/
Текст
ЕЖЕМЕСЯЧНЫЙ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ
ЕЖЕМЕСЯЧНЫЙ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ
ЖУРНАЛ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
Издается с января 1912 года
Главный редактцр ака icmiik А.Ф.АНДРЕЕВ
Первый заместитель главного реактора
доктор физико-математических наук А.В.БЯЛКО
Заместители главного редактора:
доктор физико-математических наук А.А.КОМАР (физика),
доктор б и оптических паук А.К.СКВОРЦОВ (биология),
доктор ге^лого-мииералвгичее^нх нах к А.АчЯРОШЕВСКИЙ (hixkii о Земле)
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Доктор геолого-м”пералогичес,вих наук С.В.АПЛОНОВ (геофизика),
О.О.АСТАХОВА (редактор отдела биологии и медицины), доктор rc^yiQro-
минералогичсекпх наук А.Т.БАЗИЛЕВСКИЙ (планетология), доктор
герлгмр-минералогических n'ayfK И.А.БАСОВ (Геология), кандидат
химических наук Л.П.БЕЛЯКОВА (редактор отдел» экологии и химии),
кандидат технических наук В.П.БОРИСОВ (история науки), член-
корреспондент РАН В.Б.БРАГИНСКИЙ (фи-зика). доктор фн.зико-
чатематпчсских наук А.Н.ВАСИЛЬЕВ (физика). двмИЙор географических паук
А.А.ВЕЛИЧКО (география), академик М.Е.ВИНОГРАДОВ (бноакагиаявгия),
академик РАМН А.И.ВОРОБЬЕВ (медицина),, доктор биоло! ическлх паук
Н.Н.ВОРОНЦОВ (охрана природы), члсн-корресирндснт РАН
С.С.ГЕРШТЕЙН (физика), диктор биологических паук А.М.ГИЛЯРОВ
(экология), академик Г.С.ГОЛИЦЫН (физика атмосферы), кандидат физико-
математических наук Ю.К.ДЖИКАЕВ (ответственный секретарь), академик
Г.В.ДОБРОВОЛЬСКИЙ (почвоведение), академик А.М.ДЫХНЕ (физика),
академик Г.А.ЗАВАРЗИН (микробирло! ия), академик Ю.А.ЗОЛОТОВ
(химия), М.Ю.ЗУБРЕВА (редактор втдела географии п дас.еанрлогии),
академик РАМН ВЛ1.ИВАНОВ (генетика). академик В.Т.ИВАНОВ
(бвооргапическая химия), академик В.А.КАБАНОВ (химия), доктор физико-
математических наук М.В.КОВАЛЬЧУК (физика), Г.В.КОРОТКЕВИЧ
(редактор отдела научной информации), академик Н.П.ЛАВЕРОВ (геолсцгия),
члеп-корреспрпдент РАН В.В.МАЛАХОВ (зоология) доктор биологических
наук К.Н.НЕСИС (биология), член-корреспондент РАН Л.В.РОЗЕНШТРАУХ
(физиология) П.Е.РУБИННН (история науки), ч^си-корреспондепт РАН
А.П.САХАРОВ (история), академик В.П.СКУЛАЧЕВ (биохимия)^ кандидат
физико-математических наук К.Л.СОРОКИНА (рад'актор атде^га физики и
математику, член-корреспондент РАН Н.П.ТАРАСОВА (физическая химия),
Н.В.УЛЬЯНОВА (редакрер отдела геологии, геофизики и геохимии),
П.В.УСПЕНСКАЯ (редактор отдела истории естествознания и
публицистики), академик Л.Д.ФАДДЕЕВ (математика), чден-корреспондент
РАН М.А.ФЕДОНКИН (палеонтология) доктор бнолйгических наук
С.Э.ШПОЛЬ (биофизика), О.И.ШУТОВА (редактор отделе охраны природы),
члеп-коррадюндсн!' РАН А.М.ЧЕРЕПАЩУК (астрономия, астрофизика).
НА ПЕРВОЙ СТРАНИЦЕ ОБЛОЖКИ.
Восточные Трансгималаи
См. в номере: Паклина Н.В., Орден
К.ван. Кианги и другие обитатели
Тибета.
Фото Н.В.Паклинои
НА ЧЕТВЕРТОЙ.СТРАНИЦЕ ОБЛОЖКИ.
Сердоликовый агат.
См. в номере: Моров В.П. Роль мем-
бран при образовании агатов.
Фото А.Насонова
Академиздатцентр «Наука* РАН
© Российская академия наук, журнал «Природа», 2000
№1 (1013) ЯНВАРЬ 2000
В НОМЕРЕ:
3 Найденов В.И., Кожевникова И.А.
Эффект Харста в геофизике
50 лет назад британский чиматолва Г.Харст об-
наружил неожиданную особенность в колебаниях
стока р.Нил: в годовых расходах воды этой реки
как оказалось, прослеживается корреляция ао .чип
ченнями давно ли нувшн х лет Какие же физические
процессы ответственны за этот эффект?
1 2 Ковальзон В.М.
Необычайные приключения в мире
сна и сновидений
Как и на каком этапе эволюции возникла эта уди-
вительная фЛза сна со сновидениями? Может
быть, она появилась у теплокровных .животных
как трансформация примитивного бодрствования
х оло д покров н ых?
Лекторий
2 1 Костицын Ю.А.
Накопление редких элементов
в гранитах
Высокие концентрации Та. м>, Li. Sit. 1Г( и других
ценных метал.we нередко связаны с гранитами.
Почему же одни граниты образуют месторожде-
ние. а другие, почти такие же. пусты?
3 1 Бонч-Бруевич А.М., Вартанян Т.А.,
Пржибельский С.Г , Хромов В.В.
Фотоатомная эмиссия: неожиданное
действие света на поверхность метал-
ла
Фотоэлектронная эмиссия имеет достаточно
близкую родственницу, которая долгое время ос-
тавалась никем не замеченной, — эмиссию фото-
ато.мную. Казавшееся невероятным, но обнаружен-
ное экспериментально, это явление, возможно. вы
звврт к .жизни новый вид спектроскопии.
Вести из экспедиций
40 Паклина Н.В., Орден К ван
Кианги и другие обитатели Тибета
В Тибете издавна на страже природы стояла рели-
гия. благодаря чему уцелели редкие виды живот-
ные Некоторые, из них обитают только на свя-
щенных буддийских территориях
50 Наточин Ю В. (Фот >этюды) ‘
Фильштейн М.Я. (Стихи)
Сон в Рождественскую ночь, или
Нерукотворные елочные игрушки
52 Моров В.П.
Роль мембран при образовании агатов
Неповтори мые, узоры и разнообразная цветовая
га чма природных агатов с древнейших времен при-
влекают к ним внимание человека. Тем не менее до
сих нор нет достоверной теории, объясняющей все
нюансы происхождения этил камней.
Заметки и наблюдения
62 Сурдин В Г.
Крестины восьмиметровых телескопов
Новости науки
65________________________________________
Nb Снег поставляет формальдегид в атмо-
сферу (65) — ‘'Вояджеры' — самые удален-
ные от Земли искусственные объекты (65)
— Взгляд на Вселенную в ультрафиолете.
Жарков Д. (66 ) — Озондсфера над Ан-
тарктикой и 19?8 году (66). — Летучие мы-
ши и тропические лианы (67) — Филип-
пинский паук-плевака. Михайлов К.Г.
(67) — Тетрапдоиды средн млекопнтаю-
щих(б8) — Генетическое изменение памя-
ти у няшен (68). — Способность шимпанзе
узнавать своих родственников (69) —
Просмотр боевиков повышает агрессив-
ность не только у людей. Семенов Д.В.
(69) — Новый способ профилактики ин-
фекционных заболеваний (70) — Опыт
крокодиловых ферм в Восточной Африке
<70). — Огни небоскребов дезориентируют
птиц-мигрантов (71). — Выставка “Гремя-
щие прерииГ* (71) — Растения очистят на-
циональный парк (71) — Япония планиру-
ет создание хранилища радионуклидов
(7'2). — Кракатау вновь напоминает о себе
(72). — Позднекайнозойские оледенения
Южной Америки. Лаухин С.А. (73). — Эль-
Ниньо за минувшие пять тысяч лет (73) —
Египетская ''Долина мумий” (”’4).
KopoTKi (20, 74)
75 ЛАУРЕАТЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ
1999 ГОДА
Высоцкий М.И.
По физике —Г.'т Хофт и М.Велтман
Еремин В.В.
По химии — А.Зевейл
Ткачук В.А., Белянова Л.П.
По физиологии и медицине —
Г.Блобель
Рецензии
88 Баронов В.Ю., Лазарев С.Д.
Творцы ядерного века
Новые книги
91 ____________________________________
Встречи с забытым
93 Шноль С.Э
Принц А.П.Ольденбургский в истории
российской медицины
№1 (1013) JANUARY 200
CONTENTS
3 Naidenov V.l. and Kozhevnikova LA
Hurst Effect in Geophysics
50 years ago, the British climatologist H. Hurst detected
an unexpefted feature in the variations of the X He hirer
discbarge: the annual waler yields of this river were,
found to correlate with the values of long-gone years.
Which physicgal processes are responsible for this effect?
1 2 Kovalzon V.M.
Extraordinary Adventures in the World
of Sleep and Dreams
When and at u t'ic.h evolutionary stage did this amazing
phase of sleep involving dreams emerge? Perhaps, it
originated in warm-blooded animals as a transforma-
tion of the primitive и aking state of the cold-blooded.?
Lectures
2 1 Kostitsyn Yu.A.
Accumulation of Rare Elements in
Granites
High concentrations of Ta. Nb. Li, Sn IT, and other vain
able metals are quite frequently associated wiih eran
ites. Then, why do granites form deposits, while, other,
almost identical, rocks are. barren?
31 Bo nch-Bruevich A.M., Vc . Kenyan T.A.,
Przhibel'sky S.G , and Khromov V.V.
Photoatomic Emission: An Unexpected
Effect of Light on Metal Surface
Pbotoelectron emission has a fairly clos&relatiue—pho-
toatomic emission, a phenomenon that had long been
unnoticed, had seemed incredible but has now been
discovered by experiment This phenomenon may give
rise tQ a new kind of spectroscopy.
News from exspeditions
40 Paklina N.V. and Ord an K. van
Kiangs and Other Inhabitants of Tibet
In Tibet, nature has long been guarded by religion, as a
result of which many animal species have survived.
Some of them inhabit only the sacred Buddist territo-
ries.
50 Artistic Photos by Yu.V. Natochin
Poems by M.Ya. Filstein
A Christmas Night's Dream, or Christmas
Tree Decorations not Made with Human
Hands
52 MorovV.P.____________________________
The Role of Membranes in the Agate
Formation
Since ancient times, natural agates have attracted the
attention of humans on account of their unique pat-
terns and color diversity. Nevertheless, there is still no
reliable theory explaining all the nuances in the forma-
tion of these stones.
