) Z s(n,m) exp(-jm27il/M), (13.4.3')
n = o m = o
, N-1 M-l
s(n,m) = jj^ Z Z S(k,l) exp(-jn27ck/N-jm27il/M). (13.4.4)
k=0 1=0
N-1 M-l
s(n,m) =-±- Z exp(-jn27ik/N) Z S(k,l) exp(-jm27il/M). (13.4.4')
jnm k = o l = o
Выражения (13.4.3') и (13.4.4') показывают, что двумерное ДПФ по
прямоугольному растру дискретизации данных может вычисляться с помощью одномерных
последовательных ДПФ. Вторые суммы выражений являются одномерными ДПФ сечений
функций s(n,m) и S(k,l) по линиям пик соответственно, а первые -
одномерными ДПФ вычисленных функций в сечениях по m и 1. Другими словами, исходные
матрицы значений s(n,m) и S(k,l) пересчитываются сначала в промежуточные
матрицы с ДПФ по строкам (или по столбцам), а промежуточные - в окончательные с
ДПФ по столбцам (или соответственно по строкам).
Интерполяционный
ряд восстановления
двумерного сигнала
Если непрерывный сигнал sa(x,y) является сигналом с ограниченным спектром, а
периоды дискретизации выбраны достаточно малыми и спектры соседних периодов
не перекрываются:
Sa(fix,fiy) = 0 п р и |fix| > л/Ах, |fiy| > л/Ах,
то, как и в одномерном случае, сигнал sa(x,y) может быть восстановлен по
дискретному сигналу с использованием двумерного аналога ряда Котельникова-
Шеннона:
v. v. , . sin я-(х//(&-п) sin я-(у//^-т) , „
sa(x,y) = Zn Zm s(n,m) ' у'" . (13.4.5)
Сигнал с неограниченным спектром также может быть дискретизирован, однако в
этом случае имеет место наложение спектров в смежных периодах, при этом
высокие частоты, большие частоты Найквиста, будут "маскироваться", как и в
одномерном случае, под низкие частоты главного периода. Эффект "отражения" от
границ периода дает еще более сложную картину вследствие интерференции час-
тот, отраженных по разным координатам.
Произвольный растр
дискретизации
Понятие прямоугольной дискретизации обобщается на произвольный растр
дискретизации с линейно независимыми векторами Vi = (vn,V2i)T и V2 = (vi2,V22)T, где Т -
индекс транспонирования (рис. 13.4.1). Координаты двумерного периодического
множества отсчетов на плоскости (х,у):
О
О
О
о
о
о
О г
-2 -1
о
о
о
о
Рис. 13.4.1.
X = Villi + Vnm,
У = V21II + V22m.
С использованием векторных обозначений:
z = V п
где z= (х,у)т, n=(n,m)T, V=(v-i|V2) - матрица дискретизации. Определитель матрицы V
не равен нулю, если вектора Vi иV2линейно независимы. При дискретизации
непрерывного сигнала sa(x,y) матрицей V формируется дискретный сигнал:
s(n)<^sa(n V).
Двумерное интегральное
преобразование Фурье
Двумерное интегральное преобразование Фурье непрерывного сигнала по
непрерывному вектору О. = (Qi,fi2)T:
Sa(Q) = Г sa(z) exp(-j QTz) dz, (13.4.6)
j -co
sa(z)=-^-f Sa(Q)exp(jQTz)dQ, (13.4.7)
4 77" j -oo
4ttz
Данные интегралы являются двойными, поскольку дифференциалы dz и dQ являются
векторами.
Преобразование Фурье
дискретного сигнала
S( 70 = 2n s( n) exp(-j 7f n), (13.4.8)
S(n)=-^r S(70exp(J7tTn)d/X (13.4.9)
Лтг j -к
4л-
где: Ji = (шх ,шу )т.
Выражение s( п ) может быть получено дискретизацией выражения sa(z) (13.4.7):
s(n) = sa(Vn)=^- Г Sa(Q)exp(jQTV n)dQ.
4л- J-«>
После подстановки в это выражение значения 7^ = ^ Vт, получаем:
■(п)=А Г r7^Sa(7t/VT)exPa7tTn)d7t.
4л- |detV|
Или, с учетом периодичности по квадратным областям плоскостиJI:
8(п)=-^-Г -^-ZSa((7t-27rk)/VT)exPa7tTn)d7(, (13.4.10)
4л- |detV| к
где к - вектор целочисленных значений периодов дискретизированной функции по
осям шх и Шу.Сравнивая последнее выражение с выражением (13.4.9), получаем:
S(7i)=r-^Zsa((7i-27rk)/vT),
|detV| к
S(Q VT)= —L- ZSa(Q-U k), (13.4.11)
|detV| к
где U- матрица периодичности:
UTV =2тг 1,(13.4.12)
которой задаются два линейно независимых вектора периодичности спектра, I-
единичная матрица 2 х 2.Выражение (13.4.11) определяет связь между
преобразованиями Фурье дискретных и аналоговых сигналов.
Как и в одномерном случае, интервалы дискретизации Ах и Ау определяют главный
период двумерного спектра соответственно по осям шх и шу и частоты Найквиста: coxn
= л/Ах и cOyN = 7i/Ay. Спектр дискретного сигнала также является периодическим
продолжением спектра аналогового сигнала. Для исключения искажений спектра
(наложения спектров боковых периодов на главный период) предельные частоты
сигнала должны быть меньше частот Найквиста.
На рис. 13.4.2 приведен пример центральной части спектра дискретного
сигнала при Ах=1 и Ау=1.
В случае прямоугольной дискретизации:
7* о
О №
, det V = Ах Ау, (13.4.13)
Рис. 13.4.2.
Интерполяция
дискретных сигналов
Для сигнала с ограниченным спектром изменением матрицы дискретизации V
можно подобрать матрицу периодичности U таким образом, чтобы в правой части
выражения (13.4.11) не было перекрытия спектров. Тогда для значений по точкам
О Vт области С главного периода спектра выражение (13.4.11) упрощается:
S(Q VT) = Sa(Q)/|det V|. (13.4.15)
S.(Q) = |det V| S(Q VT) = |det V| S(o5), О e C. (13.4.16)
Из выражения (13.4.16) следует, что при корректной дискретизации
непрерывной двумерной функции ее спектр с точностью до нормировочного множителя |det V|
может быть восстановлен по спектру дискретной функции. Соответственно,
выполнив обратное преобразование Фурье левой и правой части равенства (13.4.16),
получим уравнение восстановления непрерывной функции по ее дискретному
варианту (многомерный аналог интерполяционного ряда Котельникова-Шеннона):
I —I м
detV „ V _ _ _
sa(z) = J—^Z s(n)2expGQT(z-V n))dQ.
4л й fc£
sa(z)= Z s(n)f(z-V n), (13.4.17)
ii
где f(..) - интерполяционная функция:
- IdetVl f —T - —
f(z-V n)= J—/ J ехр(Ш (z-V n))dQ. (13.4.18)
4тс с
Все приведенные векторные уравнения могут быть обобщены на Р-мерные функции
с заменой константы 47С2 там, где она встречается, на (27с)Р.
Прямоугольный и
гексагональный
растры дискретизации
В принципе, сигнал с ограниченным спектром можно представить по различным
растрам дискретизации. Выбор растра обычно производят из условия минимальной
плотности отсчетов на плоскости, т.е. минимизацией величины |detV |, при котором
обеспечивается отсутствие наложений для частот анализируемых сигналов.
На практике для двумерных сигналов используют, как правило, только два
варианта растров дискретизации - прямоугольный и гексагональный. Прямоугольному
варианту соответствуют диагональные матрицы дискретизации и периодичности
(13.4.13-14). Для гексагональной дискретизации, пример которой приведен на
рис. 13.4.1, в частном случае при At = Ах лЛз каждый отсчет располагается на
равном расстоянии от шести ближайших отсчетов, при этом матрицы дискретизации:
1 1
л/3 -л/3
, и
2тс 2тс
2тс/л/з -2тс/л/з
Vnp =
V,
det V = 7с2/шД
Допустим, имеем сигнал с частотным спектром, ограниченным круговой областью
частот шг:
Sa(cox ,шу) = 0при шх 2+соу 2 > соД
Круговая область частот вписывается без перекрытий в квадрат со стороной
2шгили в шестиугольник со стороной 2сог1~(1>. Матрицы дискретизации:
V/p о 1
_ 0 71//р|'
"тс/(/(Уз) 7С/(/(УЗ)"
TC//0 7Г//0
Поскольку плотность отсчетов пропорциональна l/|detV|, то отсюда следует, что
для представления одного и того же сигнала гексагональный растр дискретизации
требует на 13.4% меньше отсчетов по сравнению с прямоугольным. Эффективность
"гексагональной" матрицы возрастает при увеличении размерности сигнала. Так,
при 4-мерном сигнале для "гексагональной" матрицы требуется в 2 раза меньше
отсчетов, чем для "прямоугольной".
,det V
2тс2/(сог2/з).
13.5. Многомерный
спектральный анализ
Периодические
последовательности
Двумерная последовательность s(n,m) прямоугольно периодична, если
sn (n,m) = s(n,n+M) = s(n+N,m)
для всех (n,m) при целочисленных значениях N и М. Минимальные значения N и
М, при которых выполняется данное равенство, называют горизонтальным и
вертикальным периодами функции sn(..), которыми ограничивается прямоугольная область
Rn,m главного периода, содержащая NM независимых отсчетов: 0<n<N-l, 0<m<M-l.
Последовательность sn(n,m) с периодами N и М можно представить в виде конечной
суммы (ряда Фурье) комплексных синусоид с кратными частотами:
n-l М-1
sn(n,m) =(1/NM) Z Z Sn(k,l) exp(j27ink/N+j27iml/M).
k=0 1=0
(13.5.1)
N-1 M-l
Sn(k,l) = Z Z sn(n,m) exp(-j27cnk/N-j27iml/M). (13.5.2)
n = o m = o
Пример.
Разложить в ряд Фурье периодический сигнал: s„(n,m) = 8(n,m), 0 < n < 4, 0 < m < 2
(единичные импульсы с периодом: N = 5, М = 3).
4 2
Sn(k,l) = Z Z 5(n,m) exp(-j27ink/5-j27i:ml/3) = 1 для всех к и 1, т.е. равномерная час-
n = o т = о
тотная характеристика в главном диапазоне. Соответственно сам сигнал может
быть записан в виде двумерного ряда Фурье:
4 2
sn(n,m) =(1/20) Z Z exp(j27cnk/5+j27iml/3).
k = 0 1 = 0
Конечные
последовательности
Если s(n,m) представляет собой последовательность конечной протяженности,
имеющей опорную область Rn,m? то периодическую последовательность sn(n,m) с
главным периодом Rn,m можно сформировать периодическим продолжением s(n,m):
оо оо
sn (n,m) = Z Z s(n-aN,m-bM),
a = - со b = - oo
s(n, m) = sn(n, m), (n, m) < RN;M.
= 0, в остальных случаях.
Отсюда следует, что любой финитный сигнал может быть полностью определен
своим периодическим продолжением и опорной областью.
Аналогично можно записать и для частотной области:
Sn(k, 1) = Еа Еь S(k-aN, 1-ЬМ).
S(k,l) = Sn(k,l), 0<k<N, 0<1<М
= 0, в остальных случаях.
Отсюда значения s(n,m) и S(k,l) можно вычислить с использованием выражений
(13.5.1-2) путем последовательности операций:
s(n,m) => sn (n,m) <=> Sn (k,l) => S(k,l).
Практически это означает, что для получения ДПФ последовательности конечной
протяженности достаточно из выражений (13.5.1-2) для рядов Фурье убрать знак
периодичности, при этом следует помнить, что вычисление отсчетов s(..) вне
опорной области приведет к вычислению значений не отсчетов s(..), а отсчетов sn(..)
периодического продолжения сигнала s(..).
Таким образом:
1. Дискретизация сигнала в пространственной области вызывает периодизацию
частотного спектра сигнала.
2. Дискретизация частотного спектра сигнала вызывает периодизацию его
пространственного представления.
3. Прямое и обратное ДПФ сигнала ограниченной протяженности автоматически
означает периодизацию как его спектра, так и его пространственного
представления.
4. Сигналы, ограниченные в пространстве, можно точно отобразить отсчетами
их фурье-преобразования.
5. Частотное представление сигнала с ограниченным спектром обратным фурье-
преобразованием может быть точно переведено в пространственную область.
6. Ограниченность как пространственного сигнала, так и его спектра
является обязательным условием корректного ДПФ, т.к. в противном случае
периодизация сигнала может привести к искажению его спектрального и
пространственного представления.
Многомерные
последовательности
Определение ДПФ для Р-мерной последовательности с опорной областью Rp =
О<iij<Nj-1, i=l,2,3,... ,Р} производится введением диагональной матрицы значений^:
Nl
О
о
No
О о
о
о
при этом Р-мерное ДПФ записывается в виде:
ОО
S(k)= Z s(n)exp(-jkT27in/N).
ne R„
s(n)
1 °° _ _
i—=, Z S(k)expGkT27in/N).
detN ke rp
(13.5.3)
(13.5.4)
Кратко рассмотрим особенности многомерных ДПФ (на примере двумерных
последовательностей) .
ДПФ суммы двух последовательностей с опорной областью на Rn,m равно сумме их
ДПФ:
a s(n,m)+bz(n,m) о aS(k,l)+bZ(k,l),
но при этом все ДПФ должны быть одного размера и этот размер должен быть
достаточным, чтобы включить всю опорную область суммарной последовательности
a s(n,m)+bz(n,m). Практически это означает, что х (..) и z(..) должны иметь одну и ту же
опорную область. Опорная область каждой последовательности при необходимости
дополняется нулями.
Операция свертки двух функций в пространственной области отображается
операцией умножения Фурье-образов функций в частотной области, однако при этом
линейная свертка полных пространственных сигналов при ее вычислении через ДПФ
в силу периодического продолжения пространственных функций переходит в
циклическую свертку (как и для одномерных сигналов). Результат свертки зависит от
периодов N и М.
Допустим, что s(n,m) имеет опорную область Rpi,p2, a h(n,m) - Rqi,q2. Результат
линейной свертки:
s(n,m) = ZkZ| h(k,l) s(n-k,m-l).
Опорная область последовательности s(n,m):
О < n < Pl+Ql-1, 0 < m < P2+Q2-1.
Следовательно, наложения периодов результата свертки не произойдет и
циклическая свертка в главном частотном диапазоне будет равна линейной свертке при
опорной области ДПФ:
N > Pl+Ql-1, М > P2+Q2-1.
Пример.
Заданы
, h(n,m) =
последовательности
1 о
(начало координат в нижнем левом углу) : s(n,m)
1 1
Вычислить свертку z(n,m) = s( 11,111) ** h( 11,111).
ДПФ размера 2x2 для s(n,m).
S(0,0) = s(0,0) + s(l,0) + s(0,l) + s(l,l) = 2+1+1+0 = 4
S(1,0) = s(0,0) - s(l,0) + s(0,l) - s(l,l) = 2 -1+1 -0 = 2
S(0,1) = s(0,0) + s(l,0) - s(0,l) - s(l,l) = 2+1 -1-0 = 2
S(l,l) = s(0,0) - s(l,0) - s(0,l) + s(l,l) = 2-1 -1+0 = 0
После аналогичного вычисления Н(к,1) и перемножения S(k,l)= S(k,l) Н(к,1):
S(k,l) =
2 О
4 2
1 -1
3 1
,Z(k,l)=
2 О
12 2
, Н(к,1)=
После обратного ДПФ размера 2
/(и.ш) =
х 2 получим результат циклической свертки:
3 2
4 3
Дополним опорные области s(.) и h(.) до размера 4x4 (для исключения искажения
спектра, в принципе, достаточен размер 3x3), и повторим вычисления:
s( 11.111 )=
0 0 0 0
0 0 0 0
10 0 0
2 10 0
, h(n,m)=
0 0 0 0
0 0 0 0
10 0 0
110 0
S(k,l)=
S(k,l)=
3 + j 2 1 + j 2+2j
2 1-j 0 1 + j
3-j 2-2j 1-j 2
4 3-j 2 3+j
, H(k,l)=
2 + j 1
1 -j
2-j 1-2j
3 2-j
j 1 + 2j
-1 j
-j 1
1 2 + j
5+5j
2
5-5j
12
2
-2-6j
5-5j
+ j
0
1-j
2
-2 + 6j
-1 + j
0
5+5j
s(n,m)=
0 0 0 0
10 0 0
3 2 0 0
2 3 10
позволяет наглядно видеть
Сравнение данного результата с ДПФ размером 2x2
эффект цикличности свертки.
В настоящее время имеются разнообразные и весьма эффективные алгоритмы ДПФ.
Для прямого вычисления Р-мерного ДПФ требуется (Ni х N2 х ... х Np)2 операций
умножения и сложения. Для многомерного ДПФ, как и для одномерного, существуют
алгоритмы быстрых преобразований Фурье. Простейший из них в двумерном ДПФ -
разбиение на строки и столбцы, который мы уже рассматривали. Аналогично, Р-
мерное ДПФ может заменяться Р-операциями одномерных ДПФ, при этом общее
количество операций умножения и сложения сокращается.
Литература
1. Даджион Д. , Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. - М.
Мир, 1988. - 488 с.
ТЕМА 14. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ И СВЯЗЬ
«Кому неведомо всегдашнее
несоответствие между тем, что человек ищет и что
находит»?
Никколо Макиавелли. Итальянский
политик , XVI в.
«Информация - это все то, что успевают
подсунуть Вам на экран, когда Вы ведете
поиск в Интернете».
Евгений Прокопчук. Иркутский геофизик
Уральской школы, казак, XX в.
Введение
Телекоммуникационные системы и системы сетевой связи начали широко
развиваться в процессе информационно-технологической революции и компьютеризации
всех сфер хозяйственной деятельности человечества. Их основная задача -
объединение компьютеров и других устройств в сетевые ассоциации для коллективного
использования вычислительных, информационных и других ресурсов.
По территориальной принадлежности различают локальные сети (предприятий и
организаций), региональные (районы и города) и глобальные. В глобальных сетях
выделяют сети доступа (соединяющие близко расположенные друг к другу узлы) и
магистральные сети (объединяющие узлы друг с другом).
Любая работоспособная сеть включает в себя определенную сеть каналов связи
(первичная сеть) и коммуникационное оборудование. Характерные понятия сети:
• Протокол - набор правил взаимодействия, определяющих способ кодирования
информации и передачи служебных данных.
• Интерфейс - устройство для приема-передачи информации и набор методов
взаимодействия приемо-передающих устройств, в том числе между
программными компонентами.
• Маршрутизация - определение маршрута передачи сообщения в сложных сетях.
К основным задачам формирования и обработки сигналов на этапе сетевой прие-
мо-передачи можно отнести:
• Кодирование - изменение формы представления информации с целью ее
передачи, хранения или обработки.
• Физическое кодирование - представление данных в виде изменений во
времени какой-либо физической величины - напряжения, амплитуды или фазы
гармонических колебаний.
• Мультиплексирование - использование одного канала связи для передачи
данных нескольких абонентов.
14.1. Основные сведения
Территориальная
сеть связи
Территориальная сеть связи (ТКС) - это географически распределенная сеть
передачи данных (СПД), обеспечивающая оперативный и надежный обмен
информацией между абонентами сети. Общепринятое название обменной информации -
сообщение . Главные показатели эффективности ТКС - верность и время доставки инфор-
мации. Они зависят от пропускной способности каналов связи, числа и способов
соединения каналов связи между абонентами, протоколов информационного обмена,
и ряда других факторов.
В ТКС используются телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые сети
связи. В качестве линий связи применяются кабельные линии связи (от
простейших телефонных до специальных коаксиальных и волоконно-оптических),
радиорелейные линии связи, и радиолинии. Среди кабельных линий связи наилучшие
показатели имеют световоды. Они имеют высокую пропускную способность передачи
данных (сотни мегабит в секунду), и нечувствительны к внешним
электромагнитным полям при отсутствии собственных электромагнитных излучений.
Линия связи
Линия связи (line) в общем случае состоит из физической среды, по которой
передаются электрические информационные сигналы, и аппаратуры передачи
данных. Синонимом термина линия связи является термин канал связи (channel).
Физическая среда передачи данных обычно представлять собой кабель (набор
проводников сигнала, изоляционных и защитных оболочек), земную атмосферу или
космическое пространство (для электромагнитных волн), а также любую газовую,
жидкостную или твердую среду для передачи акустических сигналов (в
специальных технологиях, например, при передаче данных в скважинной геофизике).
В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на проводные
(воздушные), кабельные (в том числе волоконно-оптические) и радиоканалы
наземной и спутниковой связи.
Проводные линии связи представляют собой открытые провода без изоляции и
экранов. Они имеют низкую помехозащищенность и используются, в основном, для
передачи телефонных и телеграфных сигналов.
Кабели представляют собой несколько проводников, заключенных в экранирующую
и изолирующую оплетки. В компьютерных сетях применяются три типа кабелей:
кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные и волоконно-
оптические кабели.
Радиоканалы имеют передатчики и приемники радиоволн, и отличаются друг от
друга частотным диапазоном, который определяет дальность радиосвязи. Для
компьютерной связи, как правило, используется диапазоны УКВ и СВЧ, но для
организации каналов в этих диапазонах необходима прямая видимость между
передатчиком и приемником, или ретрансляция.
Разновидности
каналов связи
Выделяют три основных разновидности каналов связи:
• симплексный - при связи приемника с передатчиком по одному каналу, с
однонаправленной передачей информации (например, в телевизионной и
радиовещательной сетях);
• полудуплексный - когда два узла связи соединены одним каналом, по
которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в
противоположном (в информационно-справочных и запросно-ответных системах);
• дуплексный - позволяет передавать данные одновременно в двух
направлениях за счет использования четырехпроводной линии связи (два провода для
передачи, два других - для приема данных), или двух полос частот.
Для повышения достоверности передачи данных основной канал может снабжаться
дополнительным (обратным) каналом небольшой пропускной способности (на 1-2
порядка меньше основного, с неширокой подполосой), который используется для
передачи служебной информации. По этому каналу передаются, например, сигналы
подтверждения приема блоков данных и запросы на повторную передачу блоков при
обнаружении ошибок.
Различают также выделенные (некоммутируемые) и коммутируемые на время
передачи информации каналы связи. При использовании выделенных каналов связи
приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим
обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации,
более высокое качество связи. Для коммутируемых каналов связи, создаваемых
только на время передачи фиксированного объема информации, характерна
сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика), однако при этом имеют
место потери времени на коммутацию (на установление связи между абонентами) и
блокировки при занятых участках линий связи.
Передача информации
по каналам связи
В сетях ТКС информация передается в аналоговой форме. Это единственно
возможный способ передачи информации по каналам связи. При передаче цифровых
данных выполняется цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование (ЦАП и
АЦП) модемами на выходных и входных узлах связи. При восстановлении
первоначального потока цифровых данных процесс АЦП включает в себя дискретизацию и
квантование входного сигнала. Для безошибочной передачи цифровых данных
работа принимающего модема должна быть синхронизирована с работой передающего.
Для этого используются два вида передачи данных:
• Асинхронная передача реализуется посимвольно - ориентированной схеме,
при которой данные передаются посимвольно. Каждая передаваемая
последовательность состоит из стартового бита, за которым следуют
информационные символы, и завершается стоповым битом. Асинхронный режим передачи
используется для низкоскоростных устройств и устройств, у которых
отсутствует буфер.