Notes and observations
62 Surdin V.G.
Baptism of VLT 8-m Unit Telescopes
Science news
65 _________________________________________
Nb Snow Supplies Formaldehyde into the At-
mosphere (65). — Voyagers — Artificial Ob
jects that Are the Farthest from the Earth
(65) - A took at the I niverse in Ultraviolet.
Zharkov I). (66). — Qzonosphere over Ant
arctica in 1498 (66) — Ba’“ and Tropical Li-
anas (67). — Spitting Spiders from the Philip-
pines. Mikhailov K.G. (67). — Tetrapioids am
ong the Mammals (68). — Genetic Variation
of Memory in Mice (68). — The Ability of
Chimpanzees to Recognize Their Relatives
(69) — Watching Action Movies Raises the
Aggressiveness of not Onlv Humans. Seme-
nov D.V. (69) — A New Method of Contagious
Disease Prevention (70). — Experience of Cro-
codile Farms in East Africa (70). — Skyscra-
pers1 Lights Disorient Migratory Birds (71). —
“Roaring Prairies1’ Exhibit (71). — Plants Clea-
ning a National Park (71). — Japan’s plans to
Create a Radionuclide Repository (72). — Kra-
katau Reminding of Itself Once Agam (72). —
Late Cenozoic Glaciations in South America
Laukhin S.A. (73). — El Nino during the Past
5000 vears (73). — Egyptian “Mummy Valiev"
(74).
ii brief (20, 74)
75 1999 NOBEL PRIZE WINNERS
Vysotsky M.I.
For Physics: G.'t Hooft and M. Veltman
EremiA V V.
For Chemistry: A. Zewail
Tkachuk V.A. and Belyinnva L.P.
For Physiology and Medicine: G. Blobel
Book reviews
88 onov V.Yu. and Lazarev 5.D.
Creators of the Nuclear Age
New Baoks
91___________________________________
Encounters with the forgotten
93 Shnol S.E
Prince A.P. Oldenburgsky in the History
of Russian Medicine
ГЕОФИЗИКА
Эффект
Харста
в геофизике
Вода — первоначало всего.
Фалес
В.И.Найденов,
И. А. Кожевникова
Британский климатолог
Г.Харст более 60 лет
провел в Египте, где
участвовал в гидротехничес-
ких проектах на Ниле. В
1951 г. он опубликовал рабо-
ту, в которой описал неожи-
данный эффект в поведении
среднегодовых колебаний
стока этой и ряда других рек1.
Чтобы понять его суть, давай-
те сначала предположим, что
расход воды в реке во все го-
ды одинаков. Тогда суммар-
ный расход за много лет был
бы пропорционален полному
времени: Q-1. Однако на осно-
ве этого предположения еще
никому не удалось предска-
зать сток реки в наступающем
году по значениям расхода
воды в предыдущие годы.
Если же считать, что рас-
ходы воды в каждом году —
последовательность случай-
ных величин, не связанных
друг с другом, то суммарный
расход воды Q окажется про-
порционален t°\ Именно так
и полагал Харст, приступая к
статистической обработке
временного ряда расходов
(паводков) на Ниле с 622 по
1469 гг. Однако подсчеты,
выполненные ученым, опро-
вергли и эту гипотетическую
зависимость. Оказалось, что
суммарный сток Нила соот-
Вячеслав Иосифович Найденов, доктор
физико-математических наук, заведу-
ющий лабораторией поверхностных
вод Института водных проблем РАИ.
Область научных интересов — тепло-
физика, механика жидкостей и газов,
тепломассообмен в водных средах. В на-
стоящее время занимается нелинейны-
ми задачами в гидрологии. Неоднократ-
но публиковался в (Природе».
Ирина Аркадьевна Кожевникова, канди-
дат физико-математических наук,
старший научный, сотрудник механи-
ко-математического факультета Мос-
ковского государственного университе-
та им.М.ВЛомоносова. Занимается ста-
тистическим и Спектральным анали
зом временных рядов, статистикой"
случайных процессов, моделированием
стохастических процессов. Автор мо-
нографии (Стохастическое моделиро
вание процессов» (М 1990).
'Hurst Н . // Trans. Amer. Soc. of Civil Eng.
1951. VI16. P.770-808.
© В.И.Найденов, И.А.Кожевникова
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
3
ГЕОФИЗИКА
Нил и его притоки.
ветствует соотношению Q-t07.
Это соотношение и получило
название закона Харста, а
показатель степени Н — по-
казателя Харста. Немного за-
бегая вперед, отметим, что
этот показатель непосредст-
венно определяет важные ха-
рактеристики и других слу-
чайных процессов: диспер-
сию, низкочастотную асимп-
тотику спектра и т.д. Суще-
ствует целый ряд способов
нахождения величины Н,
причем анализируемая фи-
зическая величина совсем
не обязательно должна быть
аддитивной, как в данном
примере.
Мы вычислили показатели
Харста для некоторых гидро-
логических и климатических
временных рядов (за период
инструментальных наблюде-
ний более 100 лет). Для стока
Волги этот показатель состав-
ляет 0.752, Днепра — 0.621,
Немана — 0.647, Дуная —
0.837; для годовых поступле-
ний воды в Каспийское море
— 0.767, оз.Балхаш — 0.711,
Большое Соленое — 0.682, Чад
— 0.690, Чаны — 0.813; для
ширины годовых колец сосны
и дуба соответственно —
0.764 и 0.676; для среднегодо-
вых температур воздуха Се-
верного полушария — 0.825,
температур Москвы и Санкт-
Петербурга соответственно —
0.749 и 0.653.
Интересно отметить бли-
зость величин Н для стока
Волги и приращений уровня
Каспийского моря (0.752 и
0.767), что объясняется
очень высокой корреляцией
(0.86) между соответствую-
щими временными рядами.
Косвенно это указывает на
правильность оценок.
Анализ других временных
рядов, связанных с клима-
том, например урожайности
пшеницы, привел к следую-
щим значениям показателя
Харста: во Франции — 0.5,
Германии — 0.82, Великобри-
тании — 0.67, Канаде — 0.76,
США - 0.72.
Вот уже 50 лет гидрологи
всего мира не могут отве-
тить на вопрос: каков физи-
ческий механизм эффекта
Харста? Не случайно в докла-
де одного из ведущих ученых
в области геофизики В. Кле-
меша на Международном
конгрессе по стохастичес-
кой гидрологии (Москва, но-
ябрь 1998 г.) прозвучал во-
прос: “Феномен Харста — за-
гадка?”2. Попробуем разо-
браться в этом явлении, ко-
торое, судя по всему, имеет
глобальный характер в гео-
физике, обратившись к неко-
торым примерам, начиная с
половодий Нила.
Половодья Нила
Диодор Сицилийский, пу-
тешествуя по Египту, дивил-
ся паводку на Ниле (шири-
ной до 100 км) как явлению
просто “невероятному”:
“Около времени летнего
солнцестояния, когда во
всех реках уровень понижа-
ется (следует понимать во
всех реках средиземномор-
ского бассейна. — В.Н., И.К .),
в Ниле вода начинает прибы-
вать”'. Это явление объясня-
ется тем, что река берет на-
чало очень далеко от Среди-
земного моря и Египта.
В верхней половине тече-
ния Нил (здесь на протяже-
нии 900 км он носит назва-
ние Бахр-Эль-Джебель) пере-
секает зоны влажных, типич-
ных и опустыненных саванн,
где принимает крупные при-
токи; слева — Эль-Газаль,
справа — Асва, Собат, Голу-
бой Нил и Атбара. Далее Нил
течет по тропической и суб-
тропической полупустыне,
не имея ни одного постоян-
ного притока на протяжении
3000 км, и, естественно, бед-
неет из-за сильного испаре-
ния. В пустынной, сахарской
зоне реки вся жизнь людей
была тесно связана с павод-
ками “отца вод". Египет был
полностью “порабощен” ре-
кой, бывшей в то же время
благословенным даром при-
роды, без которого само су-
ществование страны стало
бы невозможным. Режим
Нижнего Нила зависит ис-
2 К1 е m е § V. Geophysical time series and
climatic change 11 Stochastic models of hydro-
logical processes and their applications to
problems of environmental preservation.
Moscow, November 23-27.1998. P.127-130.
’См.: M о p e т т Ф . Экваториальная Вос-
точная и Южная Африка. М., 1951.
ПРИРОДА * № 1 • 2000
ГЕОФИЗИКА
ключительно от расхода двух
главных рукавов его верхне-
го течения: Белого и Голубо-
го Нила.
Белый Нил наполняет
нижнее течение реки отно-
сительно небольшим коли-
чеством воды, но непрерыв-
но, в течение всего года. Го-
лубой Нил (точнее совокуп-
ность всех эфиопских водо-
токов), наоборот, представ-
ляет собой мощный, но се-
зонный фактор и главную
причину половодий. В север-
ной части Эфиопского мас-
сива бывает только один
значительный период дож-
дей (их приносят муссоны с
Индийского океана) — с ию-
ня по сентябрь, с максиму-
мом в июле—августе. Из-за
конденсации паров на про-
хладных вершинах массива
эти осадки исключительно
обильны. Мощные потоки
влаги стекают в Нижний Нил
не только по руслам Голубо-
го Нила и его прямых прито-
ков, но по всей системе рек
Собата и Атбары.
В январе, когда обычно
заканчивается прохождение
вод Голубого Нила, среднее
и нижнее течение реки за-
висят исключительно от
расхода Белого Нила. Объем
воды, переносимой павод-
ками, превышает три чет-
верти всего стока за год (90
из 120 млрд м')- В разгар по-
ловодья расход Нила в Ниж-
нем Египте достигает 13
тыс. м'/с. Ежегодно в долине
реки на всей затопляемой
территории откладывается
плодородный красный ал-
лювий — 1.5 кг на 1 м2 (он и
придает красноватый цвет
водам Нила). Его толщина
достигает 10—15 м. Во вре-
мя паводка через этот слой
просачивается вода, благо-
даря чему образовался го-
ризонт грунтовых вод, слу-
жащий постоянным источ-
ником питания реки, расход
которой даже в месяцы наи-
более низкого уровня вод
составляет 900 м’/с.
Типичный гидрограф р.Нил за 20-летний период (1956—1976).
Отчетливо видно быстрое повышение расхода воды с
последующим, более медленным спадом. До построения
Асуанской плотины отношение максимального расхода воды к
минимальному достигало 15, что значительно превосходит
этот показатель для других рек Африки, например Конго.
После пуска Асуанской ГЭС (1967) гидрологический режим реки
резко изменился. На врезке: средний уровень вод Нила в Нижнем
Египте в год нормального половодья. Понижение уровня реки в
годы нормального и сильного половодья начинается в середине
октября, поскольку максимум дождевых осадков в Эфиопии
приходится на середину августа. К концу ноября половодье
заканчивается и начинается постепенное снижение уровня
воды, река пополняется только небольшим количеством вод
Белого Нила.