• Синхронная передача применяется для высокоскоростной передачи данных.
При символьно-ориентированной синхронной передаче блоку передаваемых
символов предшествует один или несколько синхронизирующих символов. При
побитно - ориентированной синхронной передаче в передаваемый блок данных
перед сообщением включается флаг - специальная битовая
последовательность .
В зависимости от вида передачи данных используются соответственно
синхронные и асинхронные модемы. Синхронная передача может проводиться только
синхронными модемами, асинхронная может выполняться и с помощью синхронных
модемов .
Иногда применяется гибридная схема передачи - изохронная. Как и при
асинхронном режиме, каждый символ в ней сопровождается стартовым и стоповым
битами, а работа передающего и приемного модемов синхронизируется с помощью
интервалов между передаваемыми символами, кратными длительности передачи
символов .
Пересылка данных в ТКС осуществляется последовательной передачей битов
сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты
передаются в виде модулированных или импульсно-кодовых электрических сигналов,
которые зачастую называют цифровыми. Модулированные сигналы менее
чувствительны к искажениям, обусловленным затуханием в передающей среде. Импульсно-
кодовые сигналы могут иметь одно или конечный набор значений в пределах
определенного тактового интервала. Как правило, для импульсно-кодовой передачи
используется двухуровневый сигнал. Для импульсно-кодовых сигналов проще осу-
ществляется кодирование и декодирование.
Системы
телеобработки
информации
Системы телеобработки информации являются специализированными системами
телекоммуникаций. Основная цель систем телеобработки данных (СТД) - обеспечить
прием данных непосредственно с мест их получения и выдачу результатов
обработки к местам использования. При этом отпадает необходимость в промежуточных
носителях данных, повышается оперативность взаимодействия с ЭВМ, повышается
скорость и общая эффективность работы системы, для которой производится
обработка данных. Кроме того, телеобработка позволяет использовать мощные ЭВМ, на
основе которых можно создавать большие базы данных. С помощью линий связи к
таким ЭВМ может подключаться значительное число пользователей, что
обеспечивает высокий уровень загрузки и использования ЭВМ во времени.
Для создания систем телеобработки необходимы следующие технические
средства :
1) каналы связи, в том числе и аппаратура передачи данных:
2) устройства сопряжения ЭВМ с аппаратурой передачи данных;
3) абонентские пункты;
4) удаленные мультиплексоры передачи данных.
Значительная протяженность линий связи затрудняет возможность обмена
отдельными сигналами между ЭВМ и оконечным оборудованием. Поэтому
взаимодействие ЭВМ и оконечного оборудования организуется с помощью сообщений - блоков
данных, передаваемых в виде единого целого. Сообщения имеют специальную
структуру, обеспечивающую представление в них наряду с собственно данными
служебной информации, необходимой для идентификации сообщения и защиты данных
от искажений. Возможность взаимодействия абонентов с ЭВМ только посредством
сообщений вносит определенную специфику в организацию программного
обеспечения телеобработки.
14.2. Каналы связи
Аппаратура
линий связи
Формирование сигналов для передачи по линии связи осуществляется
аппаратурой передачи данных (Data Circuit terminating Equipment). Примерами DCE
являются модемы. Подготовка данных для передачи осуществляется оконечным
оборудованием данных (Data Terminal Equipment). Для усиления сигнала, проходящего
через линию, а также для организации совместного использования линий связи
(мультиплексирования и коммутации) может использоваться дополнительное
оборудование .
Хотя сами сигналы в линиях связи всегда являются непрерывными или кусочно-
непрерывными, т.е. аналоговыми по физической форме своих материальных
носителей, в зависимости от способа передачи данных линии связи делятся на цифровые
и аналоговые. В цифровых линиях данные представляются сигналами, имеющими
конечное число состояний, т.е. информация заключена в значениях сигнала в
определенные моменты времени, причем сигнал может принимать конечное число
значений. В аналоговых линиях используются сигналы с непрерывным диапазоном своих
значений.
Как правило, при передаче данных в аналоговой форме сигналы имеют более
узкий спектр, поэтому их используют в линиях связи с узкой полосой пропускания,
например в телефонных сетях. Цифровые сигналы обеспечивают высокую скорость
передачи данных, но имеют более широкий спектр.
Характеристики
линий связи
Основные характеристики канала связи - пропускная способность и
достоверность передачи данных. Пропускная способность канала (количество информации,
передаваемое в единицу времени) оценивается предельным числом бит данных,
передаваемых по каналу за единицу времени, и измеряется в бит/с. Достоверность
передачи данных оценивается по интенсивности битовых ошибок (Bit Error Rate),
определяемой как вероятность искажения передаваемого бита данных. Величина
BER для каналов связи без дополнительной защиты от ошибок составляет 10~4 -
10~6. Основная причина искажений - воздействие помех на линию связи. Помехи,
как правило, носят импульсный характер и имеют тенденцию к группированию -
образованию пачек помех, искажающих сразу группу соседних бит в передаваемых
данных.
Пропускная способность канала связи определяется полосой частот и
помехоустойчивостью канала. Полоса частот, в которой амплитудно-частотная
характеристика (АЧХ) линии связи имеет значение не ниже заданного (например, по
уровню 0.5) называется полосой пропускания. Полоса частот AF = fB-f„,rfle f„ и f„ -
нижняя и верхняя границы частот, определяет диапазон частот, эффективно
передаваемых по линии. Полоса частот зависит от типа линии и ее протяженности.
Проводные линии связи имеют полосу частот примерно 10 кГц, кабельные - 100
кГц, коаксиальные - 100 МГц, радиорелейные - 1000 МГц, волоконно-оптические -
100 ГГц. Для передачи данных используется коротковолновая радиосвязь с
диапазоном частот от 3 до 30 МГц. Для передачи данных на небольшие расстояния
используются в основном низкочастотные проводные линии, на большие расстояния -
высокочастотные линии: коаксиальные кабели, волоконно-оптические и
радиорелейные линии. Радиосвязь применяется для организации как местной, так и
дальней связи.
Помехоустойчивость линии зависит от мощности помех, создаваемых в линии
внешней средой или возникающих из-за шумов в самой линии. Обычно для
уменьшения помех проводники экранируют или скручивают. Наименее помехоустойчивыми
являются радиолинии, хорошей помехоустойчивостью обладают кабельные линии,
отличной - волоконно-оптические линии, не восприимчивые к электромагнитному
излучению.
Пропускная
способность
канала
Пропускная способность канала зависит от ширины полосы частот линии связи и
отношения мощностей сигнала и шума. Математически эта связь описывается
формулами Шенона (14.2.1) и Найквиста (14.2.2). Максимальная пропускная
способность канала, построенного на основе линии с полосой частот AF и отношением
сигнал-шум Рс/Рщ? составляет (бит в секунду):
Cmax = AFlog2(l+Pe/Pm). (14.2.1)
Значение (1+Рс/Рш) определяет число уровней сигнала, которое может быть
воспринято приемником. Так, если отношение Рс/РыРЗ, то единичный сигнал может
переносить четыре значения, т. е. 2 бита информации.
C=F log2(M), (14.2.2)
где М - число различимых состояний сигнала.
Максимально возможная пропускная способность не зависит от способа
физического кодирования, так как определяет возможности линии при гипотетически
наилучшем способе кодирования. Практическая пропускная способность канала
существенно зависит от способа физического кодирования информации. Одна и та же
линия связи может иметь разную пропускную способность при разных способах
кодирования. При этом стремятся выбрать способ кодирования так, чтобы
максимально использовать возможности линии. В свою очередь возможность применения
на линии того или иного способа кодирования определяется полосой пропускания
и затуханием сигнала. Затухание это отношение амплитуд входного и выходного
сигналов на заданной частоте. Часто затухание выражается в децибелах и
вычисляется по формуле A=201ogio(ABbK/ABX). Затухание всегда задается для определенной
длины линии связи.
При передаче данных широко используются двоичные сигналы, принимающие
значения 0 и 1. Минимальная длительность такта, с которой могут передавался
сигналы по каналу с полосой частот AF, равна Тщш = 1/(2AF). Если вероятность искажения
символов 0 и 1 из-за помех одинакова и равна р, то число двоичных символов,
которые можно безошибочно передать по каналу в секунду:
С = 2AF[1 + р l0g2 р + (1-р) log2(l-p)]. (14.2.3)
Это выражение определяет пропускную способность двоичного канала. Величина
в квадратных скобках определяет долю двоичных символов, которые передаются по
каналу с частотой 2AF без искажений. Если помехи отсутствуют, вероятность
искажения символа р=0 и пропускная способность C=2AF. Если вероятность искажения
р=0,5, то пропускная способность С=0. Если по каналу передается сообщение
длиной п двоичных символов, то вероятность появления в нем m ошибок Р(п,
т)=С-рт(1-рГт.
Наиболее распространенный тип канала - телефонный с полосой пропускания 3,1
кГц (диапазон частот 0,3-3,4 кГц). Коммутируемый телефонный канал
обеспечивает скорость передачи данных С=1200 бит/с, некоммутируемый - до 9600 бит/с.
Эффективность использования канала связи для передачи данных принято
характеризовать удельной пропускной способностью B=C/AF, т. е. пропускной
способностью на 1 Гц полосы частот канала. Для коммутируемых телефонных каналов
удельная пропускная способность не превышает 0,4 бит/(сПГц), а для
некоммутируемых составляет, как правило, 3-5 бит/(с □ Гц).
Стандартизированы следующие скорости передачи данных по каналам связи: 200,
300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 12000, 24000, 48000 и 96000 бит/с. Каналы с
пропускной способностью до 300 бит/с называются низкоскоростными, от 600 до
4800 бит/с - среднескоростными, и с большей пропускной способность -
высокоскоростными .
Пропускная способность зависит не только от физического кодирования, но и
от предварительного логического кодирования, которое заключается в
предварительной подготовке данных, влияющей на ширину спектра итогового сигнала.
Типы кабелей
В компьютерных сетях применяются кабели, соответствующие принятым
стандартам. В настоящее время наиболее употребительным является международный
ISO/IEC 11801. Наибольшее значение имеют следующие характеристики кабелей,
требования к которым устанавливаются в стандартах:
• Затухание (в дБ/м).
• Перекрестные наводки на ближнем конце, определяют устойчивость кабеля к
внутренним источникам помех. Если в одном кабеле проложены две пары
проводов, одна из которых используется для передачи, а другая для приема,
то возникают перекрестные наводки (помехи). Для оценки перекрестных
наводок используется показатель NEXT (Near End Cross Tolk), рассчитываемый
по формуле 201ogl0 (Авых/Авх) , где Авых и Авх - амплитуды выходного и
наведенного входного сигналов. Показатель приводится для кабеля из
нескольких витых пар. Для коаксиального кабеля он не имеет смысла.
• Импеданс (волновое сопротивление) - эффективное входное сопротивление
кабеля для переменного тока. При изменении напряжения реакция системы
зависит не только от нагрузки на удаленном конце кабеля, а от
эффективного сопротивления, которое определяется погонными емкостью и
индуктивностью кабеля. Если нагрузка на кабеле не совпадает с его волновым
сопротивлением (кабель рассогласован), то в кабеле возникают отражения
сигнала от нагрузки (вплоть до возникновения стоячей волны при большом
сопротивлении нагрузки), что приводит невозможности передачи данных. Для
обеспечения согласования необходимо, чтобы все кабели в сети и концевые
нагрузки имели одинаковое волновое сопротивление.
• Уровень внешнего электромагнитного излучения в проводнике,
характеризующий помехозащищенность кабеля, то есть степень ослабления внешних помех
от различных источников (линий электропередачи, средств связи,
оргтехники и бытовой техники, электромоторов).
• Диаметр и площадь сечения проводника.
Наиболее широкое применение находят следующие типы кабелей.
Неэкранированная витая пара UTP является наиболее употребительной в
современных локальных сетях (наряду с тонким коаксиальным кабелем) и
подразделяется по категориям. Кабели категории 3 имеют рабочий диапазон до 16 МГц и
предназначены для передачи данных и голоса со скоростью передачи 10 Мбит/с.
Кабели категории 4 являются некоторым улучшением категории 3 и имеют рабочий
диапазон до 20 МГц. Кабели категории 5 - наиболее распространенный вид,
ориентированный на высокоскоростные протоколы и имеющий рабочий диапазон 100 МГц.
Кабели категорий 6 и 7 имеют рабочий диапазон 200 и 600 МГц и лучшие
характеристики затухания и помехозащищенности, но используются редко из-за своей
дороговизны. Волновое сопротивление кабелей витой пары составляет 100 Ом. Все
кабели выпускаются в 4-парном исполнении, каждая из пар имеет свой цвет.
Экранированная витая пара STP имеет лучшие характеристики по сравнению с
неэкранированной. Основным стандартом, определяющим параметры кабелей данного
типа, является стандарт фирмы IBM, в котором кабели разделены на девять
типов .
Коаксиальные кабели широко используются не только в компьютерных сетях, но
и для передачи ВЧ телевизионных сигналов.
Кабель RG-8 и RG-11 - «толстый» коаксиальный кабель, имеет волновое
сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0.5 дюйма. Это достаточно дорогой кабель с
высокими характеристиками.
Кабели RG-58/U (сплошной тонкий проводник), RG-58 A/U (многожильный
проводник) и RG-58 C/U - тонкий коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50
Ом. Кабель RG-59 с волновым сопротивлением 50 Ом для передачи телевизионных
сигналов.
Волоконно-оптические кабели (ВОК) состоят из центрального проводника света
(волокна), окруженного другим проводником - оболочкой. Оболочка обладает
меньшим показателем преломления, чем сердцевина, поэтому излучение не выходит
за пределы волокна.
Различают одномодовое волокно (дорогое, очень тонкого диаметра), с полосой
пропускания сотни гигагерц, и многомодовое волокно, с более широким
сердечником и меньшей полосой пропускания 500-800 МГц. В многомодовом волокне из-за
относительно больших размеров электромагнитная волна высокой частоты может
распространяться в нескольких режимах (модах), с разными скоростями, что
приводит к невозможности передачи информации. Поэтому верхняя граничная частота
такого волокна ограничена нижней частотой возникновения высших мод.
В качестве источников света в ВОК используют светодиоды и полупроводниковые
лазеры. Для передачи информации используется свет с диной волны 1150 нм
(лазеры) , 1300 нм и 850 нм.
Способы передачи данных
Для передачи данных по каналам с различными характеристиками используются
способы с максимальным использованием свойств каналов для повышения скорости
и достоверности передачи данных.
Данные первоначально предоставляются последовательностью прямоугольных
импульсов . Для их передачи без искажения требуется полоса частот от нуля до
бесконечности. Реальные каналы имеют конечную полосу частот, с которой
необходимо согласовать передаваемые сигналы. Согласование обеспечивается, во-
первых, путем модуляции - переноса сигнала на заданную полосу частот и, во-
вторых, путем кодирования - преобразовании данных в вид, позволяющий
обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за помех в канале связи.
При использовании высокочастотных проводных и кабельных линий, полоса
частот которых начинается примерно от нуля, сигналы можно передавать в их
естественном виде - без модуляции (в первичной полосе частот). Каналы, работающие
без модуляции, называются телеграфными и обеспечивают передачу данных со
скоростью, как правило, 50-200 бит/с.
Когда канал имеет резко ограниченную полосу частот, как, например,
радиоканал, передача сигналов должна выполняться в этой полосе и перенос сигнала в
заданную полосу производится посредством модуляции. В этом случае между
оконечным оборудованием данных, работающим с двоичными сигналами, и каналом
устанавливается модем - модулятор и демодулятор. Модулятор перемещает спектр
первичного сигнала в окрестность несущей частоты f„. Демодулятор выполняет над
сигналом обратное преобразование, формируя из модулированного сигнала
импульсный двоичный сигнал.
Способы модуляции подразделяются на аналоговые и дискретные.
Аналоговая модуляция
Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам
с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал
тональной частоты телефонных сетей. Она является таким способом физического
кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты
или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.
Амплитудная
модуляция
Амплитудная модуляция (AM) выполняется модуляцией амплитуды несущей частоты
первичным сигналом. Амплитудную модуляцию кодовых последовательностей
называют амплитудной манипуляцией (АМн). В зависимости от значения передаваемого
двоичного элемента (бита) несущий сигнал может принимать одно из двух
состояний: "включено" (наличие сигнала) - при передаче «1», либо "выключено"
(отсутствие сигнала) - при передаче «0». Двоичную АМн называют on-off
манипуляцией. В большинстве случаев амплитудную модуляцию объединяют с фазовой
модуляцией (квадратурная модуляция), что повышает помехоустойчивость передачи
данных и обеспечивает большую скорость передачи.
Частотная
модуляция
Частотная модуляция (ЧМ) . При ЧМ под воздействием модулирующих сигналов
(информационных битов) меняется только частота несущего колебания. В случае
частотной манипуляции (ЧМн) несущая частота выбирается из дискретного набора
значений в соответствии с передаваемым битом или битовой последовательностью.
В общем случае, для ЧМн может использоваться М=2п частот, каждая из которых
представляет соответствующую п-битную последовательность. Так, в двоичной ЧМн
используются две несущих частоты fOl и f02, одна для двоичного нуля, другая -
для двоичной единицы. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах
и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300
или 1200 бит/с. При квадратурной частотной манипуляции применяются четыре
частоты для передачи битных последовательностей: 00, 01; 10; 11.
Фазовая
модуляция
Фазовая модуляция (ФМ). При ФМ в соответствии с последовательностью
передаваемых информационных бит, изменяется только фаза несущего синусоидального
колебания f 0. В случае фазовой манипуляции (ФМн) фаза несущей частоты может
принимать одно из нескольких дискретных значений. В двоичной схеме ФМн (биты
0 и 1) значение фазы несущей может равняться либо Оо, либо 180о. В этом
случае в одном периоде несущего сигнала передается один бит информации, а
кодирование осуществляется со скоростью 1 бит/с/Гц. Для передачи двойных битов
00, 01, 10 и 11 в одном периоде сигнала используется квадратурная ФМн, при
которой фаза может принимать одно из четырех значений соответственно: 45°, 135°,
225°, 315° или 0°, 90°, 180°, 270°. Скорость кодирования в этом случае будет равна 2
бит/с/Гц. В общем случае, если фаза несущего сигнала принимает одно из 2п
значений, то в одном периоде сигнала передается log22n=n бит и скорость
кодирования составит п бит/с/Гц.
При декодировании сигналов с ФМн фаза сигнала в приемнике должна
сравниваться с фазой несущего колебания, что усложняет конструкцию устройства. В
связи с этим на практике используется модифицированная форма фазовой
манипуляции, которая называется относительной фазовой манипуляцией (ОФМн). При этом
каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение
фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Чаще применяется
двукратная ОФМ (ДОФМ), основанная на передаче четырех сигналов, каждый из
которых несет информацию о двух битах исходной двоичной последовательности.
В скоростных модемах используются комбинированные методы модуляции, как
правило, амплитудная в сочетании с фазовой. Применяемые на практике коды
имеют достаточно большое число состояний, например 4 различных уровня амплитуды
в сочетании с восьмью возможными значениями сдвига фазы (квадратурная
амплитудная модуляция). Часть из этих состояний являются запрещенными, и за счет
этой избыточности реализуется коррекция ошибок.
Спектр модулированного сигнала расположен симметрично относительно несущей
частоты и занимает ограниченную полосу. Поэтому данный вид модуляции
используется в линиях связи с частотным уплотнением, когда по линии одновременно
передаются несколько сигналов, занимающих различные полосы. Примером таких
сетей являются телефонные сети, в которых абоненту выделяется узкополосный
канал, достаточный для передачи голоса с приемлемым качеством, и каждая пара
абонентов работает только на своей частоте.
Дискретная модуляция
Дискретная (цифровая) модуляция применяются для преобразования аналоговых
сигналов, например речевых, в цифровые. Для этих целей наиболее широко
используются амплитудно-импульсная, кодово-импульсная и время-импульсная
модуляция .
Кодирование передаваемых данных производится в основном для повышения
помехоустойчивости данных. Так, первичные коды символов могут быть представлены в
помехозащищенной форме - с использованием кодов Хемминга, обеспечивающих
обнаружение и исправление ошибок в передаваемых данных. В последнее время
функция повышения достоверности передаваемых данных возлагается на оконечное
оборудование данных и обеспечивается за счет введения информационной
избыточности в передаваемые сообщения.
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и
импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и
нулей используется только значение потенциала сигнала. Импульсные коды
позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности,
либо перепадом потенциала определенного направления.
При выборе метода цифрового кодирования к нему предъявляют следующие
требования :
• наименьшая ширина спектра результирующего сигнала при той же скорости
передачи;
• возможность синхронизации между передатчиком и приемником;
• возможность распознавания ошибок.
Более узкий спектр сигналов позволяет добиваться более высокой скорости
передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование
отсутствия постоянной составляющей.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно
знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии
связи. Как правило, в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся
коды, сигналы которых позволяют передатчику автоматически определять тактовую
частоту передачи информационных битов (например, по резким перепадам
сигналов) .
Распознавание и коррекция ошибок, как правило, реализуется средствами
логического кодирования, но иногда для этого используется и избыточность
физических кодов.
Способы цифрового
кодирования данных
В современных системах передачи данных синхронизация передатчика и
приемника достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов. Каждый
переход уровня сигнала от высокого к низкому уровню или наоборот используется для
подстройки приемника. Лучшими считаются такие, которые обеспечивают переход
уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени на приеме
одного информационного бита. Наиболее распространенными являются следующие
коды:
Потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ - Non Return to Zero) - 0 и
1 кодируются различными уровнями сигнала. Это наиболее простой способ
кодирования , но имеет постоянную составляющую в спектре. При передаче длинных серий
одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для
каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность
распознавания принимаемых битов
Потенциальный код с возвращением к нулю (RZ - Return to Zero) - код,
аналогичный NRZ, с возвращением к нулю на середине каждого тактового интервала.
Имеет большее число переходов уровня сигнала, чем сигнал в соответствующем
коде NRZ.
Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (AMI) - 0 кодируется
нулевым потенциалом, а 1 - положительным или отрицательным ненулевым, причем
потенциал каждой следующей единицы противоположен по знаку предыдущей. Спектр
кода не содержит постоянной составляющей. Используется три уровня сигналов,
что требует увеличения мощности передатчика. Обладает хорошими
синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации.
Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных,
поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации.
1
О
1
О
о
1
NRZ-код
RZ-код
Манчестерский
код II
АМГ-код
1
1
1
1
1
~1
г
1
1
Иллюстрация самосинхронширующих кодов.
Рис. 14.2.1.
Для улучшения кодов AMI можно применять предварительное «перемешивании»
исходной информации так, чтобы в передаваемой последовательности появление
нулей и единиц было равновероятно. Такой метод называется скрэмблированием, а
выполняющие его устройства - скрэмблерами.
Биполярный импульсный код - кодирование производится импульсами
положительной и отрицательной полярности, длительность которых равна половине
длительности передачи бита. В этом коде также может присутствовать постоянная
составляющая, и он имеет более широкий спектр, чем потенциальные коды (так как
выше частота сигнала, передающего последовательность нулей и единиц).