Длительность времени
добегания воды до русла Ни-
ла, задержка ее в почвах,
грунтах, подземных водо-
носных горизонтах — вот
причины медленного спада
половодий, который про-
должается восемь месяцев, в
то время как подъем — всего
четыре.
Мы предположили, что
именно продолжительный
спад воды и является причи-
ной эффекта Харста. Для то-
го чтобы это доказать, нам
понадобятся некоторые све-
дения из теории случайных
процессов.
Фрактальное
броуновское
движение
Взвешенные в воде мель-
чайшие частицы участвуют в
беспорядочном и очень
оживленном движении. Его
исследовал Р.Броун в 1827 г.,
и в честь ученого оно полу-
чило название броуновско-
го. Однако его удовлетвори-
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
3
ГЕОФИЗИКА
тельное объяснение отсутст-
вовало вплоть до 1905 г., ког-
да А. Эйнштейн опубликовал
свое математическое описа-
ние этого процесса, которое
можно считать началом сто-
хастического моделирова-
ния природных явлений.
Первая математически стро-
гая теория броуновского
движения построена Н.Вине-
ром в 1918 г. С того момента
у него появился синоним:
“винеровский процесс”.
С точки зрения математи-
ки броуновское движение —
непрерывный гауссовский
случайный процесс Х=(Х,),г0,
-¥о=О, с нулевым средним и
дисперсией DX, =1. Автокор-
реляционная функция его
приращений — 8-функция
Дирака, что означает полное
отсутствие корреляций в по-
следовательных значениях
приращений величины X, и
постоянство спектра на всех
частотах (f{ai)=const, <0 — ча-
стота). Спектр такого вида
часто называется “белым шу-
мом” и успешно применяет-
ся для моделирования мно-
гих климатических и гидро-
логических процессов. Од-
нако попытка его использо-
вания для объяснения эф-
фекта Харста потерпела не-
удачу: суммарный расход во-
ды в этом случае приводит к
уже упомянутой зависимос-
ти Q~t°\ Не спасает положе-
ния и применение случай-
ных процессов с конечным,
не нулевым, как в винеров-
ском процессе, временем
корреляции: В.Феллером до-
казано, что и в этом случае
получается та же зависи-
МОСТЬ'1.
А.Н. Колмогоров в 1940 г.
впервые рассмотрел случай-
ные процессы с дисперсией
DXrt"1, t>Q, 0<Н<1 и назвал
их спиралями Винера5. Так
появилось обобщение вине-
ровского процесса, которое
'Feller W. //Ann. Math. Statist. 1951.
V.22. P.427—432.
’Колмогоров А.Н. / /ДАН. 1940.
Т.26. №2. С. 115-118.
впоследствии развивалось
Б.Мандельбротом6.
Непрерывный гауссов-
ский случайный процесс
Х=(Х,),г„ называется фрак-
тальным броуновским дви-
жением с показателем Хар-
ста Н, если дисперсия этого
процесса следует соотноше-
нию DX,=t1H, t — время,
0</7<1.
Автокорреляционная
функция приращений фрак-
тального броуновского дви-
жения затухает по степенно-
му закону (характерное вре-
мя корреляции этого про-
цесса бесконечно), а его
спектр при низких частотах
следует соотношению
/ н (со) - ш1-2". Другими слова-
ми, этот процесс имеет бес-
конечную память.
При 0.5<Н<1фрактальный
шум называется “черным шу-
мом”. Его спектральная
плотность имеет неограни-
ченный пик на нулевой час-
тоте.
Случайные процессы со
спектральной плотностью
|co|“, где а принимает значе-
ния от 0.8 до 1.4, также назы-
вают фликкер-шумом (от
англ, flicker — мерцание,
трепетание, дрожание, ко-
роткая вспышка). Такой шум
характерен для транзисто-
ров, речи и других источни-
ков звука, потока автомоби-
лей на шоссе, землетрясений
и гроз; нормальный период
сердцебиения человека име-
ет флуктуации,спектральная
плотность которых изменя-
ется по этому же закону.
Подчеркнем, что флик-
кер-шум можно считать
“черным шумом” только при
0<а<1; при 1<а<1.4 фликкер-
шум — нестационарный про-
цесс.
Если использовать для
моделирования расходов
Нила процесс фрактального
броуновского движения, то
соответствующий показа-
"Mandelbrot В.В., Ness J.W.
van// SIAM Review. 1968. V.10. №4. P.422-
437.
тель Харста равен 0.7. Таким
образом, эффект Харста по-
лучает математическую ин-
терпретацию: колебания
стока Нила — случайный
процесс с бесконечной па-
мятью. Однако эта аппрокси-
мация — формальна, так как
нет ответа на главный во-
прос: какие законы физики
ответственны за эффект
Харста?
Дождевые паводки
Чтобы объяснить эффект,
воспользуемся результатами
стохастического моделиро-
вания колебания речного
стока в паводочный период,
выполненного на кафедре
гидрологии суши географи-
ческого факультета МГУ7. На
основе материала многолет-
них наблюдений за стоком
более 50 рек различных ре-
гионов мира получены ста-
тистические закономернос-
ти колебаний паводочного
стока и разработана стохас-
тическая (вероятностная)
модель этого процесса.
Она основана на следую-
щей аппроксимации расхода
воды во времени (гидрогра-
фа):
7=1
где 5 — число паводочных
пиков, th...,ts — даты прохож-
дения максимальных расхо-
дов воды, Qi,...,Q^ — значения
этих максимальных расхо-
дов, самостоятельно форми-
руемых каждым паводком и
накладывающихся на спад
предыдущих, a cp(f-Z;) —
функция формы паводка, оп-
ределяющая его динамику
(Ф(0)=1).
Модель апробирована для
рек Ченчон у г.Анджу (Север-
ная Корея), Ломницы (Укра-
инские Карпаты), Читы, для
Христофоров А.В., Кругло-
ва Г.В., Самборский Т В. Сто-
хастическая модель колебаний речного
стока в паводочный период. М., 1998.
6
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ГЕОФИЗИКА
Типичные гидрографы
рек с паводочным
режимом, а — Ченчон
(гАнджу, КНДР, 1957 г.);
б — Чита (с.Бургень,
Читинская обл.,
1957'г.); в — Ломница
(с.Перевозец,
Украинские Карпаты,
1981 г.); г — Гумиста
(посАчадара,
Черноморское
побережье Кавказа,
1980 г.); д — Себау
(пос.Баглия, Алжир,
1971-1972 гг.).
Отчетливо видна
экспоненциальная
форма спада паводка
горных рек (в,г,д),
вследствие чего эффект
Харста в паводочном
режиме отсутствует.
S
о
3
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
300 •
многих рек бассейна Амура
и др.
Для нас очень важно, что
результаты упомянутых ис-
следований доказывают: рас-
пределения вероятностей
паводочных пиков и дат их
прохождения достаточно
хорошо соответствуют рас-
пределению Пуассона, с од-
ним и тем же параметром,
который не зависит от вре-
мени. В последние годы этот
подход широко используется
для описания последователь-
ностей прохождения раз-
личных синоптических си-
туаций, определяющих усло-
вия формирования стока и
выпадения осадков. Таким
образом, правомерна поста-
новка задачи об определе-
нии спектра такого случай-
ного процесса, как сток Q(t).
О подробностях нахожде-
ния корреляционной функ-
ции и спектра импульсного
случайного процесса (этот
процесс случайный, так как
максимальные расходы, про-
200
о
100
о
I
III
V
VII
IX
XI
250 -
200
150
100
50
0
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
7
ГЕОФИЗИКА
Корреляционная функция среднегодовых величин стока
Нила (цветная линия) и корреляционные функции
фрактального броуновского движения,
соответствующие разным значениям показателя
Харста.
исходящие в случайные мо-
менты времени пуассонов-
ского потока событий, сами
являются случайными вели-
чинами) любознательный
читатель сможет узнать в
других работах".
Оказалось, что характер
спектра существенно зави-
сит от функции формы па-
водка, точнее от того, как он
спадает. Так для горных рек
это происходит очень быст-
ро, поэтому уместна аппрок-
симация экспонентой
Ф(7)=еА В этом случае спектр
процесса f(a>)-+consi при ш->0
и эффект Харста у паводоч-
ного режима отсутствует.
Напротив, при медленном
спадании паводка, когда оп-
равдана аппроксимация мед-
ленно меняющейся функци-
ей, например ф(/)=(1+2?Р) °\
спектр /(со)—при со—>0, явле-
ние Харста характерно.
Механизм формирования
паводочного шлейфа (чрез-
вычайной распластанности
"Рыто в С . М . Случайные процессы.
M. 1976.; Малахов А.Н. //Радио-
техника и электроника. 1959. Т.4.
Вып.1. №54. С.54-62.
гидрографа стока) характе-
рен для больших рек за счет
продолжительного времени
бассейнового добегания и за
счет задержки воды в почво-
грунтах. Продолжительный
же спад воды — фактор уси-
ления корреляции между
расходами воды в разные
моменты времени.
Таким образом, возмож-
ная причина эффекта Харста
в паводках Нила — их мед-
ленный спад в период отсут-
ствия дождей.
Циклоны
Другой возможный при-
мер геофизического процес-
са, в котором может возни-
кать эффект Харста, — цик-
лоническая деятельность,
способствующая межширот-
ному обмену воздуха и слу-
жащая важнейшим элемен-
том общей циркуляции ат-
мосферы. Циклогенез (рож-
дение и эволюция циклонов)
существенно влияет и на по-
годные , и на гидрологичес-
кие процессы в земной кли-
матической системе. Экспе-
риментальное выявление ус-
тойчивых статистических
закономерностей глобаль-
ного циклогенеза и возмож-
ной годовой и межгодовой
эволюции этого процесса
могло бы стать фундамен-
тальной основой для созда-
ния физических моделей
климата.
Недавние исследования,
выполненные в Институте
космических исследований
РАН, дают основание пола-
гать, что эффект Харста мо-
жет возникать и в атмосфер-
ных процессах’.
Обработав временные ря-
ды по тропическим цикло-
нам над акваториями Север-
ного и Южного полушарий
за 1883—1997 гг., авторы
этих работ доказали сущест-
вование устойчивых пуассо-
новских законов распреде-
ления их интенсивности. Бо-
лее того, оказалось, что чис-
ла одновременно действую-
щих тропических циклонов
на промежутке времени t со-
ставляют пуассоновский
процесс с устойчивым пара-
метром.
Для нас представляют
большой интерес нелиней-
ные процессы эволюции ин-
тенсивных вихревых возму-
щений в атмосфере. Хорошо
известно, что продолжитель-
ность существования отдель-
ного циклона сильно колеб-
лется от нескольких дней до
двух недель (иногда больше).
Далее циклон может полно-
стью разрушиться или по-
пасть в более крупную атмо-
сферную циркуляцию. Если
предположить, что скорость
диссипации циклона (вырав-
нивание температурных гра-
диентов и уменьшение вод-
ности) находится в степен-
ной зависимости от време-
ни, то в сочетании с пуассо-
новским характером цикло-
генеза это приводит к им-
’Покровская И.В., Шарков Е.А.
//ДАН. 199.3. Т.331. №5. С.625-627.
8
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ГЕОФИЗИКА
пульсному процессу, спектр
которого похож на спектр
“черного шума”.
Модель дождей
Мы рассмотрели некото-
рые подходы к математичес-
кому объяснению эффекта
Харста. Однако они не отве-
чали на вопрос: откуда мо-
жет взяться степенная (мед-
ленная) релаксация динами-
ческой системы? А разо-
браться в этом явлении —
значит построить простую
физико-математичекую мо-
дель гидрологического про-
цесса, демонстрирующую
эффект Харста.
Обратимся к важным со-
ставляющим гидрологичес-
кого цикла суши — осадкам и
динамике влажности почвы.
Будем считать, что число
дождей за интервал [fo,fo+7']
подчиняется закону Пуассо-
на (закону редких событий).
Промежутки времени, разде-
ляющие моменты выпадения
дождей (последовательно
наступающие события пуас-
соновского потока), — неза-
висимые случайные величи-
ны, имеющие распределение
с параметром X (число дож-
дей в сутки). Вероятность то-
го, что продолжительность
периода без дождя /*.|-?*=Д*
меньше t, равна />{Д*<?}=1 -е и.
Предположим, что период
без дождя гораздо больше
продолжительности дождя,
что показывает, например,
анализ гидрометеорологиче-
ских наблюдений на Нижне-
девицкой воднобалансовой
станции (Воронежская обл.)
'за 28 лет10.
Представим количество
осадков в виде суперпози-
ции простейших импульсов
*=i
где q — количество осадков,
"‘Кучмент Л.С.,Гельфан А.М
Динамико-стохастические модели форми-
рования речного стока. М., 1993
Некоторые характеристики динамики влажности почвы:
веер ху — результат математического моделирования
динамики как случайного процесса. Модельная зависимость
похожа на беспорядочно ^сшитые» куски всплесков в случайные
моменты времени, с последующими спадами; в середине —
плотность вероятности амплитуд влажности почвы, которая
соответствует реализации, показанной на верхнем рисунке;
внизу — поведение спектральной плотности этого процесса на
низких частотах. Цветная прямая — линия регрессии между
логарифмом спектра и логарифмом частоты; штриховые
цветные — линии, ограничивающие доверительную область.
Линия регрессии ограничивает область частот, для которой
характерна степенная зависимость f(a>) ~ со”’!. При низких
частотах (1пы<-4) эффект Харста вырождается из-за линейной
зависимости скорости испарения от влажности. Чем меньше
скорость испарения по сравнению со скоростью инфильтрации,
тем более протяженна область, где справедлив закон Харста.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
9
ГЕОФИЗИКА
и
S
3
м
8
$
6000
5000
4000
3000
2000
выпадающих за один дождь,
t — время, 8(f) — дельта-
функция. Для такого процес-
са среднее p(t)=q'k, корре-
ляционная функция 7?(т) =
=^2А.8(О, спектр /(со) = 2q2'k.
Таким образом, время памя-
ти процесса осадков равно
нулю, спектр на всех часто-
тах постоянен и явление
Харста отсутствует.
&
о
О 50 100 150 200 250 300 350
время, сутки
время, сутки
Характерная реализация паводочного режима с
экспоненциальной формой гидрографа и ее корреляционная
функция. Быстрое затухание корреляционной функции
указывает на отсутствие эффекта Харста.
6000
о
5000
S
4000
5
X
о
3000
2000
1000
&
$
О .......
О 50 100 150 200 250 300 350
время, сутки
время, сутки
Характерная реализация паводочного режима со степенной
формой гидрографа и ее корреляционная функция. Слабое (по
сравнению с экспонентой) затухание корреляции в случае
степенной формы гидрографа указывает, что для такого
паводочного режима характерен эффект Харста.
Динамика
влажности почвы
После выпадения дождя
объемная влажность почвы
резко увеличивается. Даль-
нейшая судьба этой влаги
такова: одна часть за счет
процессов инфильтрации
поступает в грунтовые воды,
другая испаряется, третья
образует поверхностный
сток. Коэффициент инфиль-
трации (доля влаги осадков,
перешедшая в грунтовые во-
ды) для большинства водо-
сборов основных рек Рос-
сии больше 0.6 (например,
для бассейнов Оки — 0.85,
Москвы — 0.79, Печоры —
0.66), поэтому процессы ин-
фильтрации очень важны
для понимания генезиса
речного стока.
Многочисленные натур-
ные исследования показали
линейную зависимость ско-
рости испарения (транспи-
рации) от влажности почвы
в случае дерново-подзолис-
тых суглинков, если на них
выращивались тимофеевка,
озимые рожь и пшеница".
Если составить уравнение
водного баланса верхнего
слоя почвы, то в левой части
окажется скорость измене-
ния влажности почвы, а в
правой — сумма трех объе-
мов влаги: выпадающей с
осадками, испаряющейся и
поступающей в грунтовые
воды в единицу времени.
"Вершинин П.В., Мельнико-
ва М.К., Мичурин Б.Н. и др.
Основы агрофизики. Под ред. АП.Иоффе.
М., 1959.
10
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
ГЕОФИЗИКА
Процесс изменения влаж-
ности почвы, описанный
этим уравнением, диссипа-
тивный (стекание воды и ее
испарение) и существенно
нелинейный, так как коли-
чество влаги, поступающей
в грунтовые воды, определя-
ется влагопроводностью,
которая сама по себе явля-
ется степенной функцией12
влажности с показателем
п~3 — 5. Количество испаря-
ющейся влаги также зависит
от влажности, но линейно.
Физика нелинейных дисси-
пативных систем обнаружи-
вает большое разнообразие
их поведения и свойств. Ис-
следование данного процес-
са показало, что он спосо-
бен объяснить и эффект
Харста. Интегрирование
уравнения водного баланса
верхнего слоя почвы приво-
дит к следующему импульс-
ному процессу:
i
8(0=ЁМ(^»),
где tp(t-h) — функция формы
импульса, 0* — относитель-
ные амплитуды процесса, за-
висящие от характеристик
влажности и пористости поч-
вы. Подробно эта процедура
описана в наших статьях1’.
Если скорость инфильт-
рации значительно превос-
ходит скорость транспира-
ции, спектр процесса, опре-
деленного уравнением вод-
ного баланса верхнего слоя
почвы,расходится на низких
частотах. Это явление объяс-
няется сильной степенной
зависимостью коэффициен-
та влагопроводности от
влажности, благодаря чему
релаксация влажности после
выпадения дождя к своему
12Глобус А.М. Почвенно-гидрофи-
зическое обеспечение агроэкологических
математических моделей. Л. 1987; Полу-
баринова-Кочина П.Я Тео-
рия движения грунтовых вод М. 1977.
"Найденов В.И , Кожевнико-
ва И . А. // Теорет. основы хим. техноло-
гии. 1999. Т.34. №6. С.ЗО—ЗЗ: Кожевни-
кова И . А . // Обозрение прикл. и пром,
математики. 1997. Т.4. Вып.З. С.353—355.
равновесному значению
происходит очень медленно
и спадает по степенному за-
кону. Для функции формы
импульса в качестве1 точного
решения уравнения водного
баланса в верхнем метровом
слое почвы мы получили за-
висимость:
ф(0~^
Эта функция медленно убы-
вает со временем, что приво-
дит к расходимости спектра
на низких частотах. Такая
динамика влажности почвы
и скорости инфильтрации
соответствует многочислен-
ным наблюдениям. Напри-
мер, скорость инфильтра-
ции, будучи высокой в нача-
ле дождя (6 см/ч), затем рез-
ко снижается (через 2 ч она
уже 1.5 см/ч), далее этот
темп замедляется и скорость
инфильтрации следует зави-
симости г1”.
Если отношение скорости
испарения к скорости ин-
фильтрации мало, спектр
процесса имеет достаточно
протяженный участок, на ко-
тором выполняется соотно-
шение /((o)~(i)'“ (см. выше).
Этот результат был получен,
например, при а=0.72,
/7=0.5(а+1)=0.8б. Если, на-
оборот, отношение скорости
испарения к скорости ин-
фильтрации велико, функция
формы импульсного процес-
са приближается к экспонен-
те и эффект Харста “вырож-
дается”. Следовательно, в по-
строенной модели влагопе-
реноса нелинейный процесс
инфильтрации способствует
возникновению эффекта
Харста; линейный процесс
испарения разрушает его.
На величину показателя
Харста более всего влияет
величина п, характеризую-
щая степень зависимости ко-
эффициента влагопроводно-
сти от влажности. Увеличе-
ние п приводит к замедле-
нию релаксации влажности
почвы, слабому затуханию
корреляционной функции
случайного процесса, что в
свою очередь способствует
росту показателя Н.
Таким образом, эффект
Харста объясняется медлен-
ной (степенной) релаксаци-
ей вязкой жидкости в порис-
той среде от момента выпа-
дения осадков до момента
попадания воды в замыкаю-
щий створ речного бассейна.
Эффекты медленной ре-
лаксации вязкой жидкости в
пористой среде характерны
для большинства задач не-
стационарной и нелинейной
фильтрации и отражают
природные закономерности.
* * *
Подведем итоги. Огром-
ный (2.8 млн км2) бассейн
Нила представляет собой не-
линейную, неравновесную и
нестационарную природную
систему. Потоки солнечного
тепла и влаги с Индийского
океана постоянно выводят
ее из состояния равновесия.
В соответствии со вторым
законом термодинамики (за-
коном возрастания энтро-
пии) природная система за
счет процессов диссипации
(вязкого течения и тепловла-
гопроводности) релаксирует
к состоянию с более высо-
кой энтропией, причем эта
релаксация происходит до-
вольно медленно. Вот эту
интересную особенность
функционирования бассей-
на Нила и подметил британ-
ский климатолог Г.Харст.
Авторы благодарят члена-
корреспондента РАН А.Н.Ши-
ряева за поддержку исследо-
ваний в области математичес-
кого моделирования процес-
сов с бесконечной памятью.
Работа выполнена при
финансовой поддержке
Российского фонда фун-
даментальных исследова-
ний. Гранты 97-01-00261,
99-05-64905.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
11
ФИЗИОЛОГИЯ
Необычайные
приключения
в мире сна
и сновидений
В.М. Ковальзон
Гуго Ласэв
и Мишель Жуве
Гуго Ласэв — гениальный
французский ученый XVIII в.