Манчестерский код (РЕ - Phase Encode, фазовое кодирование) - наиболее
популярный код, применяемый в локальных сетях. При манчестерском кодировании
информация передается перепадами потенциала, происходящими в середине такта.
Единица кодируется перепадом от низкого уровня к высокому, а ноль наоборот. В
начале каждого такта может происходить, а может и не происходить служебный
перепад (он происходит, если в предыдущем такте передаваемый бит имел то же
значение, что и в текущем.). Манчестерский код обеспечивает изменение уровня
сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных
битов - двойное изменение. Обладает наилучшими синхронизирующими свойствами.
Манчестерский код имеет более узкую полосу, чем биполярный импульсный и не
имеет постоянной составляющей в спектре.
Логическое кодирование
Логическое кодирование - это предварительное изменение передаваемой
информации с целью сделать ее более удобной для передачи. Например, путем
логического кодирования избавляются от длинных последовательностей нулей и единиц.
Избыточное кодирование - вариант логического кодирования, при котором к
передаваемой информации добавляется дополнительная. При этом передаваемая
последовательность бит разбивается на порции, называемые символами. Затем
каждый символ заменяется на новый, имеющий большее количество бит, чем исходный.
Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной 4 бита на
символы длиной 5 бит. При этом возникает 16 запрещенных символов, прием
которых свидетельствует об ошибке связи.
При избыточном кодировании передатчик должен работать с повышенной
частотой, но это оправдывается тем, что спектр потенциального кода с избыточностью
не имеет постоянной составляющей, уже, чем у манчестерского кода, и имеет
возможность исправления ошибок передачи.
Методы синхронизации
Применение самосинхронизирующихся кодов обеспечивает побитовую
синхронизацию, но для обнаружения начала и окончания потока бит и его разделения на
байты (побайтовой синхронизации) необходимы специальные методы.
В асинхронных протоколах каждый байт (или большая группа бит фиксированной
длины) предваряются специальным набором старт-бит и завершаются стоп-битами.
Этот протокол используется для низкоскоростного взаимодействия с
периферийными устройствами.
В синхронных протоколах данные передаются относительно большими блоками
произвольной длины (кадрами). Для возможности обнаружения факта передачи и
побитовой синхронизации кадр предваряется преамбулой - фиксированной
последовательностью бит. После преамбулы начало и конец кадра обозначаются
стартовыми и стоповыми ограничителями (флагами). Для того чтобы при возникновении
внутри поля данных последовательности бит, совпадающей со стоповым
ограничителем, не нарушался порядок приема кадра, существуют специальные методы.
Первый из них основан на бит-стаффинге, то есть вставке дополнительных бит,
предотвращающих появление закрывающего флага внутри поля данных. Например,
если закрывающий флаг представляет собой 6 единиц, то после каждых пяти
единиц вставляется ноль. На приемнике любой ноль после пяти единиц изымается из
принятой последовательности.
Второй способ основан на передаче в заголовке кадра (имеющего фиксированную
длину) сведений о длине поля данных.
Третий способ основан на применении в ограничителях кадра запрещенных кодов
физического уровня (например, в манчестерском коде используются два
запрещенных состояния, когда уровень сигнала в середине такта остается неизменно
низким, или неизменно высоким).
Методы обнаружения
искажений информации
Методы обнаружения искажений информации основаны на передаче в составе
кадра избыточной информации, по которой можно судить о достоверности принятых
данных. Эту служебную информацию называют последовательностью контроля кадра
- Frame Check Sequence (FCS). Она вычисляется как функция от основной
информации. Принимающая сторона заново вычисляет эту функцию, и совпадение
результатов считается критерием правильности приема.
Метод контроля по паритету заключается в том, что к блоку информации
добавляется один бит - 1, если число единиц в блоке нечетное, и 0, если четное. Он
позволяет обнаруживать только нечетное число ошибок при передаче.
В методе циклического избыточного контроля (CRC) в качестве контрольной
информации используется остаток от деления двоичного числа, которое
представляют собой исходные данные, на известный делитель. Как правило, делитель
выбирается таким, чтобы остаток составлял 2 или 4 байта. При приеме остаток
прибавляется к принятым данным и полученное число делится на тот же делитель.
Равенство итогового остатка нулю свидетельствует о правильности приема.
Восстановление потерянных кадров проводится путем их повторной передачи.
При передаче с установлением логического соединения каждый блок данных
нумеруется и для подтверждения его получения приемник посылает передатчику
специальный блок данных - положительную или отрицательную квитанцию. Если
передатчик не дождался квитанции в течение определенного времени или получил
отрицательную квитанцию, он проводит повторную передачу.
Импульсно-кодовая
передача данных
Импульсно-кодовая передача данных выполняется напрямую без модуляции, в
первичной полосе частот, путем изменения уровней сигналов, несущих
информацию, с определенной тактовой частотой. Например, если в ЭВМ цифровые данные
представляются сигналами уровней 5 вольт - для кода «1» и 0,2 вольта - для
кода «0», то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов
преобразуются соответственно, например, в +12 и в -12 вольт на одном тактовом
интервале. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных
последовательных адаптеров RS-232-C при передаче цифровых данных от одного
компьютера к другому на небольшие расстояния. Импульсно-кодовая передача
является узкополосной, тактовая частота является, по существу, несущей частотой
передачи.
14.3. Импульсно-
модулированные сигналы
В импульсной модуляции в качестве носителя модулированных сигналов
используются последовательности импульсов, как правило - прямоугольных. В
беспроводных системах передачи данных (в радиосвязи) эти последовательности
заполняются высокочастотными колебаниями, создавая тем самым двойную модуляцию.
Как правило, эти виды модуляции применяются при передаче дискретизированных
данных. Для прямоугольных импульсов наиболее широко используются амплитудно-
импульсная (АИМ) и широтно-импульсная (ШИМ) модуляция.
Амплитудно-импульсная
модуляция
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) заключается в изменении приращения
амплитуды импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при
постоянной длительности импульсов и периоде их следования:
U(t) = ио + k-s(t), т„ = const, Т = const. (14.3.1)
Спектр АИМ рассмотрим на примере модулирования однотонального сигнала s(t),
приведенного на рис. 14.3.1. Напишем уравнение модулированного сигнала в
следующей форме:
u(t) = (1+М cos Qt)-f(t), (14.3.2)
где f(t) - периодическая последовательность прямоугольных импульсов с час-
тотой ш0, которую можно аппроксимировать рядом Фурье (без учета фазы) :
со
f(t) = ио + Z Un cos ncoot. (14.3.3)
n = i
Подставляя (14.3.3) в (14.3.2), получаем:
со
u(t) = (1+М cos Qt)U0+ Z U„ cos ncoot (1+M cos fit)
n = i
CO
u(t) = Uo + U0M cos Qt + Z U„ cos nco0t +
n = i
CO CO
+ 0.5M Z U„ cos (nco0+fi)t + 0.5M Z U„ cos (nco0-fi)t. (14.3.2)
n=i n=i
Спектр сигнала АИМ
1 1 1
Спектры сигналов без
постоянной состав л яющей
100 200 300 400 Частота, Гц.
Рис. 14.3.1.
Форма спектра, в начальной части спектрального диапазона, приведена на рис.
14.3.1. В целом, спектр бесконечен, что определяется бесконечностью спектра
прямоугольных импульсов. Около каждой гармоники пш0 спектра прямоугольных
импульсов появляются боковые составляющие na>0±fi, соответствующие спектру
моделирующей функции (при многотональном сигнале - боковые полосы спектров). При
дополнительном высокочастотном заполнении импульсов весь спектр смещается в
область высоких частот на частоту заполнения.
Широтно-импульсная
модуляция
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, в английской терминологии pulse width
modulation, PWM), которую иногда называют модуляцией по длительности
импульсов (ДИМ), заключается в управлении длительностью импульсов пропорционально
функции управляющего сигнала при постоянной амплитуде импульсов и периоде
следования по фронту импульсов:
x(t) = t0 + k-s(t), U = const, Т = const. (14.3.3)
Рассмотрим выполнение ШИМ в простейшем варианте на примере гармонического
колебания, приведенного на рис. 14.3.2.
Передаваемая кривая дискретизируется, при этом имеет значение, как интервал
дискретизации, так и количество уровней квантования. При передаче данных
прямоугольные импульсы начинаются в моменты дискретных отсчетов данных, а
длительность импульсов устанавливается пропорциональной значению отсчетов, при
этом максимальная длительность импульсов не должна превышать интервала
дискретизации данных. Пример сформированных импульсов приведен на рис. 14.3.2
непосредственно под дискретизированной гармоникой, при этом число уровней
квантования гармоники принято равным 8.
На рис. 14.3.3 приведен спектр сформированного сигнала ШИМ. В начальной
части спектра он содержит постоянную составляющую среднего уровня сигнала и
Сигнал АИМ
10
0.1
0.01
-S(f)
-U(f)
0.15 Время, сек. 0
пик частоты гармоники, закодированной в ШИМ - сигнале. Если выделить из
спектра эти две составляющие, то восстанавливается исходный сигнал с погрешностью
квантования, приведенный на рис. 14.3.4. Естественно, что при малом числе
уровней квантования погрешность восстановления исходного гармонического
сигнала очень велика.
О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 тс
Рис. 14.3.2. Широтно-импульсная модуляция.
0.5
°с
1 1 1 1
Модуль спектра ~
■ ■ l-illllllllliinil- П
10
,°
1 1
• X %^
• \ г
1 * * 1
1
• \
• \
1 * *
]
50
100
150 200 кП
0.05 0.1
0.15 мс
Рис. 14.3.3. Спектр ШИМ - сигнала. Рис. 14.3.4. Восстановленный сигнал.
Попутно заметим, что широтно-импульсная модуляция с последующим выделением
постоянной составляющей может весьма эффективно использоваться (и
используется) для слежения за средним уровнем сигнала и автоматического регулирования
его динамического диапазона, как, например, в системах установки громкости
звука и яркости цветов и изображения в целом в современных телевизионных
установках .
Временная
импульсная
модуляция
Временная импульсная модуляция (ВИМ) представляет собой девиацию импульсов
по временной оси по закону модулирующего сигнала, и по существу аналогична
угловой модуляции гармонической несущей. Она также может быть фазовой (ФИМ)
или частотной (ЧИМ).
Кодово-импульсная
модуляция
Кодово-импульсная модуляция заключается в том, что в точках дискретизации
модулирующего сигнала производится квантование его значений и кодирование
квантованных значений, как правило, в двоичной системе исчисления.
Кодированные значения затем передаются при помощи соответствующей кодовой
последовательности стандартных символов.
14.4. Модуляция
символьных и
кодовых данных
В настоящее время информация передается по каналам связи в основном в
цифровой форме. Числа при передаче с периодом Т поступают от источника
информации и называются символами (symbol), а частота передачи символов - символьной
скоростью (symbol rate) fr=l/T. В практике передачи данных распространена
двоичная (binary) последовательность символов, где числа передаются значениями 0 и
1.
Символьные последовательности являются дискретными квантованными сигналами,
которые обычно передаются следующим образом. Каждому из возможных символов
устанавливается определенный набор параметров несущего колебания, которые
поддерживаются постоянными на интервале Т до прихода следующего символа. Это
означает преобразование последовательности чисел в ступенчатый сигнал
(кусочно-постоянная интерполяция) который используется в качестве модулирующего
сигнала. Соответственно, параметры несущего колебания, на которые переносится
ступенчатый сигнал, также меняются скачкообразно. Такой способ модуляции
несущей называется манипуляцией (keying), и может выполняться с использованием
всех рассмотренных методов модулирования.
Амплитудно-
манипулированные
сигналы
Амплитудно-манипулированные сигналы простейшего типа представляют собой
последовательности радиоимпульсов, разделенные паузами. Такие сигналы
используются в радиотелеграфии и в системах передачи дискретных данных. Форма
огибающей радиоимпульсов в общем случае может быть произвольной, паузы могут
отличаться по длительности от радиоимпульсов.
Время, мкс.
40 f0 60
Частота, кГц.
100
Рис. 14.4.1. АМП-сигнал.
Рис. 14.4.2. Модуль спектра АМП-сигнала.
На рис. 14.4.1. приведен пример амплитудно-манипулированного сигнала:
U(t) = UmCOS 27lf0t,
с прямоугольной П-формой огибающей. Соответственно, в частотной области
спектр АМП - сигнала образуется сверткой спектра огибающей функции (в данном
случае - спектра прямоугольного импульса) со спектром косинусного колебания
(дельта - функции на частоте f0). Модуль спектральной плотности сигнала приведен
на рис. 14.4.2. Спектр прямоугольного импульса довольно слабо Затухает и
простирается неограниченно далеко, а поэтому его использование в качестве
огибающей АМП - сигнала не рекомендуется, хотя и является наиболее простым по
техническому исполнению.
На рис. 14.4.3. приведен пример формы классического АМП сигнала при
передаче нескольких символов, каждому из которых соответствует индивидуальная
амплитуда несущей частоты при постоянной длительности интервалов посылки.
Модуль спектра сигнала приведен на рис. 14.4.4 и тоже имеет достаточно большую
ширину значимой части спектра вокруг несущей частоты.
з -
'\
о -
-1 -
-2 -
-1 -
1(1
'11]
п
(1-
1
0.5
1 1
Модуль спектра 1
й
их- '■
ш
р
'II
и
1
11
н
0 0.1 0.2 0.3 0.4 мс и20 40 60 кГц
Рис. 14.4.3. Рис. 14.4.4.
Естественно, что при передаче данных частотный диапазон канала передачи
данных ограничивается значимой частью спектра, ширина которого
устанавливается по допустимой степени искажения приемных сигналов. Степень искажения
сигналов существенно зависит от длительности посылок. Пример искажения
вышеприведенного сигнала при ограничении спектра интервалом 40-60 кГц приведен на
рис. 14.4.5.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 мс
Рис. 14.4.5.
Угловая манипуляция
Угловая манипуляция, как правило, использует частотные методы
модулирования, в которых каждому возможному значению передаваемого символа
сопоставляется индивидуальное значение частоты гармонической несущей. При этом в точках
сопряжения интервалов посылок могут происходить скачки напряжения, с
соответствующим усложнением спектра модулированного сигнала. Самый простой способ -
синусоидальное начало несущей на каждом интервале с кратным количеством
периодов несущей в посылке. При более сложных способах, независимых от точного
сопряжения несущих частот с интервалами посылок, осуществляется управление
скоростью изменения фазы несущих на границах посылок.
Демодуляция сигналов осуществляется корреляционными методами. Сущность
методов - вычисление взаимной корреляции между принимаемым сигналом и набором
опорных частот, используемых при модулировании, с идентификацией символов по
максимумам взаимной корреляции.
Для повышения помехоустойчивости передачи данных желательно, чтобы разно-
символьные посылки были некоррелированны. Если для бинарных символов 0 и 1
принять частоты посылок равными
So(t) = COS C0o(t), Si(t) = COS CQi(t),
то их ВКФ при нулевом временном сдвиге определится выражением:
Boi(O) = [ So(t) Si(t) dt = Vz (sin (wi+w0)T)/(wi+Wo) + Vz (sin (wi-w0)T)/(wi-w0).
J о
При (coi+co0)T » 1 первым слагаемым можно пренебречь, оно много меньше второго.
А второе слагаемое обращается в нуль при (coi+co0)T = як,где к = 1, 2,... - целое число.
Отсюда, минимальное значение между частотами манипуляции для
некоррелированных посылок определяется выражениями:
ЛЮпип = тс/Т, Af^ = 1/2Т = fT/2,
где fx - символьная скорость .
Фазовая манипуляция применяется значительно реже, в связи со значительными
сложностями измерения абсолютных значений начальных фаз в посылках. Проще
определяется относительный фазовый сдвиг в соседних посылках, поэтому обычно
используется фазоразностная манипуляция.
Литература
1. Чертков. Основные сведения о телекоммуникационных системах. Лекция из
Интернета. Чертков. Телекоммуникации, связь.
2. Ташкентский Университет Информационных Технологий. Радиорелейные и
спутниковые системы передачи. Кафедра РРТ. Ташкент, 2003 год.
http://ralex.hi.ru/contents.html
3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.:Питер, 2003. - 608 с.
ТЕМА 15. МОДУЛИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ
«Мир создан ради богов и людей».
Хрисипп. Греческий философ, стоик,
III в. до н.э.
«Все создается с какой-то целью.
Придется разобраться, для чего же
созданы модулированные сигналы. И
почему на них не обратили внимание
ни древние греки, ни Михаило
Васильевич Ломоносов».
Евгений Прокопчук. Иркутский
геофизик Уральской школы, казак, XX в.
ВВЕДЕНИЕ
Сигналы от измерительных датчиков и любых других источников информации
передаются по линиям связи к приемникам - измерительным приборам, в
измерительно-вычислительные системы регистрации и обработки данных, в любые другие
центры накопления и хранения данных. Как правило, информационные сигналы
являются низкочастотными и ограниченными по ширине спектра, в отличие от
широкополосных высокочастотных каналов связи, рассчитанных на передачу сигналов от
множества источников одновременно с частотным разделением каналов. Перенос
спектра сигналов из низкочастотной области в выделенную для их передачи
область высоких частот выполняется операцией модуляции.
Допустим, что низкочастотный сигнал, подлежащий передаче по какому-либо
каналу связи, задается функцией s(t). В канале связи для передачи данного
сигнала выделяется определенный диапазон высоких частот. На входе канала связи в
специальном передающем устройстве формируется вспомогательный, как правило,
непрерывный во времени периодический высокочастотный сигнал u(t) = f(t; ai, а2, ... am).
Совокупность параметров ai определяет форму вспомогательного сигнала. Значения
параметров ai в отсутствие модуляции являются величинами постоянными. Если на
один из этих параметров перенести сигнал s(t), т.е. сделать его значение
пропорционально зависимым от значения s(t) во времени (или по любой другой
независимой переменной), то форма сигнала u(t) приобретает новое свойство. Она
несет информацию, тождественную информации в сигнале s (t) . Именно поэтому
сигнал u(t) называют несущим сигналом, несущим колебанием или просто несущей
(carrier), а физический процесс переноса информации на параметры несущего
сигнала - его модуляцией (modulation). Исходный информационный сигнал s(t)
называют модулирующим (modulating signal), результат модуляции -
модулированным сигналом (modulated signal). Обратную операцию выделения модулирующего
сигнала из модулированного колебания называют демодуляцией (demodulation).
Основным видом несущих сигналов являются гармонические колебания:
u(t) = U-cos(cot+cp),
которые имеют три свободных параметра: U, со и ср. В зависимости от того, на
какой из данных параметров переносится информация, различают амплитудную (AM) ,
частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляцию несущего сигнала. Частотная и
фазовая модуляция взаимосвязаны, поскольку изменяют аргумент функции косинуса, и
их обычно объединяют под общим названием - угловая модуляция (angle
modulation). В каналах передачи цифровой информации получила также
распространение квадратурная модуляция, при которой одновременно изменяются
амплитуда и фаза несущих колебаний.
При использовании в качестве несущих сигналов периодических
последовательностей импульсов (например, прямоугольных) свободными параметрами модуляции
могут быть амплитуда, длительность, частота следования импульсов и фаза
(положение импульса относительно определенной точки тактового интервала). Это
дает четыре основных вида импульсной модуляции: АИМ, ДИМ, ЧИМ и ФИМ.
В качестве несущих сигналов можно использовать не только периодические
колебания, но и стационарные случайные процессы. В качестве модулируемых
параметров случайных сигналов используются моменты случайных процессов. Так,
например, модуляция второго момента случайных последовательностей (модуляция по
мощности) представляет собой аналогию амплитудной модуляции.
15.1. Амплитудная модуляция
Амплитудная модуляция
Амплитудная модуляция (amplitude modulation, AM) исторически была первым
видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время AM применяется в
основном только для радиовещания на сравнительно низких частотах (не выше
коротких волн) и для передачи изображения в телевизионном вещании. Это
обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов.
AM соответствует переносу информации s(t) => TJ(t) при постоянных значениях
параметров несущей частоты со и фазы ф. AM - сигнал представляет собой произведение
информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения с
более высокими частотами. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала:
u(t) = TJ(t) cos(co0t+(p0), (15.1.1)
U(t) = TJm [1+M s(t)], (15.1.2)
где TJm - постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии входного
(модулирующего) сигнала s(t), М - коэффициент амплитудной модуляции.
Значение М характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем
случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим
колебанием с амплитудой S0, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд
модулирующего и несущего колебания M=S0/Um. Значение М должно находиться в пределах
от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М<1 форма
огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала
s(t), что можно видеть на рис. 15.1.1. Малую глубину модуляции М«1 для
основных гармоник модулирующего сигнала применять нецелесообразно, т.к. при
этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше
мощности несущего колебания и мощность передатчика будет использоваться
неэкономично .
На рис. 15.1.2 приведен пример так называемой глубокой модуляции, при
которой значение М стремится к 1 в экстремальных точках функции s(t). При
глубокой модуляции используются также понятия относительного коэффициента
модуляции вверх: М„ = (TJmax - Um)/Um, и модуляции вниз : М„ = (TJm - lJmin)/lJm, которые обычно
выражаются в %.
Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при
перегрузках передатчика, если последний имеет ограниченный динамический
диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика
(увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два
раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза).
При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой приведен на
рис. 15.1.3. Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы
модулирующего сигнала, и после демодуляции, если применяются ее простейшие
методы, информация может быть искажена.
"1
m
"1
Время
Рис. 15.1.1. Модулированный сигнал.
О 20 40 60 80
Время
Рис. 15.1.2. Глубокая модуляция
0 20 40 GO 80
Время
Рис. 15.1.3. Перемодуляция сигнала
Однотональная модуляция
Простейшая форма модулированного сигнала создается при однотональной
амплитудной модуляции - модуляции несущего сигнала гармоническим колебанием с
одной частотой fi:
u(t) = Um[l+M cos fit] cos co0t. (15.1.3)
Значения начальных фазовых углов несущего и модулирующего колебания здесь и
в дальнейшем для упрощения получаемых выражений будем принимать равными нулю,
если они не имеет принципиального значения. С учетом формулы
cos(x)cos(y) = (l/2)[cos(x+y)+cos(x-y)], из выражения (15.1.3) получаем:
u(t) = Umcos co0t + (UmM/2)cos[(co0+Q)t] + (UmM/2)cos[(co0-Q)t]. (15.1.4)
Отсюда следует, что модулирующее колебание с частотой Q перемещается в
область частоты со0 и расщепляется на два колебания, симметричные относительно
частоты со0, с частотами соответственно (со0+0) .верхняя боковая частота, и (со0-
Q). .нижняя боковая частота (рис. 15.1.4 для сигнала, приведенного на рис.
15.1.1). Амплитуды колебаний на боковых частотах равны друг другу, и при
100%-ной модуляции равны половине амплитуды колебаний несущей частоты. Если
получить уравнение (15.1.4) с учетом начальных фаз несущей и модулирующей
частоты, то правило изменения фаз аналогично изменению частоты: начальная
фаза модулирующего колебания для верхней боковой частоты складывается с
начальной фазой несущей, для нижней - вычитаются из фазы несущей. Физическая ширина
спектра модулированного сигнала в два раза больше ширины спектра сигнала
модуляции .
Частота, рад.
Рис. 15.1.4. Физические спектры сигналов.
Энергия
однотонального
AM-сигнала
Обозначим раздельными индексами (нес - несущая, вб - верхняя боковая, нб -
нижняя боковая) составляющие колебания в левой части выражения (15.1.4)
однотонального АМ-сигнала и определим функцию его мгновенной мощности:
U(t) = U„ec(t) + Ue6(t) + U„6(t).
p(t)= U2„ec (t)+U2B6 (t)+U2„6 (t)+2u„ec (t)llB6 (t)+2u„ec (t)u„6 (t)+2uB6 (t)u„6 (t). (15.1.5)
Для определения средней мощности сигнала выполним усреднение функции p(t):
о
Все взаимные мощности модулированного сигнала при усреднении становятся
равными нулю (спектры не перекрываются), при этом:
Pu = Рнес + Рвб + Р„б = Um2/2 + (UmM)2/4. (15.1.6)
Доля мощности боковых частот в единицах мощности несущей частоты:
(Рвб +Р„б)/Р„ес = lVf/2, (15.1.7)
т.е. не превышает 50% даже при 100%-ной модуляции.
Под полезной мощностью модулированных сигналов понимают мощность боковых
частот, несущих информацию. Коэффициент полезного действия модуляции
определяется отношением мощности боковых частот к общей мощности модулированного
сигнала:
Лам = (Um2 М2/4) /Ри = М2/(Л#+2). (15.1.8)
Как можно видеть на рис. 15.1.5, даже при М=1 КПД амплитудной модуляции
составляет только 33%, а при практическом использовании обычно меньше 20%.
Для модулированных сигналов применяют также понятие пиковой мощности Ртах.
Значение пиковой мощности для однотонального АМ-сигнала:
Pmax=Um2(l+M)2.
Рис. 15.1.5,
Многотональный
модулирующий сигнал
Многотональный модулирующий сигнал имеет произвольный спектральный состав.
Математическая модель такого сигнала может быть аппроксимирована
тригонометрической суммой гармонических составляющих, в пределе бесконечной:
s(t, n) =Z а„ cos(fi„t+On), (15.1.9)
п
где значения амплитуд а„ и начальных фаз Ф„упорядоченной возрастающей
последовательности гармоник fin произвольны. Подставляя (15.1.9) в (15.1.2) и
заменяя произведения М*а„ парциальными (частичными) коэффициентами модуляции М„ =
М*а„, получим обобщенное уравнение амплитудно-модулированного сигнала и его
физического спектра:
u(t) = Um[l+ Z M„cos(fint+On)]cos co0t. (15.1.10)
n
u(t)=Umcos co0t+(Um/2)Z Mncos[(co0+fi„)t+0„]+Z Mncos[(co0-fi„)t-0„].
n n
На рис. 15.1.6 приведен схематический пример амплитудных спектров
модулирующего и АМ-сигналов при многотональной модуляции. Он также содержит полосы
верхних и нижних боковых частот относительно несущей частоты По, являющихся
прямой и зеркальной масштабными копиями модулирующего сигнала. Полная ширина
спектра АМ-сигнала равна удвоенной ширине спектра модулирующего сигнала.
Частота, рад.
Рис. 15.1.6. Многотональная модуляция.
Пример. Частотный диапазон одного километра каротажного кабеля 0-200
кГц. Частотный диапазон измерительных датчиков скважинного прибора 0-5
кГц. От какого количества датчиков одновременно может передаваться
информация по данному каротажному кабелю?
Минимальная несущая частота должна быть на порядок выше максимальной
частоты модулирующего сигнала, т.е. порядка 50 кГц. Для передачи сигнала
от одного датчика потребуется полоса частот 2-5 = 10 кГц плюс пустой
защитный интервал для исключения перекрестных помех порядка 1 кГц, т.е. 11
кГц. Общее количество каналов передачи информации: (200-50-5)/11 = 13
каналов.
В соответствии огибающей модулированного сигнала форме модулирующего
сообщения нетрудно убедиться вычислением модуля аналитического сигнала z(t) = u(t) +
u(t) (подробно этот вопрос рассматривается в теме "Аналитические сигналы") .
При u(t) = Um[l+Z M„*s(t, n)] cos co0(t), квадратурное дополнение сигнала определяется
n
преобразованием Гильберта и равно u(t)= Um[l+ZMrs(t, n)] sin co0(t). Огибающая сигнала:
n
|z(t)|=Vu2(t) + 52(t)= ^U2m [ 1 + £ Mns(t, n)]2 (cos2cg0 (t) + sin 2cg0 (t)) = Um[l+ Z M„-s(t,n)].
Автокорреляционная функция
Автокорреляционная функция АМ-сигналов:
/• СО
Ви(т) = u(t) u(t-x) dt. (15.1.12)
J —со
С учетом того, что постоянная фаза не влияет на форму АКФ, при u(t)=U(t)*cos co0t
получаем:
COS C0ot • COS COo(t-t) = 0.5 cos C0oT + 0.5 cos C0o(2t-t).
Ви(т) = со%ЮоТ Г U(t)U(t-x) dt + 0.5 f" U(t)U(t-x) cos co0(2t-x) dt. (15.1.13)
Второй интеграл в формуле АКФ существенно меньше первого (произведение
медленно меняющейся функции U(t)U(t-t) и сильно осциллирующего члена с частотой 2со0) и
им можно пренебречь. Первый интеграл представляет собой АКФ сигнала U(t).
Отсюда :
Ви(т) = с052ЮоТ Ви(т). (15.1.14)
Полная энергия сигнала за счет усреднения по высокочастотным колебаниям:
Ви(0) = (1/2) Ви(0).
При бесконечной энергии сигнала:
Ви(т) =lim J= Ги(0 u(t-t) dt. (15.1.15)
Т-><ю 1 J 0
Демодуляция АМ-сигналов
Демодуляция АМ-сигналов может выполняться несколькими способами.
Самый простейший способ - двухполупериодное детектирование (вычисление
модуля сигнала) с последующим сглаживанием полученных однополярных полупериодов
несущей фильтром низких частот.
На рис. 15.1.7 приведен пример изменения однотонального амплитудно-
моАудированного сигнала и его физического спектра при детектировании (в
реальной односторонней шкале частот и в реальной шкале амплитудных значений
гармоник колебаний). Параметры представленного сигнала: несущая частота 30
Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1.
Как видно на рисунке, при детектировании спектр модулированного сигнала
становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2со0 и
уменьшается по энергии. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в
область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и
выделенной гармоникой сигнала модуляции. Между постоянной составляющей и выделенной
гармоникой энергия распределяется в зависимости от значения коэффициента
модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции)
вся энергия переходит на постоянную составляющую.
0.2
Однотональный модулированный сигнал
_1_
0.4 0.6
Время
... J L 1 1 1
Амгшитудньш
спектр
1 1
1 1 1
0.S 1 0 10
Продетектир об энный сигнал
II -! ■
0.5
0
20
TCZ
0.8
10
20
30
ТТ
40
TCZ
_1_
_1_
30 40
Частота, Гц.
50
ГТТ
G0
70
Т.
Амгглитудньш
спектр
ill
50
60
70
Рис. 15.1.7. Изменение однотонального модулированного
сигнала при детектировании.
Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие
гармоники детектированного модулированного сигнала (т.е. в данном случае на
частотах {117, 120, 123} Гц, {177, 180, 183} Гц и т.д.), которые не показаны
на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе
незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только
низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая
постоянную составляющую (низкочастотный фильтр с подавлением постоянной
составляющей) .
Очевидно также, что в случае перемодуляции сигнала исходный информационный
сигнал будет восстанавливаться с ошибкой.
Другой распространенный метод - синхронное детектирование. При синхронном
детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с
частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний:
y(t) = u(t) cos co0t = U(t) cos C0ot*cos co0t = Vz U(t) + Vz U(t) cos 2co0t. (15.1.16)
Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое
из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет
модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2со0.
На рис. 15.1.8 приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и
синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное
подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является
чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования, где новая
несущая явно содержит дополнительные гармоники более высоких частот.
Время
Рис. 15.1.8.
Физический амплитудный спектр сигналов после демодуляции подобен спектру
двухполупериодного детектирования, но однозначно соотносится со спектром
входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала
на частоте 2со0 в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная
составляющая равна амплитуде несущей частоты со0 и не зависит от глубины модуляции,
амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды
исходного модулирующего сигнала. Замечательной особенностью синхронного
детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е.
коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. Пример синхронного
детектирования перемодулированного сигнала приведен на рис. 15.1.9.
Рис. 15.1.9.
Однако при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и
частот опорного колебания демодулятора и несущей гармоники АМ-сигнала. При
сдвиге фазы опорного колебания на Лео относительно несущей частоты выходной сигнал
демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:
y(t) = U(t) cos co„t-cos(cOot-A(p) = Vi U(t) cos(-Acp) + Vi U(t) cos(2co0t-A(p),
и амплитуда сигнала занижается, а при Лш=л;/2 становится равной нулю.
При сдвиге частоты между несущим и опорным колебаниями сигнал демодулятора
оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой:
y(t) = U(t) cos cOot-cos(cOot-Aco) = Vi U(t) cos(-Acot) + Vi U(t) cos((2co0-Aco)t),
при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать (beat - биения)
с частотой биений Асо.
Для частотной и фазовой синхронизации между несущим и опорным колебаниями в
составе демодуляторов обычно используются следящие системы фазовой
автоподстройки опорной частоты.
Балансная
амплитудная
модуляция
Балансная амплитудная модуляция или AM с подавлением несущей частоты (АМ-
ПН). Как следует из вышеприведенных данных, основная доля мощности AM -
сигнала приходится на несущую частоту. При балансной модуляции производится
перемножение двух сигналов - модулирующего и несущего, при котором происходит
подавление несущего колебания и КПД модуляции становится равным 100%. Так,
для однотонального сигнала (без учета начальных фаз колебаний) при U(t) = М-cos
Qt имеем:
u(t) = UmM cos fit-cos co0t = (UmM/2){cos[(co0+fi)t] + cos[(co0-fi)t]}, (15.1.17)
т.е. биения двух одинаковых по амплитуде гармонических сигналов с верхней и
нижней боковыми частотами. По существу, однотональный модулирующий сигнал
переносится на биения двух высоких частот. Пример сигнала с балансной
модуляцией приведен на рис. 15.1.10. Амплитудный спектр сигнала подобен приведенному
на рис. 15.1.4 с отсутствующей несущей частотой со0. Аналогично, многотональный
балансно - модулированный сигнал имеет две симметричные относительно частоты
со0 группы верхних и нижних боковых колебаний:
N N
u(t) = (Um/2){ X Mncos[(co0+fi„)t+0„] + X Mncos[(co0+fi„)t-On]}. (15.1.18)
n = 1 n = 1
0 10 20 30 40
Время
Рис. 15.1.10. Балансная модуляция.
Физическая сущность подавления несущей частоты заключается в следующем. При
переходе огибающей биений U(t) через нуль фаза несущей частоты
высокочастотного заполнения скачком изменяется на 180°, поскольку функция косинуса
огибающей имеет разные знаки слева и справа от нуля. При этом в достаточно
высокодобротной системе (с малыми потерями энергии) , настроенной на частоту со0,
колебания, возбужденные одним периодом биений, будут гаситься последующим
периодом .
Однако балансная модуляция не получила широкого распространения в связи с
трудностями, возникающими при демодуляции сигналов. В принципе, синхронное
детектирование, как и для AM, позволяет выполнять демодуляцию без каких-либо
проблем, но при условии известной несущей частоты сигнала и точной фазовой
синхронизации опорной частоты с несущей. Но во входном сигнале демодулятора
при АМ-ПН несущая частота отсутствует, и автоматическая синхронизация
становится невозможной. Для снятия этой трудности обычно применяют неполное
подавление несущей и оставляют в модулированном сигнале определенный "остаток"
несущей (пилот-сигнал), который и используется для фазочастотной
автосинхронизации при демодуляции.
Однополосная
амплитудная
модуляция
При идентичности информации в группах верхних и нижних боковых частот нет
никакой необходимости в их одновременной передаче. Одна из них перед подачей
сигнала в канал связи может быть удалена, чем достигается двукратное
сокращение полосы занимаемых сигналом частот. Уравнение сигнала с одной боковой
полосой (ОБП - сигнал, single side band - SSB) может быть получено
непосредственно из 15.1.11. Для верхней (знаки '+' во втором слагаемом) или нижней
(Знаки '-') боковой полосы:
N
u(t) = UmCOS(CDot+(Po) + (Um/2) X MnCOS[(CDo±fi„)t+(Po +Ф„]. (15.1.19)
П = 1
Внешняя форма ОБП - сигнала после удаления одной боковой полосы, пример
которой приведен на рис. 15.1.11 для однотонального сигнала, сходна с обычным
AM - сигналом, но ее огибающая, как это нетрудно заметить, отличается от
огибающей U(t), заданной при модуляции при М = 1 (показана пунктиром).
Время
Рис. 15.1.11. Однополосная амплитудная модуляция.
Для демодуляции ОБП - сигнала может использоваться как двухполупериодное,
так и синхронное детектирование, со всеми особенностями, присущими этим
методам. Результаты демодуляции отличаются от демодуляции AM - сигналов только в
2 раза меньшей амплитудой выходных сигналов.
При однополосной модуляции возможно также подавление несущей частоты
(полное или частичное, с оставлением пилот-сигнала), что позволяет полнее
использовать мощность передатчика.
Полярная модуляция
Полярная модуляция решает конкретную техническую задачу - передачу двух
сигналов одновременно, что требуется, например, в стереовещании или при
передаче стереоснимков. Рассмотрим это на примере стереосигналов.
В системе стереовещания необходимо передавать два сигнала Si(t) и S2(t)
одновременно (левый и правый каналы) при условии совмещения с монофоническими
приемниками. Для выполнения этого условия создается специальный модулирующий
сигнал. Процесс создания сигнала поясняется на рис. 15.1.12, где в качестве
канальных сигналов приняты моногармонические сигналы si и s2.
mkc
1 1 1 1 1 1
Амплитудный спектр
композитного сигнала
1 1
1 1 1 1
1
400 mkc 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ЭО Гц.
Рис. 15.1.12. Полярная модуляция.
Специальный модулирующий сигнал формируется из двух сигналов -
монофонического и разностного. Монофонический сигнал образуется суммой сигналов в
каналах , разностный - разностью сигналов:
Smono(t) = Si(t) + S2(t), Sdifl(t)= Si(t) - S2(t),
что позволяет восстанавливать исходные сигналы каналов:
si(t)=( 'mono (t)+Sdin(t))/2,
S2(t) = (Smono(t) " Sdiff(t))/2.
Монофонический сигнал является основным и не изменяется по частоте, что
позволяет принимать его монофоническим приемникам. Для одновременной передачи
разностного сигнала монофонический сигнал суммируется с поднесущей частотой
cosc (subcarrier) , которая располагается за звуковым диапазоном частот
монофонических приемников (в области ультразвука), и модулируется разностным
сигналом (с установкой коэффициента модуляции значением смещения А„):
s(t) = 'mono (t) + (А„ + Sdifl(t))*COS COsct.
Полученный сигнал называют композитным стереосигналом. Именно он
используется в качестве модулирующего сигнала для любого метода модуляции, в том чис-
ле и для угловой модуляции, которая будет рассматриваться ниже. Как видно на
рис. 15.1.12, верхняя и нижняя огибающие композитного сигнала с точностью до
постоянной составляющей соответствуют первому и второму сигналу
стереоканалов, что позволяет достаточно просто выделять эти сигналы на приемной
стороне . На практике поднесущую частоту композитного сигнала обычно частично или
целиком подавляют. Подавление поднесущей выполняется изменением значения
смещения Ао^О, при этом разностный сигнал переходит в режим перемодуляции, а
динамический диапазон амплитуд композитного сигнала уменьшается в два раза.
15.2. Сигналы с
угловой модуляцией
При угловой модуляции (angle modulation) в несущем гармоническом колебании
u(t) = Umcos(cot+(p) значение амплитуды колебаний Um остается постоянным, а
информация s(t) переносится либо на частоту со, либо на фазовый угол ф. И в том, и в
другом случае текущее значение фазового угла гармонического колебания u(t)
определяет аргумент \j/(t) = cot+ф, который называют полной фазой колебания.
Фазовая модуляция
Фазовая модуляция (ФМ, phase modulation - РМ). При фазовой модуляции
значение фазового угла постоянной несущей частоты колебаний со0 пропорционально
амплитуде модулирующего сигнала s(t) . Соответственно, уравнение ФМ - сигнала
определяв т ся выражением:
u(t) = Um cos[coGt + k-s(t)], (15.2.1)
где k - коэффициент пропорциональности, который называется индексом фазовой
модуляции. Пример однотонального ФМ - сигнала приведен на рис. 15.2.1.
^ -ч. 1 1
г-~ I
v/'W/
\У' V//u°(t)
'M/M
r-hf\-\-4-\\-i
f и
ю
20
30
Рис. 15.2.1. ФазомоАудированный сигнал.
При s(t) = О, ФМ - сигнал является простым гармоническим колебанием и показан
на рисунке функцией u0(t). С увеличением значений s(t) полная фаза колебаний
\j/(t)=co0t+k-s(t) нарастает во времени быстрее и опережает линейное нарастание co0t.
Соответственно, при уменьшении значений s (t) скорость роста полной фазы во
времени спадает. В моменты экстремальных значений s(t) абсолютное значение
фазового сдвига А\|/между ФМ - сигналом и значением co0t немодулированного
колебания также является максимальным и носит название девиации фазы (вверх Афв =
k-smax(t), или вниз Аф„ = k-SmJn(t) с учетом знака экстремальных значений модулирующего
сигнала) .
Для колебаний с угловой модуляцией применяется также понятие мгновенной
частоты (instantaneous frequency), под которой понимают производную от полной
фазы по времени:
w(t) = v|/(t)/dt = Wo + k ds(t)/dt.
Полная фаза колебаний в произвольный момент времени может быть определена
интегрированием мгновенной частоты:
\j/(t) = [ w(t) dt, или \j/(t) = f w(t) dt +ф0.
J -00 Jo
Частотная модуляция
Частотная модуляция (ЧМ, frequency modulation - FM) характеризуется
линейной связью модулирующего сигнала с мгновенной частотой колебаний, при которой
мгновенная частота колебаний образуется сложением частоты высокочастотного
несущего колебания со0 со значением амплитуды модулирующего сигнала с
определенным коэффициентом пропорциональности:
co(t) = coo + k-s(t). (15.2.2)
Соответственно, полная фаза колебаний:
\j/(t) = CDo(t) + k f s(t) dt, или \j/(t) = CDo(t) + k f s(t) dt +ф0.
J -GO JO
Уравнение ЧМ - сигнала:
u(t) = Um cos(w0t+k f s(t) dt +ф0). (15.2.3)
J 0
Аналогично ФМ, для характеристики глубины частотной модуляции используются
понятия девиации частоты вверх Асов = ksmax(t), и вниз Асо„ =k-smm(t).
Частотная и фазовая модуляция взаимосвязаны. Если изменяется начальная фаза
колебания, изменяется и мгновенная частота, и наоборот. По этой причине их и
объединяют под общим названием угловой модуляции (УМ) . По форме колебаний с
угловой модуляцией невозможно определить, к какому виду модуляции относится
данное колебание, к ФМ или ЧМ, а при достаточно гладких функциях s(t) формы
сигналов ФМ и ЧМ вообще практически не отличаются.
Однотональная
угловая модуляция
Рассмотрим гармонический модулирующий сигнал с постоянной частотой
колебаний П.Начальная фаза колебаний:
<p(t) = р sin Qt,
где Р - индекс угловой модуляции (modulation index), которым задается
интенсивность колебаний начальной фазы. Полная фаза модулированного сигнала с
учетом несущей частоты со„:
\|/(т) = co0t + Р sin Qt.
Уравнение модулированного сигнала:
u(t) = Um cos(coGt + р sin Qt). (15.2.4)
Мгновенная частота колебаний:
w(t) = d\j/(t)/dt = coo + pQ cos Qt.
Как следует из этих формул, и начальная фаза, и мгновенная частота
изменяется по гармоническому закону. Максимальное отклонение от среднего значения
со0 равно cod = Pfi, и получило название девиации частоты (frequency deviation) .
Отсюда, индекс угловой модуляции равен отношению девиации частоты к частоте
модулирующего сигнала:
р = cod/fi. (15.2.5)
Различия между частотной и фазовой модуляцией проявляются при изменении
частоты fi модулирующего сигнала.
При фазовой модуляции девиация частоты прямо пропорциональна fi, а индекс
угловой модуляции от частоты модулирующего сигнала не зависит:
Р = const, COd = Р £1
Напротив, при ЧМ постоянным параметром модуляции является девиация частоты,
при этом индекс модуляции обратно пропорционален частоте модулирующего
сигнала :
COd = const, Р = C0d/fi.
Спектры сигналов с
угловой модуляцией.
Формулу (15.2.4) однотональной модуляции можно преобразовать к виду:
u(t) = Umcos(Psin(Qt)) cos(cOot) - Umsin(Psin(fit)) sin(co0t). (15.2.6)
При малых значениях индекса угловой модуляции (Р«1, узкополосная модуляция)
имеют место приближенные равенства:
cos(Psin fit) « 1, sin(Psin fit) « P-sin co0t.
При их использовании в (15.2.6), получаем:
u(t) & Umcos co0t + (pUm/2) cos[(coG+fi)t] + (-pUm/2) cos[(co0-fi)t]. (15.2.7)
Сравнение данного выражения с формулой AM - сигнала (15.1.4) позволяет
сделать вывод, что амплитудные спектры однотональных ФМ и ЧМ сигналов при Р«1
практически аналогичны AM сигналам и также содержат верхнюю и нижнюю боковые
частоты сОо+fi и co0-fi. Различие заключается только в смене знака амплитуды нижней
боковой частоты на минус, т.е. в дополнительном фазовом сдвиге нижней боковой
частоты на 180° относительно верхней боковой частоты. Соответственно,
гармонические AM сигналы могут быть трансформированы в ЧМ сигналы изменением на
180° начальной фазы одной из боковых полос. Заметим также, что при малых
значениях индекса Р основная мощность сигнала приходится на несущую частоту.
Индекс модуляции
Рис. 15.2.2. Амплитуды гармоник сигналов с угловой модуляцией.
Математическая модель однотональных ЧМ и ФМ сигналов с любым значением
индекса модуляции Р в общем случае получается разложением функции (15.2.4) в
следующий ряд:
00
u(t)=Um X Jk(m) cos[(co0+kfi)t],
k = -co
где Jk(m) - функция Бесселя к-го индекса от аргумента т=р. Из этого уравнения
следует, что спектр сигнала содержит бесконечное число составляющих - нижних
и верхних боковых колебаний, с частотами co0±kfi, которые соответствуют
гармоникам частоты модуляции, и с амплитудами, пропорциональными значениям Jk(m).
Амплитуды пяти первых гармоник и несущей частоты при Um=l в зависимости от
индекса модуляции приведены на рис. 15.2.2.
При малой величине индекса Р значимые амплитудные значения имеют только
первые гармоники. С ростом величины Р количество значимых боковых составляющих
увеличивается, а энергия сигнала перераспределяется на боковые составляющие.