Выходец из простой семьи,
он сумел получить медицин-
ское образование и служил
хирургом в армии Людовика
XVI. После ранения, полу-
ченного в войне против
прусского короля Фридри-
ха II, Ласэв вышел в отставку
и поселился в имении своей
жены, в замке Булиньё под
Лионом. Философ и натура-
лист, страстный любитель
живой природы, Ласэв был
лично знаком и переписы-
вался с величайшими умами
своего времени — Вольте-
ром, Дидро и др. Он был ак-
тивным участником Лион-
ского общества вольнодум-
цев, скрывавшегося под не-
винным названием “Кружок
любителей природы", где ма-
териалисты и атеисты вели
бурные философские бесе-
ды. Поскольку заседания
кружка в основном проходи-
ли в кафе, они не могли ос-
таться незамеченными для
властей, и за членами обще-
ства был установлен неглас-
ный надзор полиции...
Особый интерес испыты-
вал Ласэв к загадке сна и
© В.М.Ковальзон
Владимир Матвеевич Ковальзон, док-
тор биологических наук, ведущий науч-
ный сотрудник Института проблем
экологии и эволюции имА.Н.Северцова
РАН, член правления Международного
научно-практического общества со-
м налогов. Специалист по эксперимен-
тальному изучению сна. Неоднократно
публиковался в “Природе”.
сновидений. Однажды он ре-
шил коллекционировать
свои сновидения, записывая
их тотчас при пробуждении,
и через шесть лет, анализи-
руя полторы тысячи своих
снов, он обнаружил, что оп-
ределенные картины и сю-
жеты повторяются время от
времени, подчиняясь стро-
гой математической законо-
мерности.
Своим открытием Ласэв
поделился с великим натура-
листом XVIII в. Шарлем Бон-
не из Женевы. Однако Бонне,
обладатель трезвого крити-
ческого ума, заявил Ласэву,
что субъективных наблюде-
ний одного исследователя
недостаточно, научный под-
ход требует более система-
тических и объективных
изысканий.
Ласэв последовал его со-
вету и в течение ряда лет
изучал внешние проявления
сна и сновидений у окружав-
ших его людей и животных.
Феноменальная наблюда-
тельность в сочетании с чис-
то аристотелевской способ-
12
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
ФИЗИОЛОГИЯ
ностью логически мыслить
позволили Ласэву вместе со
своей юной ассистенткой и
возлюбленной, очарователь-
ной Беатрисой Монтье, при
помощи примитивных меха-
нических и оптических при-
боров своего времени, со-
вершить все те открытия, ко-
торые составляют гордость
нейрофизиологии второй
половины XX в. Он догадался
о существовании в мозгу
центра сна, о наличии в ор-
ганизме особых веществ, ре-
гулирующих сон, сформули-
ровал гипотезу о функции
сновидений и т.д.
Однажды Ласэву предста-
вилась возможность принять
участие в экспедиции Лапе-
руза к далеким о-вам Рюкю в
западной части Тихого океа-
на, которой он, неутомимый
путешественник, разумеется,
не мог не воспользоваться.
Во время этого плавания он
* бесследно исчез, и имя его
забыли. К счастью, спустя
200 лет дневники Ласэва слу-
чайно нашли в купленном на
распродаже антикварных из-
делий сундуке, они и легли в
основу романа “Замок снов”.
Раскроем читателю сек-
рет: все вышеизложенное —
литературная мистифика-
ция, вымысел автора романа
Мишеля Жуве. Профессор
Жуве — гордость Франции,
один из крупнейших ее уче-
ных, член Национальной
академии наук, лауреат мно-
гих национальных и между-
народных научных премий,
неоднократно выдвигавший-
ся на Нобелевскую премию,
которую он, можно надеять-
ся, еще получит. Впрочем,
Стоит напомнить, что такие
величайшие ученые XX в.,
как Зигмунд Фрейд (“ком-
- плексы”), Уолтер Кеннон
(“гомеостаз”), Ганс Селье
(“стресс”) не были лауреата-
ми Нобелевской премии...
Жуве применил редкий
литературный прием “ретро-
спективной фантастики”: он
перенес своего alter ego, вто-
М.Жуве с женой и собакой. 1992 г.
рое “я”, на 200 лет назад, по-
грузил его в гущу необыкно-
венных приключений, коло-
ритнейших персонажей и в
конце концов снабдил всеми
теми знаниями, которыми
обладает сам! Дело в том, что
Жуве — крупнейший специа-
лист по физиологии сна, ко-
торому современная наука о
сне (“сомнология”, “гипно-
логия” или “онейрология”)
обязана большей частью
своих поразительных откры-
тий. Жуве — личность почти
легендарная, и его собствен-
ная жизнь также достаточно
интересна и насыщена собы-
тиями, о чем он, вероятно,
еще расскажет в одной из
своих последующих книг. Он
родился 74 года назад неда-
леко от Лиона, в тех местах,
где происходит действие ро-
мана. Его отец был врачом,
но интеллект и уровень зна-
ний этого человека намного
превышали “среднемедицин-
ский”. Вся семья была на ред-
Фото автора
кость талантлива; так, брат
Жуве (к сожалению, безвре-
менно умерший) слыл в свое
время самым блестящим из
молодых физиков-теорети-
ков во Франции...
Во время второй мировой
войны Мишеля Жуве, тогда
студента-медика, призвали в
армию. Воевал он под Страс-
бургом, был ранен. В период
оккупации ушел в маки, пар-
тизанил в горах недалеко от
Лиона. Имеет боевые награ-
ды. После войны Жуве закон-
чил учебу во Франции и ас-
пирантуру в США, в лабора-
тории крупнейшего нейро-
физиолога Гораса Мэгуна. За-
тем вернулся во Францию, в
родной Лион, на кафедру экс-
периментальной медицины
Университета им. Клода Бер-
нара, которую вскоре и воз-
главил, и оставался на этом
посту более 30 лет, вплоть до
своей отставки в 1995 г.
Жуве — один из первых,
кто в конце 50-х годов на-
ПРИРОДА • № 1 • 2000
13
ФИЗИОЛОГИЯ
блюдал и регистрировал эле-
ктрофизиологические про-
явления парадоксального
сна (сна с быстрыми движе-
ниями глаз, сна со сновиде-
ниями) у кошки. Справедли-
вости ради следует отметить,
что за несколько лет до него
эти феномены у человека и
кошки описали американ-
ские авторы — крупнейший
специалист по проблеме сна
первой половины XX в.
Н.Клейтман (уроженец Ки-
шинева, он скончался в Ка-
лифорнии в августе 1999 г. в
возрасте 104 лет) и его аспи-
ранты Ю.Азеринский (роди-
тели которого также были
выходцами из России; он по-
гиб в автомобильной катаст-
рофе летом 1998 г. в возрас-
те 74 лет) и Б.Демент, недав-
но вышедший в отставку
профессор одного из амери-
канских университетов. Од-
нако именно Жуве по-насто-
ящему понял, что на самом
деле было открыто, и создал
(как говорят философы) но-
вую парадигму, согласно ко-
торой парадоксальный сон
(этот термин также принад-
лежит ему) — это не класси-
ческий сон и не бодрствова-
ние, а особое, третье состоя-
ние организма, характеризу-
ющееся парадоксальным со-
четанием активности мозга
и расслабления мышц, как
бы активное бодрствование,
направленное внутрь.
В 60-е годы Жуве внес
громадный, неоценимый
вклад в физиологию сна. Он
превратил кафедру экспери-
ментальной медицины, кото-
рой в свое время руководил
великий Клод Бернар, в
крупнейший в Европе и один
из крупнейших в мире Ин-
ститутов по эксперимен-
тальному и клиническому
изучению сна. Он и его со-
трудники изучили и доско-
нально описали всю феноме-
нологию сна, его анатомиче-
скую основу, нейрофизиоло-
гические, биохимические,
онто- и филогенетические
аспекты и пр. В числе экспе-
риментальных открытий Жу-
ве были и совершенно фан-
тастические, достойные Гуго
Ласэва, — например, кошка,
демонстрирующая свои сно-
видения1. Нашим ученым
(особенно фармакологам)
Жуве известен главным об-
разом как автор особой ме-
тодики стресса, в ходе кото-
рой подопытное животное
(мышь, крысу или кошку) по-
мещают на небольшой ост-
ровок, окруженный водой.
Во время парадоксального
сна происходит полное мы-
шечное расслабление, и жи-
1 См. об этом: Моррисон Э . Р . //В ми-
ре науки. M., 1983. №6. С.62—71.
“Замок снов” Булинье близ Лиона. Справа — большая круглая
башня, в которой Ласэв проводил свои опыты. /995 г.
Фото автора
14
ПРИРОДА № 1
2 0 0 0
вотное сваливается в воду.
Пребывание на островке в
течение нескольких суток
вызывает почти полное по-
давление парадоксального
сна, значительное снижение
медленного сна и сильный
стресс у животного2.
Роман Мишеля Жуве “За-
мок снов” — фантастичес-
кое, историческое, фило-
софское, приключенческое и
научно-популярное произ-
ведение3. В нем есть все — “и
острый галльский смысл”, и
тонкий юмор. Это уникаль-
ное явление мировой лите-
ратуры — “роман о сне и
сновидениях” — получило
достойный отклик у читаю-
щей публики: весь первый
тираж во Франции распрода-
ли за несколько дней, книга
получила одну из высших на-
циональных литературных
наград — премию им.Блеза
Паскаля, присуждаемую за
произведения в области “фи-
лософии науки”. Книга пере-
ведена на все основные ев-
ропейские языки, а также на
японский и китайский.
В более строгой, но не ме-
нее увлекательной форме
Жуве изложил свои взгляды в
научно-популярной книге
“Сон и сновидения”, выпу-
щенной одновременно с ро-
маном. Давно пора предста-
вить эти книги на суд рос-
сийского читателя.
В нижеследующем отрыв-
ке из дневников Гуго Ласэва
рассказывается о том, как он
с Беатрисой изучал сон и
сновидения у диких млеко-
питающих и птиц. Вместо
комментариев приводится
наша гипотеза об эволюци-
онном происхождении обе-
их форм сна.
2 См.: Ковальзон В.М. Парадоксы па-
радоксального сна // Природа. 1982. №8.
С.74—79; Ковальзон В.М. Стресс,
сон и нейропептиды // Природа. 1999. №5.
С.63-70.
'Jouvet М . Le chateau de sonyes. Paris,
1992.
Сновидения
у животных1
Ноябрь 1775-го... Ночью
были сильные заморозки.
Струйка воды еще перелива-
ется через запруду, и пока
только птицы осмеливаются
ходить по тонкой кромке
льда. Черные кваквы выстро-
ились рядком по обе сторо-
ны водостока и своими
длинными клювами долбят
еще хрупкий ледок. Самые
дальние из них едва темнеют
сквозь туман. Их сложенные
горбом крылья напомнили
мне картину из прошлого:
война во Фландрии, зима,
вдалеке на снегу — ссутулив-
шиеся часовые опираются на
свои мушкеты...
Мы с Беатрисой, восполь-
зовавшись первыми холода-
ми, начали классифициро-
вать наблюдения за появле-
нием движения глаз во время
сна у разных видов живот-
ных. Кроме того, несколько
лиц, заслуживающих дове-
рия, прислали нам свои опи-
сания по почте. Можно было
подвести некоторые итоги,
откуда станет видно “вос-
хождение” сновидений по
эволюционной лестнице.
Разумеется, мы не могли
изучать беспозвоночных,
живущих в раковинах. Еще
Аристотель отмечал трудно-
сти распознавания сна у та-
ких “панцирных”, как устри-
цы, мидии или улитки. Нача-
ли с изучения рыб (карп,
линь), помещенных в стек-
лянную банку с водой из
пруда, температуру которой
поддерживали на уровне
25°С. Часами наблюдали за
движениями их хвостов, жа-
бер и глаз. Как только рыба
замирала, мы осторожно
подводили палочку к голове,
чтобы вызвать реакцию из-
бегания и таким образом
проверить, спит ли она. Каж-
дую рыбу изучали днем или
1 Отрывок из романа Мишеля Жуве “Замок
снов". Публикуется в переводе с француз-
ского В.М. Ковальзона. — Ред.
ФИЗИОЛОГИЯ
Роман Мишеля
Жуве “Замок
снов”—
фантастическое,
историческое,
философское,
приключенческое
и научно-
популярное
произведение.
ночью при слабом свете све-
чей, в течение по крайней
мере 50 часов. Вскоре стало
очевидно, что линь бодрст-
вует в темноте, а на свету
спит и не двигается. Даже
ночью достаточно было при-
близить свечи к аквариуму,
чтобы рыба сразу успокои-
лась, и тогда можно было ос-
торожно коснуться палоч-
кой ее головы. Нам не уда-
лось обнаружить у нее ни
движений глаз, ни измене-
ний в движениях жабер в эти
периоды покоя и, видимо,
сна. Идентичные результаты
получили на двух карпах.
Две лягушки и ручная жа-
ба по кличке Артур из наше-
го двора представляли отряд
земноводных. Мы посадили
их в стеклянный ящик, внут-
ри которого устроили ма-
ленький водоем. Жаба актив-
на главным образом ночью.
Нам ни разу не удалось отме-
тить движений глаз или из-
менения ритма дыхания, хо-
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
13
ФИЗИОЛОГИЯ
Кто как спит.
тя их было бы хорошо видно
при длительных периодах
дневного покоя.
И наконец, две черепахи и
три ужа составили нашу кол-
лекцию пресмыкающихся. У
черепахи сон (или покой)
легко распознать, поскольку
у нее при этом голова выпа-
дает из панциря. Ужи засы-
пали глубоким монотонным
сном без сновидений, загло-
тав мышей, которых им при-
носили.
На протяжении более 700
часов внимательных наблю-
дений мы так и не смогли от-
метить ни малейшего возбуж-
дения или движения, которые
бы прерывали спокойный
сон этих холоднокровных и
яйцекладущих животных.
Мой друг, шевалье де С.,
сообщил нам о своих наблю-
дениях над крокодильчиком,
которого он привез из Бра-
зилии. Он рассказал, что со-
держит это животное в теп-
лой и влажной среде, напо-
минающей родную Амазо-
нию, и кормит его крысами.
На протяжении более 200 ча-
сов наблюдений отмечались
длительные периоды покоя,
когда крокодильчик перева-
ривал проглоченных крыс,
но никаких движений глаз
при этом не возникало.
Затем мы организовали
вольер для наблюдений за
птицами; все они, кроме сов,
спят главным образом вече-
ром, всю ночь и иногда ут-
ром. Дикие утки, лебеди, гу-
си, черные кваквы, серые и
белые цапли, кулики, фаза-
ны, вороны, сороки, галки,
куры, цыплята стали почти
ручными (особенно галки и
куры), когда их оградили от
кошек и собак. Какое же раз-
нообразие в позах их сна!
Куры на закате собираются
под навесом на насест. Водо-
плавающие птицы сгибают
шею назад, прячут голову
под крыло и засыпают ино-
гда лежа, а иногда стоя на
одной ноге. Определить со-
стояние сна у птиц очень
легко, даже если, как это мы
с удивлением обнаружили у
лебедя и гусей, они спят, за-
крыв лишь один глаз. Конеч-
но, внимательно наблюдать
за их глазами не очень-то
удобно, поскольку у боль-
шинства птиц имеется мига-
тельная перепонка, которая
почти постоянно подергива-
ется. Однако их сон столь
монотонен и кратковремен-
ные пробуждения на фоне
покоя столь очевидны, что я
быстро пришел к убежде-
нию: во время сна у птиц от-
сутствуют движения глаз.
Беатриса же была со
мною совершенно не со-
гласна! Она тщательно изу-
чила цыплят после вылупле-
ния из яиц и отметила до-
вольно кратковременные,
длящиеся меньше минуты,
1«
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
ФИЗИОЛОГИЯ
периоды, во время которых
у цыпленка падает голова и
клюв касается земли. Она
уверяла меня, что отметила
даже появление движений
глаз в этот момент. Я решил
вместе с ней понаблюдать
еще за десятком куриных и
перепелиных птенцов в ин-
кубаторе при температуре
27°С. Я убедился в том, что,
действительно, и днем, и но-
чью наступают такие перио-
ды, когда затылочные мыш-
цы расслабляются, но так и
не смог поверить в наличие
движений глаз. Мне казалось
просто невероятным, чтобы
сновидения присутствовали
сразу после вылупления из
яйца, а уже через несколько
дней исчезали! Мы вели с Бе-
атрисой длительные и ино-
гда, должен признаться,
весьма бурные дискуссии.
По счастью, наш друг К., ко-
торый имел возможность
понаблюдать за страусом в
Королевском зверинце в Па-
риже, написал нам, что не
обнаружил у него никаких
признаков сновидений во
время сна. Это наблюдение
подтвердило мою уверен-
ность в том, что птицы спят
без сновидений. Обиженная
Беатриса молча дулась на
меня несколько дней.
<...> В конце концов мы
сошлись на том, что если
сновидения у птиц и имеют-
ся, то они либо очень редко
появляются, либо же сущест-
вуют только у птенцов, так
что не стоит пока об этом
упоминать в рукописи, пред-
назначенной для господина
Шарля Бонне.
<...> Наконец, однажды ут-
ром я попросил Беатрису по-
мочь мне подвести итоги на-
ших наблюдений, чтобы
лредставить их Шарлю Бон-
не. Я полагаю, что наш итог
изучения сна и сновидений у
млекопитающих просто по-
разителен. Мы можем считать
себя самыми искушенными
знатоками в области снови-
дений у млекопитающих. Вот
таблица, которую мы соста-
вили на основе наших собст-
венных наблюдений (см.
табл. - прим.ред.).
Этот список мне весьма
дорог. Он подтверждает, что
все млекопитающие живот-
ные четко демонстрируют в
ходе сна эпизоды сновиде-
ний.
Конечно, если верить
“Трактату” Бюффона, остает-
ся еще множество видов, ко-
торые нужно наблюдать, но
мы уже можем с почти пол-
ной уверенностью указать на
следующие закономерности,
о которых я и напишу Шар-
лю Бонне:
во-первых, периферичес-
кие признаки сновидений не
существуют у тех видов жи-
вотных, которые вылупляют-
ся ИЗ ЯИЦ;
во-вторых, все млекопи-
тающие животные, которые
были изучены,демонстриру-
Виды Число кивотных Продолжительность Интервал
сновидения (в минутах) между периодами сновидений
Кошка (день/ночь) 6 6 40
Собака (день) 3 7 45
Крыса (день) 1 2 15
Морская свинка (день) 1 2 ?
Корова (день/ночь) 2 6 140-70
Пон и 3 7 100-180
Свинья (день) 2 7 180
Кролик (день) 6 4 60
Ондатра 1 5 —
Человек(ночь) I 15 110
Мы получили от наших корреспондентов следующие сообщения,
заслуживающие доверия
Хорек 2 3 —
Землеройка 1 3 —
Косуля 1 7 100
Кабан 1 7 —
Сурок (лето) 2 6 —
Жираф 1 10 180
Антилопа 1 3 —
Орангутан г 1 10 200
Макака 1 10 —
ют явные признаки сновиде-
ний;
в-третьих, видимо, име-
ются некоторые различия
между млекопитающими.
Чем крупнее животное, тем
длительность его сновиде-
ний больше. Если существует
связь между весом животно-
го и весом его мозга, как ут-
верждает господин Бюффон,
это соотношение могло бы
указывать на то, что сам мозг
способен оказывать влияние
на продолжительность сно-
видений.
Примечания М.Жуве.
1. Беатриса была права.
Парадоксальный сон есть у
всех птиц. Характерная чер-
та этого сна — исключитель-
ная кратковременность от-
дельных его периодов (по
10—20 с). Однако физиоло-
гические характеристики
при этом такие же, как и у
млекопитающих: движения
2ПРИРОДА • № 1 • 2000
17
ФИЗИОЛОГИЯ
Основные
признаки
медленного
и парадоксального
сна, описанные
у человека,
отмечаются у всех
теплокровных
животных —
млекопитающих
и птиц.
глаз; расслабление мышеч-
ного тонуса; электрическая
активность мозга, характер-
ная для бодрствования. Сум-
марная длительность пара-
доксального сна у птиц не
превышает 2 — 3% длительно-
сти всего сна. Легче всего
наблюдать периоды снови-
дений у только что вылупив-
шихся птенцов. В моей лабо-
ратории мы наблюдали их и
in ovo. Можно подавлять сно-
видения у птиц в течение не-
скольких дней; затем, в пе-
риод восстановления, они
усилятся. Так что лишение
сна у сокола непременно вы-
зывает и лишение сновиде-
ний. И не становится ли со-
кол ручным именно вследст-
вие лишения сновидений?
2. В общем, эволюцион-
ное древо сновидений, как
его описали Гуго Ласэв с Беа-
трисой, правильно (за ис-
ключением птиц). Ласэв был
не прав, когда вычеркнул
данные наблюдений за хорь-
ком. Это животное на самом
деле видит сны на протяже-
нии 400 мин в сутки. Хорек
— рекордсмен среди живот-
ных, видящих сны, и превос-
ходит даже кошку (200 мин в
сутки) и опоссума (300 мин в
сутки). Человек же видит сны
лишь 100 мин в сутки.
Эволюция сна
Итак, данные, приведен-
ные Жуве в его необыкно-
венном романе, обладают
абсолютной достоверностью
и вполне современны. Глядя
на эти таблицы, невольно
возникает вопрос: когда и
зачем появился парадоксаль-
ный сон со сновидениями?