Функции Бесселя имеют колебательный характер, поэтому спектр при удалении от
несущей частоты со„ спадает немонотонно. На рис. 15.2.2 можно также видеть, что
при определенных значениях индекса модуляции (2.405, 5.52, 8.654 и т.д.)
несущая частота со0 в спектре сигнала полностью отсутствует. Форма физических
амплитудный спектров модулированных сигналов относительно несущей частоты при
разных индексах модуляции приведена на рис. 15.2.3.
500 -^000
2000
Рис. 15.2.3. Модули спектров ЧМ сигнала при разных индексах
модуляции (несущая частота 2500 Гц, гармоника модуляции 25
Гц, шкала частот в Гц относительно несущей).
С ростом индекса модуляции полоса частот, занимаемая сигналом, расширяется.
Практическая ширина спектра сигнала с угловой модуляцией определяется по
формуле :
ПпРакг=2(р+1)0, (15.2.8)
т.е. спектральными составляющими с номерами к>(Р+1) пренебрегают.
Формирование реальных сигналов, как правило, выполняется при Р»1, при этом эффективная
ширина спектра равна удвоенной девиации частоты:
nnpaKr^2pQ = 2cod. (15.2.9)
Отсюда следует, что по сравнению с AM - сигналами, полоса частот которых
равна 2fi, для передачи сигналов с угловой модуляцией требуется полоса частот,
в Р раз большая. С другой стороны, именно широкополосность ЧМ и ФМ сигналов
обеспечивает их большую помехоустойчивость по сравнению с AM сигналами.
Для функций Бесселя имеет также место: J_k(m) = (-l)kJk(m). Это означает, что
начальные фазы боковых колебаний с частотами co0+kfi и co0-kfi совпадают при четных к,
и отличаются на 180° при нечетных к.
Сигналы с многотональной
угловой модуляцией
Сигналы с многотональной угловой модуляцией отличаются еще большей
сложностью спектрального состава. В их спектре присутствуют не только боковые
частоты с гармониками частот модулирующего сигнала, но и боковые комбинационные
частоты типа co0+fii±fi2± ...fii, со всеми возможными комбинациями частот
модулирующего сигнала fii. При непрерывном спектре модулирующего сигнала спектры ЧМ и ФМ
сигналов также становятся непрерывными.
Демодуляция
УМ-сигналов
Демодуляция УМ - сигналов много сложнее демодуляции сигналов AM.
При демодуляции зарегистрированных и записанных в ЗУ цифровых сигналов
обычно используется метод формирования комплексного аналитического сигнала с
помощью преобразования Гильберта:
ua(t) = u(t) + j uh(t),
где uh(t) - аналитически сопряженный сигнал или квадратурное дополнение
сигнала u(t), которое вычисляется сверткой сигнала u(t) с оператором Гильберта (1/я t):
/• со
uh(t) = (Lrc) u(t') dt7(t-t').
j —со
Полная фаза колебаний представляет собой аргумент аналитического сигнала:
v|/(t) = arg(ua(t)).
Дальнейшие операции определяются видом угловой модуляции. При демодуляции
ФМ сигналов из фазовой функции вычитается значение немодулированной несущей
co0t:
(p(t) = \j/(t) - C0ot.
При частотной модуляции фазовая функция дифференцируется с вычитанием из
результата значения частоты со„:
cp(t) = \j/(t)/dt - со о.
В принципе, данный метод может применяться и в реальном масштабе времени,
но с определенной степенью приближения, поскольку оператор Гильберта слабо
затухает.
При демодуляции в реальном масштабе времени используется квадратурная
обработка, при которой входной сигнал умножается на два опорных колебания со
сдвигом фазы между колебаниями в 90°:
ui(t) = u(t) cos co0t = Um cos(co0t+(p(t) cos co0t = Vz Um cos cp(t) + Vz cos(2co0t+(p(t)),
U2(t) = u(t) sin co0t = Um cos(co0t+(p(t) sin coGt = - Vz Um sin cp(t) + Vz sin(2co0t+(p(t)).
Из этих двух сигналов фильтрами низких частот выделяются низкочастотные
колебания, и формируется аналитический сигнал:
ua(t) = Vz Um cos cp(t) - Vz] Um sin cp(t).
Аргумент этого аналитического сигнала, как и в первом случае, представляет
полную фазу колебаний, обработка которой выполняется аналогично.
Квадратурная модуляция
Квадратурная модуляция позволяет модулировать несущую частоту одновременно
двумя сигналами путем модуляции амплитуды несущей одним сигналом, и фазы
несущей другим сигналом. Уравнение результирующих колебаний амплитудно-фазовой
модуляции:
s(t) = u(t) cos(w0t+(p(t)).
Сигнал s(t) обычно формируют в несколько другой последовательности, с
учетом последующей демодуляции. Раскроем косинус суммы и представим сигнал в
виде суммы двух АМ-колебаний.
s(t) = u(t) cos Wot-cos cp(t) - u(t) sin Wot-sin (p(t).
При a(t) = u(t) cos (p(t) и b(t) = -u(t) sin (p(t), сигналы a(t) и b(t) могут быть
использованы в качестве модулирующих сигналов несущих колебаний cos w0t и sin w0t, сдвинутых
по фазе на 90° относительно друг друга:
s(t) = a(t) cos w0t + b(t) sin w0t.
Полученный сигнал называют квадратурным (quadrature), а способ модуляции -
квадратурной модуляцией (КАМ).
Спектр квадратурного сигнала может быть получен непосредственно по
уравнению балансной модуляции (15.1.17) для суммы двух сигналов:
S(w) = Vz A(w+wG) + Vz A(w-Wo) - Vz\ B(w+wG) + Vzj B(w-wG).
Демодуляция квадратурного сигнала соответственно выполняется умножением на
два опорных колебания, сдвинутых относительно друг друга на 90°:
si(t) = s(t) cos w0t = Vz a(t) + Vz a(t) cos 2w0t + Vz b(t) sin 2w0t,
S2(t) = s(t) sin w0t = Vz b(t) + Vz a(t) sin 2w0t - Vz b(t) cos 2w0t.
Низкочастотные составляющие a(t) и b(t) выделяются фильтром низких частот.
Как и при балансной амплитудной модуляции, для точной демодуляции сигналов
требуется точное соблюдение частоты и начальной фазы опорного колебания.
Пример моделирования
квадратурной модуляции
в системе Mathcad.
Моделирование выполняется в дискретной форме.
N := 2999 п := 0 .. N At := 0.001 'Интервал и шаг дискретизации (в сек).
ГО := 50 fl := 2 12 := 3 'Частоты в Гц несущей, первого и второго сигналов.
sl„ := sin(2*TC*fl*n*At) 'Первый модулирующий сигнал (моногармоника с амплитудой 1)
s2n := sin(2*TC*f2*n*At) 'Второй модулирующий сигнал (моногармоника с амплитудой 1)
Р :=10 ф„ := P*s2n ' Перенос информации s2n на фазу
u„ := sl„*cos(2*TC*f0*n*At+9„) 'Амплитудно-фазовая модуляция
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.G 0.7 0.8 О.Э мс
U :=CFFT(u) Af := l/[(N+l)At] 'БПФ и шаг по частоте
а„ := sln*cos((p„) b„ := sl„*sin((pn) ' Формирование модулирующих сигналов
s„ := a„*cos(2*7i:*fO*n*At) + b„*sin(2*7i:*fO*n*At) 'Квадратурный сигнал. Сравнением с сигналом
'и„ нетрудно убедится в их идентичности,
'а, следовательно, идентичны и их спектры.
0.9 мс
Демодуляция квадратурного сигнала.
ul„ := s„*cos(2*7ffO*n*At) ' Раздельная синхронная демодуляция сигналов an и Ьп.
'Графики сигналов u2n и Ьп смешены на -2
u2n := s„*sin(2*7ffO*n*At) ' для представления в одном поле.
Ш := CFFT(ul) U2 := CFFT(u2) ' Спектры сигналов, БПФ.
М := 50/Af m := М .. N+l-M Ulm := 0 U2m := 0 'Удаление высоких частот (после 50 Гц).
u3 := ICFFT(Ul) и4 := ICFFT(U2) 'ОБПФ оставшихся низких частот спектра.
' На графиках амплитуды сигналов u3n и u4n увеличены в
' 2 раза для сопоставления с исходными сигналами а„ и Ь„.
15.3. Внутриимпульсная
частотная модуляция
Сигнал с внутриимпульсной частотной модуляцией - это радиоимпульс,
высокочастотное заполнение которого имеет переменную частоту.
ЛЧМ-сигналы
Если закон изменения мгновенной частоты заполнения имеет линейный характер,
то такие сигналы носят название ЛЧМ - сигналов (линейная частотная
модуляция) . Наиболее широкое применение они получили в радиолокации. Пример ЛЧМ -
сигнала с огибающей прямоугольной формы приведен на рис. 15.3.1.
ЛЧМ - сигналы имеют одно замечательное свойство. Если сигнал подать на час-
тотно-зависимую линию задержки, время задержки сигнала которой велико на
малых частотах (в начальной части ЛЧМ - сигнала) и уменьшается по мере
нарастания частоты в ЛЧМ - сигнале, то на выходе такой линии происходит "сжатие"
сигнала в один период высокочастотного колебания путем суммирования
амплитудных значений всех периодов сигнала. При этом происходит увеличение амплитуды
выходного сигнала и уменьшение статистических шумов, так как суммируемые
одновременно по этим же периодам шумы не коррелированны.
Рис. 15.3.1. ЛЧМ - сигнал.
Для модели радиоимпульса с прямоугольной огибающей примем его длительность
равной ти, а точку t = 0 поместим в центр радиоимпульса. Допустим также, что
частота заполнения линейно нарастает от начала импульса к его концу со
скоростью \х (с ~2), при этом:
со(т) = со0 + \it. (15.3.1)
Девиация частоты за время длительности импульса и полная фаза сигнала:
Лео = цт„. (15.3.2)
v|/(t) = ro0t + [i t2/2. (15.3.3)
Уравнение ЛЧМ - сигнала:
"О, t<-xJ2
u(t)= Umcos(cG0t + H2/2), -ти/2<1<ти/2 (15.3.4)
О, t > т„/2
Спектр
прямоугольного
ЛЧМ-сигнала
Спектр прямоугольного ЛЧМ - сигнала вычисляется через преобразование Фурье.
Девиация частоты за время длительности импульса по сравнению с несущей
частотой обычно мала (Аю « со0) и форма спектра зависит от так называемой базы
импульса :
В = Аш-т„ = цт„2. (15.3.5)
На рис. 15.3.2 приведен пример формы спектральной плотности ЛЧМ-сигнала при
малом значении базы в области несущей частоты сигнала.
На практике значение базы сигналов обычно много больше 1. Увеличение базы
сопровождается расширением полосы спектра Аш, при этом в пределах этой полосы
модуль спектральной плотности практически постоянен и равен Um- л\%12\1. Пример
спектра приведен на рис. 15.3.3.
Рис.15.3.2. Спектр ЛЧМ-сигнала.
Частота, рад.
Рис. 15.3.3. Спектр при В»1.
15.4. Импульсно-
модулированные
сигналы
В импульсной модуляции в качестве носителя модулированных сигналов
используются последовательности импульсов, как правило - прямоугольных. В
беспроводных системах передачи данных (в радиосвязи) эти последовательности
заполняются высокочастотными колебаниями, создавая тем самым двойную модуляцию.
Как правило, эти виды модуляции применяются при передаче дискретизированных
данных. Для прямоугольных импульсов наиболее широко используются амплитудно-
импульсная (АИМ) и широтно-импульсная (ШИМ) модуляция.
Амплитудно-импульсная модуляция
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) заключается в изменении приращения
амплитуды импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при
постоянной длительности импульсов и периоде их следования:
U(t) = U0 + k*s(t), т„ = const, Т = const. (15.4.1)
Спектр АИМ рассмотрим на примере модулирования однотонального сигнала s(t),
приведенного на рис. 15.4.1. Напишем уравнение модулированного сигнала в
следующей форме:
u(t) = (1+М cos Qt)-f(t), (15.4.2)
где f(t) - периодическая последовательность прямоугольных импульсов с
частотой со0, которую можно аппроксимировать рядом Фурье (без учета фазы) :
со
f(t) = ио + Z Un cos ncoot. (15.4.3)
n = i
Подставляя (15.4.3) в (15.4.2), получаем:
со
u(t) = (1+М cos Qt)UG+ Z Un cos ncoot (1+M cos fit)
n = i
CO
u(t) = Uo + U0M cos fit + E U„ cos nco0t +
n = i
CO CO
+ 0.5M £ U„ cos (nco0+fi)t + 0.5M £ U„ cos (nco0-fi)t. (15.4.2)
n=i n=i
Форма спектра, в начальной части спектрального диапазона, приведена на рис.
15.4.1. В целом, спектр бесконечен, что определяется бесконечностью спектра
прямоугольных импульсов. Около каждой гармоники пш0 спектра прямоугольных
импульсов появляются боковые составляющие na>0±fi, соответствующие спектру
моделирующей функции (при многотональном сигнале - боковые полосы спектров). При
дополнительном высокочастотном заполнении импульсов весь спектр смещается в
область высоких частот на частоту заполнения.
Рис. 15.4.1.
Широтно-импульсная модуляция
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, в английской терминологии pulse width
modulation, PWM), которую иногда называют модуляцией по длительности
импульсов (ДИМ), заключается в управлении длительностью импульсов пропорционально
функции управляющего сигнала при постоянной амплитуде импульсов и периоде
следования по фронту импульсов:
x(t) = t0 + k-s(t), U = const, Т = const. (15.4.3)
Рассмотрим выполнение ШИМ в простейшем варианте на примере гармонического
колебания, приведенного на рис. 15.4.2.
Рис. 15.4.2. Широтно-импульсная модуляция.
Передаваемая кривая дискретизируется, при этом имеет значение, как интервал
дискретизации, так и количество уровней квантования. При передаче данных
прямоугольные импульсы начинаются в моменты дискретных отсчетов данных, а
длительность импульсов устанавливается пропорциональной значению отсчетов, при
этом максимальная длительность импульсов не должна превышать интервала
дискретизации данных. Пример сформированных импульсов приведен на рис. 15.4.2
непосредственно под дискретизированной гармоникой, при этом число уровней
квантования гармоники принято равным 8.
0.5
°с
1.
1
. . 1 . .
1
,||м
1 1
Модуль спектра ~
■ ■ | ■ . . . 1 ■ .
1 1
* \ ff
—
1 • • 1
1
• \
• \
]
50
100
150 200 kTi
]
0.05 0.1
0.15 мс
Рис. 15.4.3. Спектр ШИМ - сигнала. Рис. 15.4.4. Восстановленный сигнал.
На рис. 15.4.3 приведен спектр сформированного сигнала ШИМ. В начальной
части спектра он содержит постоянную составляющую среднего уровня сигнала и
пик частоты гармоники, закодированной в ШИМ - сигнале. Если выделить из
спектра эти две составляющие, то восстанавливается исходный сигнал с погрешностью
квантования, приведенный на рис. 15.4.4. Естественно, что при малом числе
уровней квантования погрешность восстановления исходного гармонического
сигнала очень велика.
Попутно заметим, что широтно-импульсная модуляция с последующим выделением
постоянной составляющей может весьма эффективно использоваться (и
используется) для слежения за средним уровнем сигнала и автоматического регулирования
его динамического диапазона, как, например, в системах установки громкости
звука и яркости цветов и изображения в целом в современных телевизионных
установках .
Временная
импульсная
модуляция
Временная импульсная модуляция (ВИМ) представляет собой девиацию импульсов
по временной оси по закону модулирующего сигнала, и по существу аналогична
угловой модуляции гармонической несущей. Она также может быть фазовой (ФИМ)
или частотной (ЧИМ).
Кодово-импульсная модуляция
Кодово-импульсная модуляция заключается в том, что в точках дискретизации
модулирующего сигнала производится квантование его значений и кодирование
квантованных значений, как правило, в двоичной системе исчисления.
Кодированные значения затем передаются при помощи соответствующей кодовой
последовательности стандартных символов.
15.5. Модуляция символьных
и кодовых данных
В настоящее время информация передается по каналам связи в основном в циф-
ровой форме. Числа при передаче с периодом Т поступают от источника
информации и называются символами (symbol), а частота передачи символов - символьной
скоростью (symbol rate) fr=l/T.
Символьные последовательности являются дискретными квантованными сигналами,
которые формируются следующим образом. Весь диапазон сигнала s (t) делится на
qs разрешенных уровней с некоторым шагом Aq. Сигнал s(t) дискретизируется с
равномерным шагом, а мгновенные значения отсчетов сигнала округляются до
ближайшего разрешенного уровня qs(t). Полученный сигнал называется квантованным АИМ
(КАИМ) . Значения сигнала qs(t) отличаются от s(t) на так называемый шум
квантования , которым определяется погрешность восстановления исходного сигнала. С
увеличением числа уровней квантования шум квантования уменьшается. Наличие
шума является недостатком цифровых методов передачи, однако, она открывает и
новые возможности передачи. В частности, зная всю шкалу разрешенных уровней
на приеме, можно "очистить" сигнал от внешних помех, если их уровень меньше
0,5Aq. Каждому из возможных символов qs устанавливается определенный набор
параметров несущего колебания, которые поддерживаются постоянными на интервале Т
до прихода следующего символа. Это означает преобразование последовательности
чисел в ступенчатый сигнал (кусочно-постоянная интерполяция) который
используется в качестве модулирующего сигнала. Соответственно, параметры несущего
колебания, на которые переносится ступенчатый сигнал, также меняются
скачкообразно. Такой способ модуляции несущей называется манипуляцией (keying), и
может выполняться с использованием всех рассмотренных методов модулирования.
Амплитудно-
манипулированные
сигналы
Амплитудно-манипулированные сигналы простейшего типа представляют собой
последовательности радиоимпульсов, разделенные паузами. Такие сигналы
используются в радиотелеграфии и в системах передачи дискретных данных. Форма
огибающей радиоимпульсов в общем случае может быть произвольной, паузы могут
отличаться по длительности от радиоимпульсов.
На рис. 15.5.1. приведен пример амплитудно-манипулированного сигнала с
прямоугольной П-формой огибающей:
u(t) = Umcos 27lf0t,
врёмя, мкс.
40 f0 GO
частота, кгц.
100
Рис. 15.5.1. АМП-сигнал.
Рис. 15.5.2. Модуль спектра АМП-сигнала.
Соответственно, в частотной области спектр АМП - сигнала образуется
сверткой спектра огибающей функции (в данном случае - спектра прямоугольного
импульса) со спектром косинусного колебания (дельта - функции на частоте f0) .
Модуль спектральной плотности сигнала приведен на рис. 15.5.2. Спектр
прямоугольного импульса довольно слабо затухает и простирается неограниченно дале-
ко, а поэтому его использование в качестве огибающей АМП - сигнала не
рекомендуется, хотя и является наиболее простым по техническому исполнению.
5 Г
Т
1111
- - 0.5 -
Т
т
Модуль спектра
0.4
мс
20
40
60
кГц
Рис. 15.5.3.
Рис. 15.5.4.
На рис. 15.5.3. приведен пример формы классического АМП сигнала при
передаче нескольких символов, каждому из которых соответствует индивидуальная
амплитуда несущей частоты при постоянной длительности интервалов посылки.
Модуль спектра сигнала приведен на рис. 15.5.4 и тоже имеет достаточно большую
ширину значимой части спектра вокруг несущей частоты.
Естественно, что при передаче данных частотный диапазон канала передачи
данных ограничивается значимой частью спектра, ширина которого
устанавливается по допустимой степени искажения приемных сигналов. Степень искажения
сигналов существенно зависит от длительности посылок. Пример искажения
вышеприведенного сигнала при ограничении спектра интервалом 40-60 кГц приведен на
рис. 15.5.5.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 мс
Рис. 15.5.5.
Угловая манипуляция
Угловая манипуляция, как правило, использует частотные методы
модулирования, в которых каждому возможному значению передаваемого символа
сопоставляется индивидуальное значение частоты гармонической несущей. При этом в точках
сопряжения интервалов посылок могут происходить скачки напряжения, с
соответствующим усложнением спектра модулированного сигнала. Самый простой способ -
синусоидальное начало несущей на каждом интервале с кратным количеством
периодов несущей в посылке. При более сложных способах, независимых от точного
сопряжения несущих частот с интервалами посылок, осуществляется управление
скоростью изменения фазы несущих на границах посылок.
Демодуляция сигналов осуществляется корреляционными методами. Сущность ме-
тодов - вычисление взаимной корреляции между принимаемым сигналом и набором
опорных частот, используемых при модулировании, с идентификацией символов по
максимумам взаимной корреляции.
Для повышения помехоустойчивости передачи данных желательно, чтобы разно-
символьные посылки были некоррелированны. Если для бинарных символов 0 и 1
принять частоты посылок равными
So(t) = COS C0o(t), Si(t) = COS CQi(t),
то их ВКФ при нулевом временном сдвиге определится выражением:
Boi(O) = [ so(t) si(t) dt = Vz (sin (coi+co0)T)/(coi+co0) + Vz (sin (coi-co0)T)/(coi-co0).
J о
При (coi+co„)T » 1 первым слагаемым можно пренебречь, оно много меньше второго.
А второе слагаемое обращается в нуль при (coi+co„)T = як,где к = 1, 2,... - целое число.
Отсюда, минимальное значение между частотами манипуляции для
некоррелированных посылок определяется выражениями:
Acomin = тс/Т, AfU = 1/2Т = fT/2,
где fx - символьная скорость .
Фазовая манипуляция применяется значительно реже, в связи со значительными
сложностями измерения абсолютных значений начальных фаз в посылках. Проще
определяется относительный фазовый сдвиг в соседних посылках, поэтому обычно
используется фазоразностная манипуляция.
Литература
1. Баскаков СИ. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.:
Высшая школа, 1988.
2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003. -608 с.
ТЕМА 16. АНАЛИТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
«Нуль и единица - от Бога, все остальное -
дело рук человеческих».
Леопольд Кронекер. Немецкий математик, XIX в.
«И в этом остальном немалый вклад математиков.
У них есть мания упрощения вычислений путем
изобретения все новых и новых величин. Оно и
понятно. Когда вводишь новое понятие,
чувствуешь себя наравне с Богом».
Николай Пятин. Геофизик Уральской школы, XX в.
Введение
Аналитический сигнал - это один из способов комплексного представления
сигнала, который применяется при анализе сигналов и систем их обработки. Он
позволяет ввести в анализ понятия огибающей и мгновенной частоты сигнала.
16.1. Понятие
аналитического сигнала
Комплексное
представление
вещественных сигналов
При математическом анализе очень часто вместо вещественных сигналов с целью
упрощения математического аппарата преобразования данных удобно использовать
эквивалентное комплексное представление сигналов. Так, например, в теории
электрических цепей вещественная запись синусоидального напряжения
u(t) = U0 cos (cOot+ф)
заменяется комплексной формой записи:
u(t) = U0 (t) exp(j co0t), U0 = U0 exp(j <p), при этом u(t) = Re u(t).
Время, сек Частота, рад Время, сек
Рис. 16.1.1. Сигнал, спектральная плотность сигнала,
четная и нечетная составляющие.
В общем случае, произвольный динамический сигнал s(t), заданный на
определенном участке временной оси (как конечном, так и бесконечном) имеет
комплексную двустороннюю спектральную плотность S(co). При раздельном обратном
преобразовании Фурье реальной и мнимой части спектра S(co) сигнал s(t) разделяется
на четную и нечетную составляющие, которые являются двусторонними
относительно t = 0, и суммирование которых полностью восстанавливает исходный сигнал.
На рис. 16.1.1 приведен пример сигнала (А), его комплексного спектра (В) и
получения четной и нечетной части сигнала из реальной и мнимой части спектра
(С) .
Аналитический сигнал
Можно выполнить обратное преобразование Фурье и в другой форме - раздельно
для положительных и отрицательных частот спектра:
1 Г° If00
s(t)=— S(co)-exp(jcot) dco +— S(co)-exp(jcot) dco. (16.1.1)
2tc j -°° 2тс J 0
Информация в комплексном спектре сигнала является избыточной. В силу
комплексной сопряженности полную информацию о сигнале s(t) содержит как левая
(отрицательные частоты), так и правая (положительные частоты) часть спектра
S(co). Аналитическим сигналом, отображающим вещественный сигнал s (t) , называют
второй интеграл выражения (16.1.1), нормированный на т.е. обратное
преобразование Фурье спектра сигнала s(t) только по положительным частотам:
/• со
zs(t) = (1/71) S(co) exp(jcot). (16.1.2)
j о
Дуальность свойств преобразования Фурье определяет, что аналитический
сигнал zs(t), полученный из односторонней спектральной функции, всегда является
комплексным и может быть представлен в виде:
zs(t) = Re z(t) + jlm z(t). (16.1.2')
Аналогичное преобразование первого интеграла выражения (16.1.1) дает сигнал
zs*(t), комплексно сопряженный с сигналом z(t):
zs*(t) = Rez(t)-j-Im z(t),
что наглядно видно на рис. 16.1.2 при восстановлении сигналов по
односторонним частям спектра, приведенного на рис. 16.1.1-В.
1
0
Re№)) ',/ '■■V:
А i1 \__
1
0
(Ё\" щах}) "а
-' 1 / ■' \
-1 h
ы№\/ ;
—1 : -
—
20 0 20-
Время, сек
20 0 20
Время, сек
Рис. 16.1.2. Сигналы z(t) и z*(t).
По рисунку 16.1.2 можно видеть, что при сложении функций zs(t) и zs*(t) мнимые
части функций взаимно компенсируются, а вещественные части, с учетом
нормировки только на я, а не на 2я, как в (16.1.1), в сумме дают полный исходный
сигнал s(t):
00
[zs(t)+zs*(t)]/2 = Re z(t) = ^ J S(co) • exp(jcot) dco =
о
/• co
= (1/27c) S(co) cos cot dt = s(t).
Отсюда следует, что реальная часть аналитического сигнала zs(t) равна самому
сигналу s(t) .
Для выявления характера мнимой части сигнала zs(t) выполним перевод всех
членов функции (16.1.2') в спектральную область с раздельным представлением по
положительным и отрицательным частотам (индексами - и +) реальных и мнимых
частей спектра:
Zs(co) = А.(ю) + А+(ш) + jB.(co) + jB+(co) + j [А'.(ш) + А'+(ш) + jB'.(co) + jBV(co)],
где индексами А' и В' обозначены функции преобразования Im(z(t)). В этом
выражении функции в левой части спектра (по отрицательным частотам) должны
взаимно компенсировать друг друга согласно определению аналитического сигнала
(16.1.2), т.е.:
В'.(ш) = А.(ю), А'.(ш) = -В.(ю).
Отсюда, с учетом четности вещественных А'_(ш) и нечетности мнимых В'_(ш) функций
спектра, следуют также равенства:
В'+(ш) = - А+(ш), А'+(ш) = В+(ш).
Но эти четыре равенства есть не что иное, как преобразование Гильберта в
частотной области спектра функции Re z(t) <=> A(co)+jB(co) в спектр функции A'(co)+jB'(co)
<=> Im z(t) умножением на сигнатурную функцию -jsgn(co). Следовательно, мнимая часть
аналитического сигнала zs(t) является аналитически сопряженной с его
действительной частью Re z(t) = s(t) через преобразование Гильберта. Эта часть
аналитического сигнала получила название квадратурного дополнения сигнала s(t):
Im z(t) = s (Г) = TH[s(t)] = s(t) . hb(t), (16.1.3)
hb(t) = 1/(я t),
zs(t) = s(t) + j-s(r). (16.1.4)
где индексом s(^) обозначен сигнал, аналитически сопряженный с сигналом s(t),
hb(t) - оператор Гильберта.
Таким образом, квадратурное дополнение сигнала s(t) представляет собой
свертку сигнала s(t) с оператором 1/(я t) и может быть выполнено линейной
системой с постоянными параметрами:
sc)=HL#dT> (16Л-3')
Аналитический сигнал зависит от действительного аргумента, является
однозначным и дифференцируемым. На комплексной плоскости он отображается
вектором, модуль и фазовый угол которого изменяются от аргумента, а проекция
сигнала на вещественную ось для любого значения аргумента равна значению
исходного сигнала s(t). Какой-либо новой информации аналитический сигнал не несет,
так как получен линейным преобразованием из исходного сигнала и представляет
собой его новую математическую модель.
Почему именно оператор Гильберта применяется для получения квадратурного
дополнения сигнала? Какую физическую операцию он выполняет? Ответ на этот
вопрос может быть получен при рассмотрении спектра аналитического сигнала.
Спектральная плотность
аналитического сигнала
Спектральная плотность аналитического сигнала, если он сформирован
непосредственно во временной области, определяется обычным преобразованием Фурье:
/• со
Zs(co) = zs(t) exp(-jcot) dt.
j —со
Эта функция, с учетом определения аналитического сигнала по выражению
(16.1.2), должна быть отлична от нуля только в области положительных частот,
где ее значения (в силу нормировки на л, а не на 2%) должны быть равны
удвоенным значениям спектральной плотности сигнала s(t):
Г 0, со < О,
Zs(co) =\ ' (16.1.5)
V ' |2-S(g>), со>0. У '
С другой стороны, при непосредственном преобразовании Фурье левой и правой
части формулы (16.1.4) аналитического сигнала zs(t), получаем:
Zs(co) = S(co) + jS(co). (16.1.6)
Данное выражение действительно для всей частотной оси (от -оо до +оо) и должно
быть равно выражению (16.1.5) . А это означает, что левая часть спектра
(отрицательные частоты со) сигнала (16.1.6) должна быть обращена в ноль, аналогично
формированию каузальной функции из ее четной и нечетной части. Это может быть
выполнено следующим образом.
к"
3
О
-3
i"6-i
-1
(Л) ' /
~ а
/ 1
-—^ \
-Re(S(«i)) yi
1 *j
i
-0.5 0 0.5
Частота, рад.
® ' /\:
1
Im(SM) / у
— \ fl
\ *\\
\ j 1 \
- -1гш(5(и)) д i ; \
а 1т(5(и)]
1 \/ : v.
* 1
-0.5 0 0.5
Частота, рад.
Рис. 16.1.3.
Если левые части спектра сигнала S(co) умножить на -1, обнулить реальную часть
на частотесо=0 и оставить без изменения правые части спектра, то будут
получены функции, показанные пунктиром на рис. 16.1.3), которые дают нули в левой
части спектра при сложении с исходной функцией S(co) и увеличивают в 2 раза
правые части спектра. Такая операция может быть выполнена умножением спектра S(co)
на сигнатурную функцию sgn(co):
со с со
sgn(co) = <
-1, co<0,
0, со = 0,
1, co>0.
(16.1.7)
Однако при этом реальная часть новой функции sgn(co)*S(co), как это можно видеть
на рис. 16.1.3, становится нечетной, а мнимая часть четной, что не
соответствует статусу спектральных функций. Для восстановления статуса полученный
результат нужно дополнительно умножить на -j. Применяя для левой и правой части
частотных аргументов индексирование соответственно СО] и сог, можно записать
подробные выражения для спектров:
S(co) = Re S(coi) + jTm(coi) + Re S(cor) + j-Im(cor),
S(co) = j-Re S(coi) - Im(coi) - j-Re S(cor) + Im(cor).
При умножении квадратурной функции S(co) на j (для выражения в (16.1.6)) :
j- S(co)= -Re S(coi) - jTm(coi) + Re S(cor) + j-Im(cor).
Отсюда нетрудно видеть результат:
Zs(co) = S(co) + j S(co) = = 2-Re S(cor) + j-2-Im(cor) = 2-S(cor),
что полностью соответствует выражению (16.1.5). В краткой форме:
' jS(co), со<0,
S(co)=^ 0, со = 0, S(co)=-j-sgn(co)-S(co), (16.1.8)
-jS(co), со>0.
0 —
-1 -
j, со<0
Hb(co) = -jsgn(co) = \ 0, со = 0 (16.1.9)
■j. <Х>>()
Таким образом, спектральная плотность S(co) аналитически сопряженного сигнала
s(t) образуется из спектра S(co) исходного сигнала s(t) умножением на функцию -
j-sgn(co). Это обеспечивает при суммировании S(co) + j S(co) удвоение амплитуд частотных
составляющих в области положительных частот и их взаимную компенсацию в
области отрицательных частот.
Из выражения (16.1.8) в спектральной области непосредственно следует
соответствующая связь функций s(t) и s(t) во временной области:
s (Г) = s(t) . hb(t), (16.1.10)
s(t) = -s(r)-hb(t). (16.1.11)
где hb(t) = TF[-jsgn(co)] = l/(%t) - обратное преобразование Фурье функции -jsgn(co).
Пример преобразования сигнала x(t) оператором Гильберта для формирования
аналитического сигнала zx(t) = x(t) + j*x(?) приведен на рис. 16.1.4.
Частотную характеристику оператора Гильберта (16.1.9) можно записать и в
следующем виде:
НЬ(со) = |НЬ(со)| ехрОфь(со)), г д е |Hb(co)| = 1.
exp(j(-7i/2)), со>0
Hb(co) = -jsgn(co) = \ 0, со = 0, (16.1.12)
схр(|(я/2)). to<()
Преобразование Гильберта
-
-40 0 40
Рис. 16.1.4.
Если спектр функции x(t) также представить в форме
S(co) = |S(co)|-exp(jcps(co)),
то выражение (16.1.8) преобразуется к следующей форме:
S(co) = |S(Q)|-exp(jcps(co))-exp(jcph(co)) = |S(co)|-exp[j(cps(co)+cph(co))], (16.1.8')
т.е. модуль |S(co)| - амплитудный спектр сигнала s(t) как результат
преобразования Гильберта сигнала s(t), не изменяется и остается равным амплитудному
спектру сигнала s(t) . Фазовый спектр сигнала s(t) (начальные фазовые углы всех
гармонических составляющих сигнала) сдвигается на -90° при со > 0 и на 90° при со <
0 относительно фазового спектра сигнала s(t) . Но такой фазовый сдвиг означает
не что иное, как превращение косинусных гармоник в синусные, а синусных в
косинусные . Это можно наглядно видеть на единичной гармонике. Так, если x(t) =
cos(27tf0t), то имеем следующее преобразование Гильберта через частотную область:
x(t) = TH[x(t)] о TF[TH[x(t)]] = -j sgn(f)[5(f+f0)+5(f-f0)]/2.
X(f) = -j[-5(f+f„)+5(f-f„)]/2 = j-[5(f+f„)-5(f-f„)]/2.
Но последнее уравнение - спектр синусоиды. При обратном преобразовании
Фурье :
x(t) = TF _1[X(f)] = sin(27if„t).
При x(t) = sin(27if0t) аналогичная операция дает x(t) = -cos(27tf0t). Знак минус
демонстрирует отставание (запаздывание) выходного сигнала преобразования, как операции
свертки, от входного сигнала. Для гармонических сигналов любой частоты с
любой начальной фазой это запаздывание составляет четверть периода колебаний.
На рис. 16.1.5 этот сдвиг на четверть периода для единичной гармонической
составляющей (несущей частоты радиоимпульса) виден достаточно наглядно.
Рис. 16.1.5.
Таким образом, аналитический сигнал, по существу, представляет собой сумму
двух ортогональных сигналов, все гармонические составляющие которых сдвинуты
по фазе на 90° друг относительно друга.
16.2. Примеры применения
аналитических сигналов
Огибающая и мгновенная
фаза сигналов
Допустим, что имеем зарегистрированный радиоимпульсный сигнал x(t) с
несущей частотой со0, который содержит определенную информацию, заключенную в
огибающей сигнала u(t) и его фазе cp(t):
x(t) = u(t) COS (<D„t+<p(t)). (16.2.1)
Требуется выделить информационные составляющие сигнала
Запишем выражение (16.2.1) в другой форме:
x(t) = a(t)cos(co0t) + b(t)sin(co0t), (16.2.2)
где функции a(t) и b(t) называются низкочастотными квадратурными
составляющими сигнала x(t):
a(t) = u(t) cos cpt, b(t) = u(t) sin cpt.
u(t) =Va2(t) + b2(t), tg <p(t) = b(t)/a(t).
С использованием преобразования Гильберта из сигнала x(t) можно
сформировать аналитически сопряженный сигнал x(t). Математическую форму сигнала x(t)
получим из выражения (16.2.2) с учетом свойства модуляции преобразования
Гильберта :
x(t) = a(t)sin(co0t) - b(t)cos(co0t).
z(t) = x(t) + jx(t).
Квадрат модуля сигнала z(t):
|z(t)|2 = x2(t)+x2(t) = a2(t)[cos2(co0t)+sin2(co0t)] + b2(t)[cos2(co0t)+sin2(co0t)] = u2(t).
Отсюда, огибающая u(t) и мгновенная фаза ф(<:) сигнала x(t) :
u(t) = Vx2(t) + x2(t). (16.2.3)
ф(0 = co0t+cp(t) = arctg[x(t)/x(t)]. (16.2.4)
cp(t) = ф(0 - m0t.
Мгновенная частота
Мгновенная частота сигнала определяется по скорости изменения мгновенной
фазы:
тт=т^^Ш. (16.2.5)
х (t) + х (t)
Для амплитудно-модулированных сигналов с одной несущей частотой эти
результаты достаточно очевидны (см. рис. 16.1.5). Но выражения (16.2.3-16.2.5),
полученные из общих соображений, остаются действительными и для любых
произвольных сигналов.
На рис. 16.2.2. представлен сигнал, сложенный двумя гармониками:
x(t) = a(t)cos(coit) + b(t)cos(co2t).
Квадратурное дополнение и аналитический сигнал:
x(t) = a(t)sin(coit) + b(t)sin(coit).
z(t) = x(t) + jx(t).
Огибающая такого сигнала, как это можно видеть на рисунке 16.2.2, должна
вычисляться по формуле (16.2.3). При этом для данного сигнала получаем:
u(t) = J a2 (t) + b2 (t) + 2 • a(t) • b(t) • cos((/9 - /<?)t),
что может существенно отличаться от функции ^ а2 (t) + b2 (t)
0.5 -
-0.5 -
Рис. 16.2.2.
Мгновенная фаза сигнала, график которой приведен на рис. 16.2.3, зависит от
времени нелинейно:
Ш\= игр tp аФ" sinOit) + ьО • sin(co2t)
ФW чгё Щ a(t). соф^) + b(t) • cos(co2t)'
1
V
1
t 50
Рис. 16.2.4
100
Мгновенная частота сигнала (рис. 16.2.4) также имеет нелинейную зависимость
от времени, причем ее значения могут существенно превышать даже суммарное
значение частот, составляющих сигнал:
а\ = ю1а2(0 + co2b2(t) + a(t)b(t) • (coj + со2) • cos((co2 - C0j)t)
a2(t) + b2(t) + 2 • a(t)b(t) • cos((co2 - co^t)
Аналогичная методика определения огибающих, мгновенных значений фазы и
частоты применяется и для анализа случайных процессов.
Огибающие
модулированных
сигналов
В качестве примера применения огибающих рассмотрим связь форм относительно
узкополосных радиосигналов с формой модулирующих сообщений.
Амплитудная модуляция
Уравнение модулированного сигнала:
x(t) = U0[l+ms(t)]cos co0t, s(t) < 1, m < 1
Квадратурное дополнение и аналитический сигнал:
x(t) = U0[l+ms(t)]sin co0t, zx(t) = x(t) + jx(t).
Огибающая сигнала x(t):
u(t) = |zx(t)| = U„ [1+m s(t)],
т.е. точно повторяет форму модулирующего сообщения (см. рис. 16.2.5)
Модулированный сигнал Модулирующий сигнал Огибающая
Рис. 16.2.5. Амплитудная модуляция.
Балансная модуляция
Уравнение модулированного сигнала, x(t) = U0-s(t)-cos co0t, приведенного на
рис. 16.2.6:
01 23456789t
- Модулирующий сигнал Модулированный сигнал Огибающая
Рис. 16.2.6. Балансная модуляция.
Квадратурное дополнение, аналитический сигнал, огибающая сигнала x(t):
X(t) = U„ s(t) sin co„t, zx(t) = x(t) + jX(t), u(t) = |zx(t)| = U„|s(t)|.
Огибающая сигнала x(t) существенно отличается от модулирующего сообщения,
но связана с ним простым соотношением.
Анализ каузальных систем
Каузальная (физически осуществимая) линейная система задается односторонним
импульсным откликом h(t), t > 0, и имеет частотную характеристику H(f):
H(f) = X(f)-jY(f),
Осуществим обратное преобразование Фурье для всех частей выражения
раздельно :
h(t) = x(t) + y(t),
/• со
x(t) = X(f) cos(27tft) df,
j —co
/• co
y(t) = Y(f) sin(27Tft) df,
j —co
где x(t) и y(t) - четная и нечетная части функции h(t) . Нечетная функция
y(t) в каузальной системе однозначно связана с четной функцией x(t):
y(t) = sgn(t) x(t). (16.2.6)
Осуществляя обратное преобразование Фурье обеих частей равенства (16.2.6)
при известном преобразовании сигнатурной функции (sgn(t) <=> -j/(7tf)), получаем:
/• со
TF[y(t)] = (j/Tcf). X(f) = (-j/тс) [X(u)/(f-u)] du.
j —co
Отсюда:
/• со
Y(f) = (1/7C) [X(u)/(f-u)] du = TH[X(f)],
j —co
т.е. мнимая часть спектра импульсного отклика каузальной системы (и любой
каузальной функции) является преобразованием Гильберта действительной части
спектра. Соответственно, уравнение для определения действительной компоненты
спектра по мнимой части:
/• со
X(f) = -TH[Y(f)] = -(1/тс) J [Y(u)/(f-u)] dv.
Литература
1. Баскаков СИ. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.:
Высшая школа, 1988.
2. Бендат Дж. , Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М.: Мир,
1989. - 540 с.
3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003. -608 с.
ТЕМА 17. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГИЛЬБЕРТА
«То, что не может произойти, никогда не
может быть, а если произошло, то не
должно нас удивлять».
Марк Туллий Цицерон. Римский философ и
политик, I в. до н.э.
«Однако пока не создано строгой
математической теории чудес, приходится
наоборот не удивляться, когда они не
осуществляются, и удивляться, когда они
осуществляются».
Николай Пятин. Воронежский геофизик
Уральской школы, XX в.
Введение
Преобразование Гильберта1 для любого произвольного сигнала представляет
собой идеальный широкополосный фазовращатель, который осуществляет поворот
начальных фаз всех частотных составляющих сигнала на угол, равный 90° (сдвиг на
7с/2) . Применение преобразования Гильберта позволяет выполнять квадратурную
модуляцию сигналов, в каждой текущей координате модулированных сигналов
производить определение огибающей и мгновенной фазы и частоты сигналов,
выполнять анализ каузальных систем обработки сигналов.
17.1. Сущность
преобразования Гильберта
Определение преобразования
Прямое преобразование Гильберта произвольной действительной функции x(t), -
оо < t < оо, результат которого будем отображать со знаком тильды над индексом
исходной функции, задается сверткой x(t) с функцией hb(t) = l/(7tt):
x(t) = TH[x(t)] = x(t) . (l/7Ct),
x(t) = irljdr. (17.1.1)
Функция l/(t-t) называется ядром преобразования Гильберта. Обратное
преобразование Гильберта определяется выражением:
x(t) = --Lf^dr (17.1.1')
Интегралы преобразования имеет особую точку а = t-т => 0, в которой при
вычислении используется их главное значение по Коши:
t-a оо
lim [ j ... + j ...].
a-» 0 .к, t+a
Оператор Гильберта определен по аргументу от -оо до оо и имеет полюс в точке
1 Давид Гильберт (Hilbert, 1862-1943) , немецкий математик. Окончил Кенигсбергский
университет. В 1895-1930 годах профессор Геттингенского университета. Исследования Гильберта оказали
большое влияние на развитие многих разделов математики, а его деятельность в Гёттингенском
университете содействовала тому, что Геттинген являлся одним из основных мировых центров
математической мысли.
t=0 с разрывом значений от -оо до оо. Основной участок формы оператора Гильберта
и пример преобразования сигнала приведены на рис. 17.1.1. Функции x(t) и x(t)
обычно называют сопряженными по Гильберту.
■>
Оператор Гильберта
Преобразование Гильберта
гв
1
i
1
x(t) J
•А
г
и
x(t)=x(t)=+hb(t)
г?
\
-1
-
2 о :
г
Ю 0 40
Рис. 10.1.1.
Спектральная
характеристика
преобразования
Выполним преобразование Фурье функции (17.1.1) . В общей форме:
X(f) = TF[X(t)] = X(f) Hb(f), (17.1.2)
r~-i (• co
X(f) = X(t) exp(-j27ift) dt. (17.1.2')
j -co
Заметим, что произведение X(f)-Hb(f) не является преобразованием Гильберта
спектральной функции X(f). Это не более чем преобразование Фурье свертки
функций: x(t)*hb(t) <=> X(f)-Hb(f), которое позволяет вычислить результат преобразования
Гильберта во временной области через частотную область:
(• 00 r~-i /• со
X(t)= X(f)exp(j27ift)df= X(f)Hb(f)exp(j27tft)df.
j —co j —co
Функция hb(t)=l/7it является нечетной, а спектр этой функции, представленный
только мнимой частью, является обратной сигнатурной функцией (рис. 17.1.2):
Ч f>o
Hb(f) = TF[l/7it] = -j sgn(f) = \ 0, f = 0 (17.1.3)
j. f<()
Рис. 17.1.2,
Соответственно, формулы (17.1.1) задают преобразование сигнала x(t)
системой, частотная передаточная характеристика которой отображается функцией -
j-sgn(f). Фурье-образ функции x(t):
X(f) = -jsgn(f)X(f). (17.1.2")
Преобразование Гильберта
х
(t) := exp[-a-(t- 50)8]cos(2nfot)
1 -
О
-1 -
40 Ё
Время, мкс
Рис. 10.1.3.
Изменение
спектра
сигналов
Изменение спектра сигналов при выполнении преобразования Гильберта. На рис.
17.1.3 приведено преобразование радиоимпульсного сигнала x(t) с несущей
частотой f„ в сигнал x(t) во временной области непосредственно через операцию
свертки по (17.1.1). Сигнал x(t) является односторонним каузальным. Спектр сигнала
Re(X(co)) + jIm(X(co)). Эти составляющие для сигнала x(t) показаны непрерывными
кривыми на рис. 17.1.4 и 17.1.5.