Попробуем найти ответ.
Основные признаки мед-
ленного и парадоксального
сна, описанные у человека5,
отмечаются у всех тепло-
кровных животных — млеко-
питающих и птиц. При этом
характерно, что, несмотря
на некоторые весьма инте-
ресные отличия, связанные с
особенностями экологии
данного вида (эта тема выхо-
дит за рамки нашей статьи),
в целом никакого существен-
ного усложнения количест-
венных и качественных про-
явлений медленного и осо-
бенно парадоксального сна в
ходе прогрессивной эволю-
ции млекопитающих не об-
наруживается.
Так, у примитивного сум-
чатого млекопитающего —
американского опоссума,
чей мозг по ряду анатомиче-
ских признаков сохраняет
“рептильи” черты, электро-
физиологическая картина
обеих фаз сна такая же, как и
у высокоорганизованных
млекопитающих с развитой
корой (например у хищных)
и мало отличается от сна
' См.: Ковальзон В.М. Природа сна
//Природа. 1999. №8.С.172-179.
приматов и человека. Пара-
доксальный сон у опоссума
занимает до 30% всего сна,
т.е. больше, чем у человека
(20—25%). Однако еще более
высок этот показатель у
хорька, высокоразвитого
млекопитающего с весьма
сложным поведением (до
40%). До недавнего времени
считалось, что имеются
лишь два исключения из об-
щего правила: древнейшее
яйцекладущее млекопитаю-
щее — австралийская ехидна
и высокоорганизованные
млекопитающие, живущие в
воде, но дышащие воздухом,
— дельфины, которые не
имеют парадоксального сна.
Но в последние годы выяс-
нилось, что у другого яйце-
кладущего млекопитающего,
утконоса, парадоксальный
сон занимает рекордно вы-
сокий процент — около 50%
всего сна. Появились также
два независимых сообщения,
что признаки парадоксаль-
ного сна обнаружены и у
ехидны. Однако эти данные
вызывают серьезные сомне-
ния и нуждаются в подтверж-
дении. Вместе с тем в эволю-
ции однопроходных утконос
появился значительно рань-
ше, чем ехидна, мозг кото-
рой гораздо крупнее и слож-
нее организован, а в коре
больших полушарий больше
борозд и извилин. По всей
видимости, редукция пара-
доксального сна у ехидны
носит вторичный характер и
возникла в ходе адаптивной
радиации этого вида.
Что же касается дельфи-
нов, то недавние наблюде-
ния, проведенные Л.М.Муха-
метовым с сотрудниками на
нескольких видах китооб-
разных, показали, что не-
большие периоды парадок-
сального сна у этих живот-
ных все же имеют место.
Напротив, сон холодно-
кровных (пойкилотермных)
позвоночных носит моно-
тонный характер. Поскольку
электрическая активность
18
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ФИЗИОЛОГИЯ
мозга у них даже в условиях
повышенной температуры
окружающей среды резко от-
личается от таковой млеко-
питающих, то говорить о на-
личии у них тех или иных
аналогов медленного и пара-
доксального сна в настоя-
щий момент затруднительно.
Особенно загадочно выгля-
дит в этой связи возникнове-
ние и эволюция парадок-
сального сна: ведь это состо-
яние по совокупности мор-
фологических и функцио-
нальных признаков явно ар-
хаично. Достаточно напом-
нить, что парадоксальный
сон запускается из наиболее
древних структур — ромбо-
видного и продолговатого
мозга. Специальные опыты
показали, что для периоди-
ческого возникновения это-
го состояния сохранность
более высоко лежащих отде-
лов мозга не требуется. Па-
* радоксальный сон домини-
рует в раннем онтогенезе, а у
взрослых животных в таком
состоянии исчезает термо-
регуляция, организм на вре-
мя становится пойкилотерм-
ным и т.д. Поскольку про-
цент парадоксального сна у
самых древних из ныне жи-
вущих млекопитающих —
яйцекладущего утконоса и
сумчатого опоссума — наи-
более высок, то, казалось бы,
именно он должен быть
главным или даже единст-
венным видом сна у холод-
нокровных позвоночных —
пресмыкающихся, земновод-
ных и рыб. Скорее всего, у
них вовсе нет парадоксаль-
ного сна, хотя в настоящее
время вопрос этот изучен яв-
но недостаточно.
С другой стороны, если
бы парадоксальный сон по-
- явился в эволюции раньше,
чем медленноволновый, ка-
кова могла быть его функ-
ция? Ведь это состояние, как
ясно из всего вышеизложен-
ного, — отнюдь не покой, а
своеобразная активность
мозга, так называемое бодр-
Эволюционное дерево мира животных.
ствование, направленное
внутрь. Зачем мозгу холод-
нокровного два вида бодрст-
вования? И когда он “отды-
хает”?
Для решения этого про-
тиворечия мы предлагаем
гипотезу (см. схему), соглас-
но которой в поведении хо-
лоднокровных имеются два
состояния — активность и
покой. В состоянии активно-
сти их мозг реализует глав-
ным образом генетически
закрепленные программы
поведения; а возможности
обучения, приобретения но-
вого опыта у них крайне ог-
2* ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
19
ФИЗИОЛОГИЯ
раничены. В состоянии по-
коя организм пойкилотерм-
ных остывает, а мозг “вы-
ключается”.
У появившихся в эволю-
ции теплокровных (гомойо-
термных) животных мозг по-
лучает способность работать
и в состоянии покоя, так что
состояние “выключенного”
мозга исчезает. Возникают
два эволюционно новых со-
стояния — бодрствование и
медленный сон, связанные с
тонической де- и гиперполя-
ризацией коры мозга соот-
ветственно. Хорошо извест-
но, что бодрствование мле-
копитающих и птиц в несрав-
ненно большей степени гиб-
ко, адаптивно и восприимчи-
во к изменению внешних ус-
ловий. У высокоорганизован-
ных млекопитающих с круп-
ным и хорошо развитым моз-
гом индивидуальный опыт,
“память индивида”, играет не
меньшую роль, чем наследст-
венность, “память вида". Что
же касается “примитивного”
бодрствования холоднокров-
ных, то его механизмы не ис-
чезают, но теряют способ-
ность анализировать внеш-
ние сигналы и непосредст-
венно управлять поведением.
Это состояние перемещается
из суточной фазы активности
в фазу покоя и превращается
в парадоксальный сон — ар-
сон
| активность покой
Схема появления парадоксального сна. Слева — физиологичес-
кие состояния у холоднокровных; справа — у теплокровных
(птиц, млекопитающих); снизу вверх — смена этих состоя-
ний в ходе эволюции.
хаическое бодрствование,
функция которого — своего
рода программирование моз-
га согласно планам врожден-
ного поведения и адаптация
этих программ в соответст-
вии с приобретаемым опы-
том в ходе индивидуального
развития.
Таким образом, если наша
гипотеза верна, состояния
бодрствования (“неободрст-
вование”) и медленного сна
появились в эволюции одно-
временно с возникновением
гомойотермии, а парадок-
сальный сон представляет
собой как бы “археободрст-
вование”, результат эволю-
ционной трансформации
примитивного бодрствова-
ния холоднокровных. Пред-
лагаемая гипотеза дает ключ
к разрешению важнейшего
“парадокса парадоксального
сна”: почему это эволюцион-
но древнее состояние не
удается обнаружить у эволю-
ционно древних видов ЖИ-
ВОТНЫХ?!
Международный ледовый
патруль образованный в 1914
г. после трагической гибели в
апреле 1912 г. суперлайнера
“Титаник” на протяжении мно-
гих десятилетий ежедневно вы
пускает радиобюллетени — из-
вещения мореплавателям о ле-
довой обстановке и дрейфе
айсбергов в северо-западной
Атлантике (отдельные айсбер
гн дрейфуют и южнее 48’с.ш.).
В зависимости от сложности
ледовых условий общее число
извещений в среднем достига-
ет 480 в год.
Впервые за весь период на-
блюдений в бюллетенях, за
зимние н весенние месяцы
1999 г. не было сообщений о
встречах с айсбергами южнее
48’с.ш. Специалисты, не ис-
ключая иных версий, “ответет
венпость” за сложившуюся си
туацию возлагают на глобаль-
ное потепление климата
Science et Vie. 1999. №984. Р.31 (Фран
цня).
Результаты пятилетнего ис-
следования (с 1983 г.), ььшол
пенного Национальным науч-
ным фондом США, показывают,
чтр еженедельный ущерб, при-
чиняемый экономике США rjpii
родными катастрофами в сред-
нем составляет 1 млрд долл. Эта
цифра имеет тенденцию к росту.
Огромные финансовые по-
тери прежде всего связаны с та-
кими явлениями как глобальное
изменение климата, увеличение
числа землетрясений на густо
населенной территории стра-
ны, высокий уровень индустри-
ализации прибрежных районов,
имеющих развитую инфраст-
руктуру и часто подвергающих-
ся воздействию тайфунов.
Environmental Science and Technology. 19
9 9. V.33- №15. Р.ЗО9 (США).
20
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ГЕОХИМИЯ
Накопление
редких элементов
в гранитах
Ю.А. Костицын
Многие месторождения Ta, Nb, Li, Sn, W
и других редких металлов связаны с
гранитами. Почему же одни граниты
стали месторождением, а другие, почти та-
кие же, пусты? Если понять причины накоп-
ления редких элементов, можно будет осо-
знанно искать месторождения столь дефи-
цитных металлов. Существует несколько ги-
потез образования редкометалльных грани-
тов. В одних ведущая роль отводится глубо-
кой дифференциации обычного гранитного
расплава, в других предполагаются особые
условия плавления или особый источник ве-
щества.
Сейчас стало очевидно, что понять при-
роду источника вещества в магматической
геологии можно, опираясь не только на гео-
химические, петрологические и другие тра-
диционные методы, но и привлекая изотоп-
ные исследования. Именно они позволяют
заглянуть в глубь истории горных пород, на
шаг дальше, чем это было возможно до их
появления в арсенале геологов. Поэтому я
предлагаю читателю вместе провести обзор
геохимических и Sm — Nd и Rb — Sr изотоп-
ных данных для редкометалльных гранитов,
сравнить безрудные и рудоносные граниты с
тем, чтобы остановиться на наиболее пред-
почтительной гипотезе их образования. Я
Умышленно буду избегать детального разбо-
ра авторских гипотез1 образования конкрет-
ных гранитных тел, чтобы не превращать
анализ в простое голосование. Мы рассмот-
рим наиболее общие геохимические черты
1 Заинтересованный читатель сможет найти ссылки на оригиналь-
ные публикации в работе: К о s t i t s у n Y u . A . Sources of peralu-
minous rare-mctal granites: a review of Rb—Sr and Sm—Nd isotopic
data // Ore-bearing granites of Russia and adjusting Countries I Eds
AA.Kremenetskiy. B.Lchman and R.Seltmann. Moscow, 1999.