При выполнении преобразования (17.1.2") реальная и мнимая части спектра Х(со)
умножаются на-j-sgn(co). Функция Re(X(co)) (рис. 17.1.4) умножается на 1 при со<0, на О
при со=0 и на -1 при со>0, и тем самым превращается в нечетную мнимую часть
Im(X(co)) спектра Х(со) функции x(t), показанную пунктиром. Это означает, что все
косинусные гармоники сигнала, которым соответствует реальная часть спектра
сигнала, превращаются в синусные гармоники.
Аналогично на функцию -jsgn(co) умножается и мнимая функция jIm(X(co)), при этом
сигнатурная функция инвертируется (-j-j = 1) , что меняет знак левой части
функции Im(X(co)) - области отрицательных частот, и превращает ее в реальную
четную часть Re(X(co)) спектра Х(со) (рис. 17.1.5) . Тем самым синусные гармоники
спектра сигнала превращаются в косинусные гармоники.
Угол, на который изменяется фаза гармоник, можно определить из следующих
соображений. Частотную характеристику Hb(f) (17.1.3) можно записать в
следующем виде:
т.е. амплитудный спектр сигнала х (t) - как результат преобразования Гильберта
сигнала x(t), не изменяется и остается равным амплитудному спектру сигнала
содержит реальную и мнимую составляющие, т.е. может быть записан в виде Х(со) =
Hb(f) = |Hb(f)| exp(j(Ph(f)), г д е |Hb(f)| = 1.
' exp(j(-7i/2)), f>0
Hb(f) =-j sgn(f) = 0, f = 0,
exp(j(7i/2)), f<0
(17.1.3')
X(f) = |X(0|exp(j(Px(f))exp(j(Ph(f)) = |Х(0|-ехрЦ(фх(0+Фь(0)],
(17.1.2"')
x(t) . Фазовый спектр сигнала x(t) (начальные фазовые углы всех гармонических
составляющих сигнала) сдвигается на -90° при f > 0 и на 90° при f < 0
относительно фазового спектра сигнала x(t) . Но такой фазовый сдвиг и означает не
что иное, как превращение косинусных гармоник в синусные, а синусных в
косинусные . Последнее нетрудно проверить на единичной гармонике.
Спектральные плотности сигналов
1 1
' L Im(X)
V ^—— 1
■100 -50 0 50 100 f
Частота, кГц.
Рис. 10.1.4. Преобразование Re(Х)=> Im(X)
ШХ) Д;\ Re(X)
/ 1 ■ 1
1 У, 1
' Lw> ч \ уV/X^^---,
1 ч 1 '
1 i 1 1
1 1
' ' \ I
1 чу
Л
\/ X(f)=-jsign(f)X(f)
| 1
■100 -50 0 50 100 f
Частота, кГц.
Рис. 10.1.5. Преобразование Iin(X)=>Re(X)
Если x(t) = cos(27tf0t), то имеем следующее преобразование Гильберта через
частотную область:
x(t) = H[x(t)] о TF[H[x(t)]] = -j sgn(f>[5(f+f„)+5(f-f„)]/2. (17.1.4)
X(f) = -j- [-5(f+f„)+5(f-f„)]/2 = j-[5(f+f„)-5(f-f„)]/2. (17.1.5)
Но последнее уравнение - спектр синусоиды. При обратном преобразовании
Фурье :
x(t) = TFl[5t(f)] = sin(27if„t). (17.1.6)
При x(t) = sin(27if0t) аналогичная операция дает x(t) = -cos(27tf0t). Знак минус
демонстрирует отставание (запаздывание) выходного сигнала преобразования, как операции
свертки, от входного сигнала. Для гармонических сигналов любой частоты с
любой начальной фазой это запаздывание составляет четверть периода колебаний.
На рис. 17.1.3 этот сдвиг на четверть периода для единичной гармонической
составляющей (несущей частоты радиоимпульса) виден достаточно наглядно. Таким
образом, преобразование Гильберта, по существу, представляет собой идеальный
фазовращатель, осуществляющий фазовый сдвиг на 90° всех частотных
составляющих сигналов одновременно.
Сдвиг фазы спектров сигналов x(t) на л/2 определяет изменение четности и
самих сигналов : четный x(t) <=> нечетный x(t), и наоборот .
Спектры
каузальных
функций
Каузальная (физически осуществимая) линейная система (равно как и
произвольная причинно обусловленная функция) задается односторонним импульсным
откликом (выражением) h(t), t > 0, и имеет частотную характеристику H(f) :
H(f) = A(f) - j B(f),
где A(f) и B(f) - действительная (четная) и мнимая (нечетная) части
частотной характеристики. Осуществим обратное преобразование Фурье для всех частей
этого выражения:
h(t) = a(t) + b(t),
/•со /• со
a(t) = A(f) cos(27tft) df, b(t) = B(f) sin(27ift) df,
j —co j —co
где a(t) и b(t) - соответственно четная и нечетная части импульсного
отклика h(t) . Условие каузальности для импульсного отклика (h(t) = 0 при t<0)
будет выполнено, если при t<0 функции a(t) и b(t) компенсируют друг друга.
Тогда общее условие каузальности, как можно наглядно видеть на рис. 17.1.6, с
учетом нечетности функции b(t), запишется в следующем виде:
b(t) = -a(t), b(t) = -h(t)/2, a(t) = h(t)/2, t < 0, (17.1.7)
b(t) = 0, a(t) = a(0) = h(0), t = 0,
b(t) = a(t) = h(t)/2, t > 0.
Из этих условий следует, что нечетная функция b(t) в каузальной системе
однозначно связана с четной функцией:
b(t) = sgn(t) a(t), (17.1.8)
h(t) = a(t) +
у ч
УХ
bffl ?\ /
1
1
-20
-10
О
Время
ю
20
-1 о
Частота, рад
Рис. 17.1.6. Параметры каузальной функции.
Осуществляя преобразование Фурье обеих частей данного равенства при
известном преобразовании сигнатурной функции (sgn(t) <=> j/7if), получаем:
Im(H(f)) = (j/лО ■ A(f),
или, с учетом знака мнимой части:
/• со
B(f) = -(l/7if) . A(f) = -(1/ti) [A(v)/(f-v)] dv.
j —co
(17.1.9)
Аналогично определяется и действительная компонента спектра по мнимой
части :
/• со
A(f) = (l/7if) . B(f) = (1/тс) [B(v)/(f-v)] dv.
j —co
(17.1.10)
Таким образом, реальная и мнимая части спектра физически осуществимых
(односторонних) систем, а равно и произвольных каузальных сигналов, связаны
парой преобразований Гильберта. Они позволяют производить определение любой,
действительной или мнимой, части частотной характеристики каузальной функции
путем свертки другой ее части с функцией l/nf.
17.2. Свойства
преобразования Гильберта
Для любых произвольных функций x(t) и y(t), имеющих Фурье - образы Х(со), Y(co)
и преобразования Гильберта x(t) = TH[x(t)] и y(t) = TH[y(t)], действительны следующие
• Линейность. TH[ax(t)+by(t)] = ax(t)+by(t) при любых постоянных значениях
коэффициентов а и Ь для любых произвольных функций x(t) и y(t).
• Сдвиг. TH[x(t-a)] = x(t-a).
• Преобразование константы, а в силу линейности преобразования, и постоянной
составляющей сигнала, равно нулю. Это прямо следует из нечетности ядра
преобразования Гильберта. Отсюда следует, что при преобразовании Гильберта
из квадратурной составляющей исключается постоянная составляющая.
• Свойство четности и нечетности определяется сдвигом всех гармоник сигнала
на 7i/2, при этом четные сигналы x(t) дают нечетные сигналы x(t), и наоборот.
Это действительно и для произвольных сигналов относительно их четных и
нечетных частей.
• Последовательное двойное преобразование Гильберта возвращает исходную
функцию с обратным знаком TH[TH[x(t)]] = TH[x(t)] = -x(t). Это определяется тем, что
при двойном преобразовании фазы всех гармоники сигнала сдвигаются на л, что
изменяет их знак гармоник. Однако в силу исключения из сигнала при первом
преобразовании постоянной составляющей, при двойном преобразовании сигнал
x(t) восстанавливается с исключенным средним значением по интервалу
задания .
• Обратное преобразование Гильберта, по существу, это второе преобразование
в последовательном двойном преобразовании Гильберта с изменением знака
результата :
Это следует из теоремы Парсеваля (энергия сигнала равна сумме энергии всех
частотных составляющих сигнала) и равенства модулей спектров сигналов x(t) и x(t)
(энергия сигнала не зависит от его фазочастотной характеристики).
• Свойство ортогональности:
Если все косинусные составляющие сигнала x(t) превращаются в ортогональные
им синусные составляющие сигнала x(t), а синусные - в ортогональные им
косинусные, то и сигналы x(t) и x(t) должны быть ортогональны. Из теоремы Парсеваля
следует :
свойства:
• Энергетическая эквивалентность:
(17.2.2)
(17.2.3)
Функция X (f)-X(f) = -X -j sgn(f)X(f) = -j sgn(f)|X(f)|2 является нечетной, а поэтому
определенный интеграл от этой функции по симметричным относительно нуля пределам
равен нулю. Ортогональность сигналов наглядно видна на рис. 17.1.1.
• Свойство свертки:
TH[x(t) . y(t)] = x(t) . y(t) = x(t) . у(t). (17.2.4)
Это вытекает из следующих соображений. Примем z(t) = x(t) * y(t), при этом:
Z(f) = X(f) Y(f), Z(f) = -j sgn(f) Z(f) = -j sgn(f) X(f) Y(f).
Z(f) = [-j sgn(f) X(f)]Y(f) = X(t)Y(f) о x (t) . y(t).
Z(f) = X(f) [-j sgn(f) Y(f)] = X(f) Y(f) о x(t) . у (t).
• Отсутствие коммутативности с преобразованием Фурье:
TF[TH[x(t)]] * TH[TF[x(t)]]. (17.2.5)
• Свойство модуляции: Модулирующие сигналы u(t), как правило, имеют
ограниченный спектр, максимальные частоты которого Q много меньше значения
несущей частоты со0, при этом:
TH[u(t) cos(coot)] = u(t) sin(coot). (17.2.6)
Для четных функций u(t) это свойство очевидно. При переходе в частотную
область :
TH[u(t)cos(co0)] о -jsgn(co)[U(co) * (8(со+со0)+5(со-со0))].
Множитель -jsgn(co) является знаковой константой по со и может быть внесен под
интеграл свертки и умножен на (8(со+сОо)+8(со-со0)), что, как уже рассматривалось
ранее (см. 17.1.4 - 17.1.6), при обратном преобразовании Фурье дает u(t)-sin(co0t).
Аналогично можно показать, что
TH[u(t) sin(coot)] =-u(t) cos(coot). (17.2.7)
17.3. Вычисление
преобразования Гильберта
Преобразование Гильберта
аналоговых сигналов
Преобразование Гильберта аналоговых сигналов целесообразно выполнять не по
формулам линейной свертки с оператором l/7it, который стремится к оо при t => 0, а
через спектр аналитической функции:
z(t) = x(t) + j■ x(t) о X(f) + j• X(f) = Z(f). ^ (17.3.1)
Заменяя в этом выражении функцию X(f) =-j sgn(f)-X(f), получаем:
Z(f) = [l+sgn(f)] X(f), (17.3.2)
где функция l+sgn(f) равна 0 при f < О, 1 при f = 0 и 2 при f > 0, при этом:
2X(f), f>0,
Z(f)=jx(0), f = 0,, (17.3.2')
0, f<0.
т.е. спектр функции z(t) является односторонним и устанавливается
непосредственно по спектру функции x(t) rrpHf>0 (см. также (17.1.13)). Обратное
преобразование Фурье функции Z(f) должно давать комплексную функцию z(t), при этом
из (17.3.2') следует:
/• со
x(t) = Re[2 X(f) exp(j27ift) df|, (17.3.3)
J 0
/• co
x(t) = Im [2 X(f) exp(j27ift) df]. (17.3.3')
J 0
В дискретной форме, при общем числе N отсчетов функции x(t) с шагом At, с ша-
гом по частоте Af=l/(NAt):
N-1
X(nAf) = At X x(kAt) exp(-j27ikn/N), n = 0,l,...,N/2. (17.3.4)
k = o
N/2
x (kAt) = Af Re[X0+2 S X(nAf) exp(j27ikn/N)]. (17.3.5')
n = l
N/2
X(kAt) = 2Af Im[ S X(nAf) exp(j27ikn/N)]. (17.3.5)
n = l
На рис. 17.3.1 приведен пример преобразования Гильберта, выполненный через
частотную область. Естественно, что при реальном использовании преобразования
Гильберта выполнять вычисления по (17.3.5') не требуется.
Рис. 17.3.1.
Оператор дискретного
преобразования Гильберта
Оператор дискретного преобразования Гильберта hb(kAt) <= l/%t на интервале от -Т
до Т с шагом At можно получить обратным преобразованием Фурье частотной
характеристики Hb(f) (выражение 17.1.3) в интервале от -f\j до f\j (fN=l/2At). При At=l:
fN 0 1/2
hb(kAt) = J Hb(f) exp(j27ifkAt) df = j j exp(j27tfkAt) df - j j exp(j27tfkAt) df =
-fN -1/2 0
= [l/(27ikAt)] [l-exp(-J7ikAt)-exp(J7ikAt)+l] = [l/(7ikAt)] [l-(exp(-J7tkAt)+exp(J7tkAt)/2] =
= [l/(7ikAt)](l-cos(7ikAt)) = [2/(7ikAt)] sin2(7ikAt/2). (17.3.6)
hb(kAt) = 2/(7ticAt), k = ±1, ±3, ±5,..., (17.3.6')
hb(kAt) = 0, k = ±0, ±2, ±4,....
Нетрудно убедиться, что коэффициент усиления постоянной составляющей
оператора равен нулю, а коэффициент усиления дисперсии помех равен 1.
В частотной области при выполнении преобразования Гильберта спектральных
функций оператор свертки hb(kAf)<=l/7i;f не отличается от приведенного для
временной области.
Литература
1. Баскаков СИ. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.:
Высшая школа, 1988.
2. Бендат Дж. , Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М.: Мир,
1989. - 540 с.
3. Рапопорт М. Б. Вычислительная техника в полевой геофизике: Учебник для
вузов. - М.: Недра, 1993. - 350 с.
Краткое послесловие
Давид Гильберт (1862-1943)
Его называют последним всесторонним математиком и учителем математиков 20
века.
Родился в столице Пруссии Кенигсберге незадолго до объединения немецких
государств в Германскую империю. Окончил Кёнигсбергский университет лидером
среди сверстников в науке. В 1985 году переехал в Геттинген, место
паломничества немецкой математической молодежи. В 1895-1930 годах - профессор Гёттин-
генского университета.
В математике Гильберт был "классиком", поочередно осваивал области
математики и заканчивал освоение, написав хороший учебник и прочитав
соответствующий курс для студентов. Гильберт был заботлив с учениками, в которых замечал
"искру Божью". Но если она угасала, то вежливо советовал им сменить род
деятельности. Бездельников полноценными людьми не считал. Гильберт был открытым
человеком, семьей Гильберта были его ученики из всех стран Европы и Америки.
Гильберт регулярно устраивал совместные чаепития и турпоходы, во время
которых математические дискуссии прерывались студенческим трепом обо всем на
свете . Для чопорной немецкой профессуры такой стиль общения со студентами был
непривычен; но авторитет Гильберта сделал его нормой в Геттингене, а ученики
и стажеры разнесли эту норму по всему свету.
Гильберт начал свои исследования с алгебры и 5 лет наводил в ней порядок.
После первых алгебраических увлечений интерес Гильберта сместился в две
области геометрии: классическую геометрию Евклида и геометрию бесконечномерных
пространств, называемую функциональным анализом. За 23 столетия в геометрии
Евклида было выявлено достаточно много пробелов. В 1899 году Гильберт
предложил новую, логически более совершенную систему из 20 аксиом. Среди векторных
пространств Гильберт выделил то, в котором определены расстояние между
точками, угол между векторами и предел последовательности точек. Этот аналог
евклидова пространства теперь называют гильбертовым пространством.
Успех внушил Гильберту надежду, что в каждой области математики можно
ввести полную и строгую систему из необходимых и достаточных определений и
аксиом, а вывод всех прочих утверждений можно формализовать. Гильберт сознавал,
что эта гипотеза требует тщательной проверки. В качестве контрольного примера
он выбрал знаменитую континуум - гипотезу Кантора из теории множеств.
Гильберт попробовал доказать недоказуемость континуум-гипотезы, и это ему
удалось. Но когда он попытался доказать ее неопровержимость, то потерпел
неудачу. Следовательно, континуум-гипотеза является одной из аксиом теории
множеств . Как потом подтвердилось, утверждения вроде континуум-гипотезы найдутся
в любой системе аксиом, даже в системе Евклида - "пятый постулат" о
параллельных прямых. Надежда Гильберта на полную формализацию математики не
сбылась . Но Гильберт не огорчался. Природа оказывается богаче, и развитие науки
никогда не прекратится!
В новых и бурно развивающихся ветвях математики - теории множеств,
математической логики, теории чисел, алгебраической геометрии, функционального
анализа, Гильберт выделил одну-две наиболее трудные проблемы, такие как
континуум-гипотеза и непротиворечивость арифметики, распределение простых чисел и
трансцендентность числа е..., классификация непрерывных групп и разрешимость
диофантовых уравнений. К концу 20 века все эти задачи либо решены, либо
доказана их неразрешимость. Гильберт верно угадал самые перспективные точки
развития математической науки.
Как-то молодые ученики спросили Гильберта: решение какой задачи было бы
сейчас полезнее всего для математики? Стареющий профессор ответил вполне
серьезно: "Поймать муху на обратной стороне Луны! Сама эта задача никому не
нужна. Но если она будет решена, то, какие могучие методы придется изобрести
для этого, и какое множество других важных открытий мы при этом сделаем!"
В последние 10 лет жизни Гильберт бессильно наблюдал распад Геттингенской
математической школы под властью нацистов. Их невежественное владычество
сдвигало центр мировой научной мысли из Германии на Запад, в США. Но в
истории науки Давид Гильберт останется самым прозорливым и влиятельным
математиком 20 века.
Разное
А ТЫ ЗАПИСАЛСЯ
и!
р.
В ПАРТИЮ ПИРАТОВ
ВОЛНА ПИРАТСКОГО ЗАЛИВА
В этой статье речь пойдет о возникшем движении за свободу обмена
информацией в интернете и ограничении антикопирайтных законов.
Прежде чем обсуждать достоинства и недостатки пиратских движений, давайте
выделим то действительно рациональное зерно, которое побуждает многих людей
поддерживать их. Во-первых, отметим, что само понятие «пират», которое все
чаще упоминается в прессе, ко всем областям интеллектуальной деятельности
применять, по меньшей мере, некорректно. Изначально представители музыкальной
киноиндустрии называли так тех, кто нелегально распространял фильмы и музы-
1 Материалы журнала «КомпьютерПресс»
кальные записи, а теперь, когда интеллектуальной собственностью считается и
авторское право, и патенты, и секреты производства, и торговые марки, к
пиратам часто причисляют даже тех, кто просто использует чужие идеи или знания,
что пока никакими законами не запрещено, — появился даже специальный термин —
«интеллектуальное пиратство». Если так и дальше пойдет, то вскоре встанет
вопрос о запрете на преемственность в развитии науки и культуры!
Конечно, чиновникам и законодателям проще разработать единый закон, но в
результате применения обобщенного термина «интеллектуальная собственность»
смешиваются разные, порой даже несовместимые друг с другом понятия,
вследствие чего их смысл искажается вплоть до полной потери разумного содержания.
Становится все более очевидным, что использование общих подходов ко всем
интеллектуальным видам деятельности оказывается выгодно только тем, кто
заинтересован в этой неразберихе ради личной выгоды, а никак не для прогресса
человечества в целом.
Между тем изначально законы принимались отдельно по каждому виду
интеллектуальной деятельности, по-разному развивались и имели свою специфику. Причем
законы специально разрабатывались так, чтобы выгоду от их применения
получало, прежде всего, общество в целом, а не конкретные авторы или изобретатели.
Например, патентное законодательство было задумано только для того, чтобы
изобретатели не скрывали своих открытий и изобретений в надежде получить
личную выгоду от их использования. Общество, по сути, заключало с авторами идей
взаимовыгодный договор, по условиям которого изобретателю давалось
исключительное право запрещать другим лицам в течение фиксированного периода времени
осуществлять, использовать и продавать запатентованное изобретение, а взамен
изобретатель публично раскрывал его подробности. Таким образом, изобретение
или открытие не пропадало для общества и служило на благо прогресса даже в
том случае, если автор по тем или иным причинам не мог его реализовать.
Практика показала, что патентное законодательство себя оправдало, но это совсем
не означает, что подобный подход был лучшим, и уж тем более не значит, что он
применим и для других областей интеллектуальной деятельности.
Авторское право изначально разрабатывалось, прежде всего, для содействия
развитию литературы и искусства в целом, а не для обогащения отдельных
авторов, галерей или издательств. Например, первые попытки введения авторства на
художественные произведения были предприняты еще в отношении древнегреческого
поэта Гомера. Дело в том, что до Гомера существовало исключительно устное
эпическое творчество, которое принципиально не поддерживало никаких авторских
прав. Однако поэмы такой длины и столь сложной структуры, как «Илиада» и
«Одиссея», не могли сохраниться в устной эпической традиции, в которой
важнейшую роль играла импровизация. Соответственно те поэты, которые пытались
воспроизводить «Илиаду» или «Одиссею» по памяти на слух, неизбежно разрушали
стройную композицию поэмы, пытаясь, каждый на свой лад, сделать ее лучше.
Поэтому было решено зафиксировать тексты письменно с указанием оригинального
авторства Гомера (ведь по «Илиаде» и «Одиссее» в свое время учились читать,
как по учебнику). Причем за неимением бумаги произведения высекали на камне,
глиняных табличках или процарапывали на коже. Установить зависимость от
носителя произведения никому и в голову тогда не приходило, так как плоды
человеческого гения должны были идти на пользу всему обществу, а не отдельной его
части. Теперь же вместо фиксации самого художественного произведения
авторское право сосредоточилось на его носителях, принципах копирования и защите
получения прибылей издателями.
Законы о торговых марках и знаках обслуживания разрабатывались вовсе не для
того, чтобы способствовать деловой активности или брендингу компаний, а
должны были регулировать маркировку товаров и услуг, которая повышала
ответственность продавца за них и подтверждала их качество. Сегодня же, под влиянием
общих тенденций унификации и расширения понятия «интеллектуальная
собственность», законодатели включили и эту область в общую схему, поддерживая и
стимулируя рекламу, а не интересы покупателей и общества в целом.
Таким образом, в результате общего подхода к понятию «интеллектуальная
собственность» в одну кучу сваливаются несовместимые области и виды
деятельности, которые до сих пор регулировались разными правилами и законами, причем о
том, что эти законы разрабатывались исключительно в интересах общества, а не
отдельных индивидов, все уже давно позабыли.
Сегодня, услышав об интеллектуальной собственности применительно к чему бы
то ни было, все больше склоняются к принятию общих мер и руководствуются
общими принципами, даже невзирая на то, что регламентирующие их законы
разрабатывались независимо и различаются и в целях, и в методах, и в деталях.
Забавно, что патентное законодательство, которое когда-то считалось
наиболее спорным с точки зрения интересов общества, является сегодня самым
либеральным в смысле закрепления интеллектуальной собственности за автором и
предполагает меньший срок защиты его прав, нежели авторский копирайт. Ведь не
раз утверждалось, например, что патенты тормозят научно-технический прогресс,
позволяя монополизировать какие-то достижения и методы, при этом сотни тысяч
патентов положены на полку и не используются. Но посмотрите, сколько бумаг
необходимо оформить для регистрации изобретения, как трудно доказать его
новизну и оригинальность (которые являются необходимыми условиями его
регистрации) и, наконец, сколько надо заплатить, чтобы запатентовать его в той или
иной стране! При этом совершенно бессмысленный и малоценный для общества поп-
шлягер достаточно один раз записать, а какой-нибудь анекдот — напечатать
(«зафиксировать в осязаемой среде выражения»). К тому же в большинстве стран
регистрация копирайта, в отличие от патентования, относительно проста и
недорога .
Общественная защита такой продукции приводит к тому, что именно ширпотреб
становится все более выгодным для издателей, в результате чего наблюдается
засилье низкопробной музыки, литературы и прочего интеллектуального «мусора».
Таким образом, унификация понятия «интеллектуальная собственность» приводит
к законодательной неразберихе и упрощенной трактовке несопоставимых законов,
а сама сущность интеллектуальной деятельности творца и ее общественная
полезность игнорируется в угоду относительно небольшого бизнес-сообщества.
Что касается «организованных» пиратов, то Россия находится далеко не на
первом месте — родоначальником пиратского движения стала Швеция2. Именно там
год назад появилась первая так называемая пиратская партия
(http://www2.piratpartiet.se/the pirate party). Чуть позже аналогичная партия
2 Пиратская партия там возникла в 2006 г. К середине 2009 партия имела более 49 ООО членов,
что делает её третьей по числу членов партией в Швеции. В результате выборов в Европарламент
(2009) в Европейский парламент 4—7 июня 2009 года Пиратская партия получила в Швеции 7,1 %
голосов, что достаточно для одного места в Парламенте.
была зарегистрирована в США3 (http://www.pirate-party.us/), а затем к этому
движению присоединилась Германия, где также растет недовольство
неоправданными перегибами в борьбе за интеллектуальную собственность. А вот в России4
пиратская партия (http://pirateparty.ru/) основана совсем недавно, и пока ее
появление особого резонанса в обществе не вызвало — все-таки, что бы там ни
говорили американские эксперты, пиратство не является для России проблемой
первостепенной важности.
Пиратские партии отрицают законодательные ограничения на интеллектуальную
собственность и использование копирайтных материалов в том виде, в каком они
существуют сейчас, и настаивают на реформе законодательства об авторском
праве. Несмотря на общую идею, объединяющую пиратские партии, есть у них и
некоторые разногласия в подходе к проблемам авторского права. Наиболее
радикальной в плане последовательного отрицания ограничений сегодня является шведская
партия. Ее члены ратуют за отмену всех нематериальных прав собственности (в
первую очередь, авторского и патентного права), а также выступают за
неучастие в международных организациях по защите авторских прав. Причем шведская
пиратская партия от призывов уже перешла к конкретным действиям. Например,
она открывает специальные сервисы для обмена файлами, которые позволяют
скрывать настоящие IP-адреса пользователя. Таким образом, правоохранительные
органы и владельцы авторских прав не могут отследить пользователя и предъявить
ему какие-либо обвинения.
При всем этом шведская пиратская партия существует абсолютно легально
(перед последними шведскими выборами высказывались даже предположения, что она
сможет набрать достаточное число голосов среди молодежи страны, для того
чтобы войти в парламент), а недавно она основала свою молодежную организацию
«Молодые пираты», которая насчитывает уже более тысячи членов, и на этом
основании, по шведским законам, имеет право получать финансирование от
шведского правительства.
Сейчас шведские пираты ищут способ радикально обойти закон о защите
авторских прав. Например, шведская файлообменная сеть The Pirate Bay («Пиратский
залив»), пользователи которой бесплатно обмениваются гигабайтами музыки и
фильмов, начала сбор средств для приобретения морской платформы Sealand,
которую собственник провозгласил суверенным государством — княжеством Силенд
(Principality of Sealand). Пираты собираются купить5 остров-платформу, а
вместе с ним и статус независимой территории, на которой не будут действовать
принятые во всем остальном мире законы, в том числе и закон об авторских
правах. Именно там шведы планируют поставить сервер The Pirate Bay, а также
будут предоставлять гражданство Силенда всем, кто преследуется в других странах
за нарушение авторских прав.
Американская партия к законодательному регулированию более лояльна и не
поддерживает свободное распространение копирайтных материалов.
Единомышленники из Германии тоже не призывают к полной отмене авторского права. Тем не
менее , и они считают, что область действия авторских прав необходимо сузить,
исключив из нее софтверные, генетические и сельскохозяйственные патенты. В
сфере интересов немецких партийных пиратов находится в первую очередь
возможность бесплатного копирования информации посредством цифровых технологий. Ог-
3 В Канаде создана своя пиратская партия в 2009 г.
4 Во многих бывших республиках СССР сейчас созданы свои пиратские партии.
5 Это было в 2007 г., сейчас им наверное не до этого.
раничение свободы распространения информации тормозит развитие цифровой
индустрии Интернета, а значит, и технологическое развитие цивилизации в целом.
Получается, что законодательство пытается наложить запрет на право граждан
свободно обмениваться информацией.
Княжество Силенд (Principality of Sealand) — самопровозглашенное
микрогосударство в Северном море в шести милях от побережья
Великобритании .
К реформированию авторского права и патентного законодательства стремится и
российская пиратская партия (РПП), ставшая частью международного движения,
начало которому положила Швеция. В частности, оргкомитет этой партии резко
критикует принятый Государственной думой РФ «Закон о персональных данных»,
утверждая, что он идет вразрез с принципами неприкосновенности частной жизни.
Партия призывает правозащитников, политические силы и граждан России начать
общественную кампанию протеста с целью «законодательного недопущения подобных
решений».
ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ
КОПИРАЙТ И КОПИЛЕФТ6
Действие копирайта основано на простом принципе: «Если ты не можешь
защитить то, что тебе принадлежит - значит, это тебе не принадлежит». Индустрия
копирайта играет колоссальную роль в экономике США. По оценкам Министерства
торговли США, отрасли экономики США, которые защищают права на свои изделия с
помощью копирайта, обеспечивают 5% валового внутреннего продукта Соединенных
Штатов. Они являются одной из самых успешных экспортных статей США и приносят
больше выручки за счет продаж за пределами США, чем сельское хозяйство, авто-
6 Диктатура ©. Краткая история копирайта в США (http://www.washprofile.org/)
мобиле- и авиастроение. Темпы создания новых рабочих мест в индустрии
копирайта в три раза превышают темпы роста по остальной экономике США. Джек Ва-
ленти, глава Ассоциации кинопроизводителей Америки, один из известнейших
защитников существующих правил обращения с авторскими правами, считает, что
нарушения копирайта ежегодно наносят кинопроизводителям США ущерб,
составляющий, по самым скромным оценкам, 3 млрд долл. По данным консалтинговой фирмы
Viant, ежедневно через интернет нелегально скачивается 350 тыс. кинофильмов.
Копирайт (copyright - «право на воспроизведение») - это форма защиты
интеллектуальной собственности. Право на копирайт не приобретается по схеме,
которая используется для получения патента. Процесс оформления патента - сложный
и трудоемкий. В отличие от него, согласно американскому «Закону о копирайте»,
копирайт возникает немедленно после окончания работы над авторским
произведением, вне зависимости от того, где и когда эта работа была опубликована и
была ли опубликована вообще, а также были ли зарегистрированы права автора на
его творение. Однако Управление по делам копирайта США предлагает услуги по
регистрации копирайтов, что в случае судебного разбирательства позволяет
обосновать законность права владения интеллектуальной собственностью.
Впрочем, никаких разрешений не требуется, чтобы автор начал использовать знак
копирайта - ©. Копирайт защищает литературные, музыкальные, хореографические,
графические, архитектурные произведения, фотографии, игры и т.д.
Произведение, защищенное копирайтом, а также любая его часть не может быть
использовано без разрешения собственника.
Копирайтом, однако, не могут быть защищены идея, процедура, процесс,
принцип и т.д. - поскольку, например, запрет на использование той или иной идеи
исключит ее из пользования человечеством и сделает невозможным создание новых
и оригинальных работ на ее основе. Консалтинговая организация IPWatchdog
иллюстрирует этот принцип следующим примером: роман о второй мировой войне
может быть защищен копирайтом, но сама идея написания новых романов на эту тему
копирайтом защищена быть не может. Закон декларирует, что произведения,
защищенные копирайтом, могут быть использованы для критики, комментариев,
сообщений средств массовой информации, обучения и преподавания, а также научных
исследований. Однако, при этом, произведение должно использоваться «честно», с
использованием ряда правил, наиболее известным из которых является корректная
ссылка на источник и прямое цитирование не более двух абзацев оригинального
текста.
Однако ныне право на копирайт приводит к малоприятным парадоксам. Группа
The Verve записала один из своих хитов, использовав музыку монстров рока
Rolling Stones. The Verve и не скрывала этого, однако, вынуждена была
перечислять 100% гонораров, полученных за исполнение хита, в копилку Rolling
Stones. Малоизвестные композиторы годами отстаивают в судах свои права на
такие международные шлягеры как Lambada и Makarena. Но есть и совсем
убийственные примеры - компания звукозаписи решила взыскать с бойскаутов авторские
отчисления за исполнение бойскаутами песен, права на которые принадлежат данной
компании. Владельцы прав на известный роман Маргарет Митчелл «Унесенные
ветром» заблокировали публикацию романа «И забрал их ветер», описывающего
историю Скарлетт О'Хара с точки зрения чернокожих рабов, только потому, что в
произведении использовались сюжетные линии и персонажи, созданные Митчелл.
Графоманы и малоизвестные литераторы подают в суд на авторов популярных
романов , обвиняя их в похищении сюжетов из своих произведений. Аналогичные споры
периодически проходят между софтверными компаниями: в конце 1990-х годов
компания Microsoft согласилась выплатить компании Apple солидную компенсацию за
то, что частично использовала идеи Apple при создании программы Windows.
Фактически ни один автор не может быть уверен в том, что его произведение
не может быть признано плагиатом, поскольку нечто подобное было создано
несколько десятилетий назад. Причина этого заключается в длительных сроках
действия копирайта. Ранее законодательство США декларировало, что право на
копирайт может сохраняться на протяжении 14-ти лет, однако может быть продлено и,
вероятно, может пролонгироваться до бесконечности. Профессор Юридического
факультета Стэнфордского университета Лоренс Лессиг, автор книги «Будущее
идей», подсчитал, что за последние 40 лет Конгресс США продлевал сроки
действия копирайта 11 раз. В 1998 году, когда это произошло в последний раз (был
принят закон Copyright Term Extension Act), была принята следующая формула:
авторские права на то или иное произведение сохраняются до конца жизни его
автора плюс 70 лет. Это означает, что огромные массивы информации вновь
остаются недоступными для общества. Решение Конгресса было оспорено в суде, но в
2003 году Верховный суд США подтвердил его правомочность.
Вер Лессиг стал идейным вдохновителем группы американских интеллектуалов,
создавших неформальное движение с условным названием Copy Left. Это название
имеет тройной смысл. Если слово «копирайт», можно буквально перевести, также,
как «Правая копия», то Copy Left - это «Левая копия». Кроме того, название
имеет значение «Забыть копию». Изначально это выражение использовали
программисты, показывающие, что часть написанного ими программного кода может быть
использована всеми желающими. С точки зрения сторонников Лессига, авторы,
защищающие права на свое произведение, могут вполне компенсировать свои
трудозатраты за 14 лет. Однако главными защитниками максимального продления сроков
действия копирайта являются наследники авторов, а также компании, которые
различными способами вступают во владение наследием творца.
Лессиг и его последователи считают, что их стремление максимально долго
сохранять контроль за правом использования произведения с материальной точки
зрения вполне объяснимо, но от этого страдает все человечество. По мнению
Copy Left, безумно ограничивать доступ к произведению через несколько
десятилетий после его создания. Известно множество случаев того, что нарушение
копирайта приводило к творческим удачам. Жесткое соблюдение закона об авторских
правах сделало бы невозможным, например, существование национального гимна
США, музыка которого была написана малоизвестным британским композитором.
Хрестоматиен пример с мышонком Микки-Маусом: его создатель художник Уолт
Дисней создал первый мультфильм о Микки «Пароходик Вилли», использовав7 в
качестве основы сюжета фильм великого комика Бастера Китона «Пароход Билл». По
иронии судьбы, решение Конгресса 1998 года продлило срок действия прав
компании Walt Disney на Микки-Мауса.
Джеймс Глассман, научный сотрудник Института американского
предпринимательства, считает, что проблема защиты интеллектуальной собственности стала одной
из причин того, что технологическая революция превращается из дороги к
свободе - в дорогу к рабству. Число произведений, патентов и торговых марок,
которые будут нуждаться в защите, увеличивается каждый день. Ныне похитители
чужой интеллектуальной собственности не связаны государственными границами и
могут действовать в разных странах и континентах. Следовательно, неизбежно
будут увеличиваться затраты владельцев авторских прав на отслеживание подоб-
О чем сам Уолт Дисней осень не любил вспоминать, а ведь именно он в свое время надавил на
Конгресс, чтобы сохранить доходы с мультфильма, создав тем самым прецедент.
ных нарушений. В конечном итоге, собственники копирайта могут стать рабами
своей собственности - значительная часть их усилий будет уходить на создание
нового, а на защиту старого.
Сторонники уничтожения диктатуры копирайта считают, что подобное применение
закона об авторских правах делает США и мир менее свободными, и уничтожают
дух творчества. Мириам Нисбет, член совета Американской библиотечной
ассоциации считает, что тенденции в этой сфере таковы, что уже в ближайшем будущем
может стать невозможным использовать чужие тексты и даже цитаты для создания
новых произведений - например, для написания школьных сочинений и рефератов.
Если владельцы авторских прав смогут эффективно контролировать то, как
общество распоряжается их собственностью, то, теоретически, они смогут взимать
плату, например, за перепечатку нескольких написанных ими абзацев в чужой
книге. Именно поэтому Джонатан Циттран, известный юрист, основатель
исследовательского центра Berkman Center for Internet and Society, считает, что
действия американских законодателей «неконституционны и фанатичны».
Роберт Бойнтон, опубликовавший статью с красноречивым названием «Тирания
копирайта» в журнале The New York Times Magazine, пришел к выводу, что
единственным подлинно свободным пространством, где законы по защите копирайта не
действуют в полной мере, является интернет. Однако эра тотальной свободы во
всемирной сети подходит к концу. Кинопроизводители и компании звукозаписи
последние два года используют программы, позволяющие обнаруживать в сети
пользователей, нелегально скачивающих кино или музыку. Также разработано
программное обеспечение, которое позволяет находить в сети куски текста,
скопированные из того или иного источника. Подобные программы (например
WCopyfinder или iThenticate) используют юридические фирмы, которые защищают
интересы писателей и журналистов, а также сами средства массовой информации
(по сообщению агентства Associated Press, газета USA Today применяла его,
чтобы доказать, что один из ее журналистов занимался плагиатом). Уже
существуют сайты, где любой создатель текста, вывешенного в интернете, может
зарегистрировать его и в будущем отслеживать - не похитили ли другие интернетчики
принадлежащие ему слова и предложения.
История копирайта в США
В 2003 году Управление по делам копирайта США получило более 600 тыс.
Заявок на регистрацию авторских прав. В 500 случаях в регистрации было отказано,
поскольку податели заявок были признаны плагиаторами. По состоянию на 2001
год в базе данных Управления было около 30 млн. произведений, защищенных
копирайтом .
• 1790 год. Впервые принят закон, вводящий правило копирайта. Закон
защищает авторов книг, карт и чертежей. Автор произведения обладает правами
на свое творение на протяжении 14-ти лет, и после истечения этого срока
имеет право продлить его еще на 14 лет. Регистрация производится в
местных судах. В том же году литератор Джон Бэрри из Филадельфии защитил
копирайтом свою книгу «Книга Филадельфийского произношения»
• 1802 год. Копирайтом разрешено защищать любые издания, вышедшие из
типографии .
• 1831 год. Право на копирайт получают композиторы. Нотные записи их про-
изведений запрещено перепечатывать и продавать без разрешения. Срок
действия копирайта продлен до 28 лет с правом пролонгации еще на 14 лет.
1841 год. Первый громкий судебный процесс о копирайте. Суд признал
виновным в нарушении авторских прав архивиста, который опубликовал письма
первого президента США Джорджа Вашингтона в своем журнале. Сторонники
Сору Left считают этот процесс знаковым: фактически, суд запретил
вводить в научный оборот важную информацию.
1853 год. Известная писательница Гарриэтт Бичер Стоу обратилась в суд с
иском против издателя, который самовольно перевел ее книгу «Хижина дяди
Тома» на немецкий язык и начал продавать ее в США среди немецких
иммигрантов . Суд оправдал издателя, постановив, что перевод - это не просто
копирование.
1856 год. Копирайтом разрешено защищать драматические произведения.
1865 год. Копирайт распространяется на фотографии.
1870 год. Все работы по регистрации авторских прав принимает на себя
библиотека Конгресса США. Право копирайта распространено на художников и
скульпторов. Отдельно отмечено, что копирайт не запрещает переводить
литературное произведение на иностранный язык или создавать сценические
инсценировки на его основе.
1886 год. Подписано первое полномасштабное международное соглашение о
защите авторских прав - Бернская конвенция об охране литературных и
художественных произведений. Целью конвенции было обеспечить взаимное
признание авторских прав различными государствами и установление
международных норм для их защиты. Европейские страны договорились создать
единую процедуру регистрации авторских прав, а не регистрировать копирайт в
каждом отдельном государстве. Бернская конвенция неоднократно
пересматривалась и дополнялась. К примеру, в 1908 году было принято решение
установить срок действия копирайта в срок жизни автора плюс 50 лет. США
присоединились к Бернской конвенции только век спустя - в 1988 году.
1891 год. США заключили первое соглашение о международной защите
авторских прав. Принятие этого закона инициировали американские писатели. Так
как США не присоединились к Бернской конвенции, тогдашние «пираты»
начали активно издавать в США книги европейских писателей по очень низкой
цене. Продукция американских писателей по этой же причине стала
продаваться плохо.
1897 год. Музыкальные произведения запрещено исполнять без разрешения
автора.
1909 год. Принято правило, согласно которому авторские права
приобретаются после первой публикации (обнародования) произведения. Срок действия
копирайта увеличен - разрешено продлевать на 28 лет.
1912 год. Копирайтом разрешено защищать кинофильмы. Ранее они считались
о тра елью фот огра фии.
1952 год. В Женеве подписана Всемирная конвенция об авторском праве.
1953 год. Копирайтом разрешено защищать абсолютно все литературные
произведения .
1971 год. В Париже пересмотрена Всемирная конвенция об авторском праве.
1978 год. Срок действия копирайта вновь продлен. Теперь он действует до
смерти автора и остается в силе еще 50 лет.
1980 год. Копирайтом разрешено защищать компьютерные программы.
1982 год. В законодательство США вносятся дополнения, которые позволяют
приговорить нарушителей закона о копирайте к крупным штрафам и тюремному
заключению.
1983 год. Знаковый судебный процесс. Британская Энциклопедия подала в
суд на органы школьного образования США, обвинив их том, что они
изготавливают для школ учебные телепередачи, в которых активно используют
информацию энциклопедии. Эти передачи транслируются по многим школам,
кроме того, доступ к записям имеют все желающие школьники и их родители.
Суд встал на сторону Британской Энциклопедии, посчитав, что педагоги
нарушили закон об авторских правах.
1987 год. Известный писатель Джером Сэлинджер подал в суд на писателя
Йена Хэмилтона, который подготовил его литературную биографию. Сэлинджер
обвинил Хэмилтона в незаконном использовании своих писем, полученных Хэ-
милтоном от адресатов Сэлинджера. Суд запретил публикацию биографии.
1990 год. Копирайтом разрешено защищать архитектурные проекты,
компьютерную графику, художественные инсталляции и перформансы.
1991 год. Объектом судебного спора стали телефонные книги. Одна
компания-издатель подала в суд на другую, обвинив ее в том, что она
напечатала аналогичную информацию. Суд постановил, что адреса и телефоны жителей
того или иного города не могут защищаться копирайтом, потому что
являются «коллекцией фактов», которую каждый вправе собирать и публиковать.
1992 год. Запрещено переписывать и воспроизводить музыкальные записи без
разрешения владельцев прав на них. Частная звукозапись разрешена
исключительно для домашнего пользования.
Любопытный судебный процесс. Американское геофизическое общество подало
в суд на известную нефтяную компанию Texaco. Эксперты Texaco, как
выяснилось , использовали в своих отчетах и аналитических записках, научную
информацию, принадлежавшую обществу. Суд обязал Texaco выплатить
компенсацию обществу.
1993 год. Первый процесс о нарушении прав копирайта в интернете. Журнал
Playboy засудил владельца интернет-сайта, который вывесил на нем
отсканированные фотографии девушек из журнала.
• 1994 год. Запрещена нелегальная запись выступлений музыкантов и
перезапись видеоклипов. В том же году известный музыкант Рой Орбисон подал в
суд на группу 2 Live Crew, которая спародировала один из его хитов. Суд
встал на сторону 2 Live Crew.
• 1995 год. Прецедентный судебный процесс о нарушении авторских прав в
интернете. Один из пользователей сервера вывесил на нем материалы,
защищенные копирайтом. Владелец авторских прав подал в суд на владельца
сервера . Суд оправдал интернетчика.
• 1996 год. В Женеве представители 160-ти стран мира подписали документы о
создании Всемирной организации по защите интеллектуальной собственности
(ВОИС).
• 1998 год. Срок действия копирайта продлен. Он действует до смерти автора
и плюс 70 лет после этого.
• 1998 год. Новый закон ограничил возможности использования компьютеров
для копирования и воспроизводства произведений, защищаемых копирайтом.
Копирайтом разрешено защищать форму корпуса судна.
• 2001 год. Журналист, внештатный сотрудник газеты New York Times, выиграл
процесс против этого издания. Причиной иска стало то, что New York Times
выложила ряд его материалов в базу данных, предлагаемую для
коммерческого использования.
При подготовке этого материала были использованы данные из книги Эдварда Сэмюэль-
са (Edward Samuels) «Иллюстрированная история копирайта» (The Illustrated Story of
Copyright) и Сивы Вайдхьянатана (Siva Vaidhyanathan) «Рост интеллектуальной
собственности и как она угрожает творчеству» (Copyrights and Copywrongs: The Rise of
Intellectual Property and How It Threatens Creativity).
Разное
Редакция журнала обращается ко всем
читателям с просьбой помочь в формировании
номеров . Если Вам где-либо в интернете
встретиться статья, про которую вы подумаете,
что она могла бы подойти для журнала
«Домашняя лаборатория» - не поленитесь,
сбросьте ссылку на адрес domlab@ inbox.com.
Если у Вас есть идеи о том, каким должен
быть этот журнал - мы может дать Вам
возможность попробовать себя в качестве его
редактора. «Дорогу осилит идущий».