© Ю.А. Костицын
Юрий Александрович Костицын, кандидат
геолого-минералогических наук, заведующий
лабораторией изотопной геохимии и гео-
хронологии Иштитута минералогии, геохи-
мии и кристаллохимии редких, элементов
(ИМГРЭ). Область научных интересов —
процессы формирования магматических по-
род земной коры и связанных с ними место-
рождений.
%
I
о
г
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
21
ГЕОХИМИЯ
редкометалльных гранитов и попробуем по-
нять особенности их источника и механизм
образования.
О каких гранитах
будет идти речь
Граниты различаются по своему составу и
геологическим обстановкам, поэтому преж-
де всего нам нужно определиться с объектом
нашего анализа. И здесь мы сталкиваемся с
первой проблемой. Трудно строго расклас-
сифицировать объекты, если они образуют
многомерные множества с постепенными
переходами. Мы будем придерживаться наи-
более простых и поэтому наверняка непол-
ных схем при выделении разных типов гра-
нитов и сравнении их между собой.
25 лет назад австралийские геологи
Б.Чаппелл и А.Уайт2 опубликовали двухстра-
ничный реферат своего толстого производ-
ственного отчета об исследовании гранито-
идов на юго-востоке Австралии, в котором
предложили простые геохимические, мине-
ралогические и изотопные критерии для
распознавания гранитов, возникших в ре-
зультате плавления исходно изверженных (I-
граниты) и осадочных, подвергшихся вывет-
риванию и переотложению, пород (S-грани-
ты). Как показала четвертьвековая история,
эта буквенная классификация прижилась,
хотя в силу ее неполноты не раз предприни-
мались попытки расширить алфавит, обра-
зуя менее четкие группы — М, С, А.
Группа А-гранитов заслуживает особого
внимания потому, что в нее часто помещают
многие редкометалльные граниты, о кото-
рых будет идти речь далее. Но сегодня она
больше похожа на свалку ненужных вещей,
чем на полку с бирками в приличной камере
хранения. Взять хотя бы сам индекс “А”. В
разных работах помимо наиболее распрост-
раненной его расшифровки как “анороген-
ный” можно найти также “безводный” (anhy-
drous) или “повышенной щелочности” (alka-
line). Все три свойства согласовать между со-
бой не удается, в результате в одно семейст-
во объединяются и щелочные граниты, с ко-
торыми нередко связаны месторождения Zr,
Nb, редких земель, и высокоглиноземистые
(с повышенным содержанием А12О,) со своей
минерализацией — Та, Nb, Sn, W.
Для нас будут представлять интерес высо-
коглиноземистые редкометалльные граниты,
частично попадающие в A-тип, а сравнивать
их будем, в случае необходимости, с хорошо
'Chappell B.W., White A .J . R .//Pacific Geology. 1974.
V.8. P.173-174.
распознаваемыми безрудными гранитами S-
и 1-типов. Чтобы отличать магматические
процессы от гидротермально-метасоматиче-
ских, в отдельную группу объединим все
грейзены и другие гидротермально изменен-
ные породы. Источники всей информации
сведены в таблицу, чтобы читатель мог легко
ориентироваться в дальнейшем обсуждении
данных.
Про редкометалльные граниты уже мно-
гое известно, благодаря в первую очередь
исследованиям В.И. Коваленко' и его школы.
Сейчас мы, например, уверены, что это дей-
ствительно магматические породы, хотя по-
началу высказывались сомнения, потому что
в таких гранитах нередко очень ярко прояв-
лены пост- и позднемагматические гидро-
термальные изменения: альбитизация, грей-
зенизация, образование прожилков флюори-
та, мусковита, хлорита. В неизмененных ми-
нералах редкометалльных гранитов наблю-
даются микроскопические расплавные вклю-
чения, которые определенно свидетельству-
ют, что эти породы прошли стадию плавле-
ния и значительную часть редких элементов
накопили еще на магматической стадии.
Кроме того, в ходе своих многолетних ис-
следований в Монголии Коваленко открыл
вблизи вольфрамового месторождения Он-
гон-Хайерхан вулканические аналоги редко-
металльных Li-F гранитов и назвал их онго-
нитами по месту первой находки. Позднее
сходные вулканические породы были найде-
ны не только в Монголии, но и в Сибири, на
Алтае, в Северной Америке, Перу.
Обычно редкометалльные высокоглино-
земистые граниты слагают небольшие мно-
гофазные тела, кристаллизовавшиеся на глу-
бине не более нескольких километров. Об-
разовывались они на посторогенных этапах
тектономагматических циклов. Для этапов
активной складчатости эти граниты не ха-
рактерны. Главные породообразующие ми-
нералы — -кварц, калиевый полевой шпат,
плагиоклаз и слюда (от обогащенного лити-
ем сидерофиллита до чисто литиевых слюд
— циннвальдита, лепидолита, полилитиони-
та). Акцессорные минералы представлены
топазом (который иногда может переходить
в разряд породообразующих), цирконом,
танталониобатами, касситеритом. Забегая
вперед, отметим, что в высокофосфористых
гранитах, кроме того, немало фосфатных
минералов — апатита, монацита, амблигони-
та-монтебразита. Интересно поведение цир-
кона: он обнаруживается в шлифах даже в
тех породах, где химический анализ показы-
‘Коваленко В.И. Петрология и геохимия редкометалльных
гранитов. Новосибирск, 1977.
22
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ГЕОХИМИЯ
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
Объекты Географическое положение Источник
Low-P граниты
Li-F граниты Орловка, Забайкалье Zaraisky et al., 1998;
Этыка, Безымянка, Харагул Коваленко и др, 1999
Li-F граниты Югодзырь Монголия Коваленко и др, 199?
Гранит Jurajoki Финляндия Taylor, 1992
Граниты Нога Svate Рудные горы Breiter, 1998
Kateriny (граница Чехия—Германия)
Гранит Циннвальд Рудные горы (Германия) Seltmann et al., 1998
Гранит Lundy Бристольский пролив (Великобритания) Thorpe et aL, 1990
Граниты Homr Akarem, Homrit Mukbit, Восточная Пустыня Hassanen, Harraz, 1996
Nuweibi (Египет)
Гранит Quanlishan Провинция Хунан(Китай) Mao, Li, 1995
Мезозойская гранитная Гонконг Sewell et al., 1992;
серия Lion Rock Darbyshire, Sewell, 1997
Граниты Ko Samui, Ю.З.Таиланд Ishihara et aL, 1980;
Ко Phuket, Bu Ke Pollard et aL, 1995
Гранит Pleasant Ridge Нью-Брансуик Taylor, 1992;
(Канада) Whalen et aL, 1996
Топазовые риолиты запад С.Америки Christiansen et aL, 1983
Меловые граниты п-ова Эдварда-VII 3.Антарктика Weaver et aL, 1992
High Р граниты
Граниты Чиндагатуйско- Ю.З.Алтай (Россия) Kostitsyn et aL, 1998;
1^алгутинского комплекса Владимиров и др., 1998
Граниты Eibenstock-Nejdek, Slavkovsky Les, Чехия Breiter, 1998;
Josefsthal, Homolka, Sejby, Hermanek et al., 1998;
Nakolice, Unterlembach, Galthof, Cimer, Eisgarn, Rozvadov, Pribyslavice, Karlovy Vary Rene, 1998
Гранит Pedrobernardo Испания Bea et al., 1994
Гранит Argemela Португалия Charoy, Noronha, 1996
Cornubian батолит Ю.Англия Darbyshire, Shepherd, 1985; Charoy, 1986; Taylor, 1992; Darbyshire, Shepherd, 1994
Гранит Beauvoir Центральный массив (Франция) Raimbault et al., 1995
Граниты Tan Yong, Ruso, Pa Na Re, Ku Long, Khara Khiri, Songkhla, Ю.З.Таиланд Ishihara et aL, 1980
Khao Kachong, Khao Luang, Yod Nam mine Гранит Lottah С.В.Тасмания MacKenzie et al., 1988; Sun, Higgins, 1996
Гранит Davis Lake Нова-Скоша (Канада) Dostal, Chatterjee, 1995
Macusani туф Ю.В.Перу Noble et aL, 1984;
Pichavant et al., 1988
Грейзены и измененные породы
Граниты Орловка, Этыка Забайкалье Zaraisky et aL, 1998
Граниты Югодзырь Монголия Kovalenko et al., 1997
Гранит Nebelstein С.Австрия Koller et aL, 1998
Cornubian батолит Ю.Англия Charoy, 1986
Гранит Barca de Alva-Escalhao Ю.В. Португалия Gaspar, Invero, 1998
Гранит Yichun Провинция Цзянси (Ю.Китай) Schwartz, 1992
Граниты Tikus Индонезия Schwartz, 1992
Граниты Abu Rusheid, Abu Dabbab, Homr Akarem Восточная Пустыня (Египет) Mohamed, 1993; Hassanen, Harraz, 1996
Lottah гранит С.В.Тасмания MacKenzie et al., 1988
Mount Gibson В.Австралия Johnston and Chappell, 1992
Гранит Davis Lake Нова-Скоша (Канада) Dostal and Chatterjee, 1995
ПРИРОДА • №
2 0 0 0
23
ГЕОХИМИЯ
Объекты Географическое положение Источник
Безрудн ые I- и S-гранитоиды
Гранитоиды Ц.Азии юг Сибири, Монголия Коваленко и др., 1996
Герцинские двуслюдяные граниты Центральный массив (Франция) Williamson et al., 1996
Гранит Tichka горы Атлас (Марокко) Gasquet et al., 1992
5 Граниты Nugrus, Sikait Восточная Пустыня (Египет) Mohamed, 1993
-v Гранитоиды Tai Ро, D’Aguilar Гонконг Sewell et al., 1992
** Граниты Восточной и Западной Береговых Малайзия Liew, McCulloch, 1985
Провинций
Гранитоиды Chaelundi 1-типа В.Австралия Landenberger, Collins,
ъ 1996
Граниты складчатого пояса Lachlan Ю.В.Австралия Chappell, White, 1992;
Chappell, White, 1998
Граниты суперсвит Almaden, Claret С.В.Австралия Champion, Chappell,
Creek, Ootan, O'Briens Creek 1992
Мезозойские и третичные гранитоиды запад США Farmer, DePaolo 1983,
1984
Вулкан Макусани Ю.В.Перу Noble et al., 1984;
Pichavant et al., 1988
Граниты Rio Caiapo, Serra do Iran, Ц.Бразилия Pimentel et al., 1996
Israelanda, Serra Negra, Serra do
Impertinence, Ipora
вает чрезвычайно низкие содержания цир-
кония (10 — 20 мкг/г). Активность последне-
го настолько высока (или растворимость в
высокоглиноземистом расплаве настолько
низка), что циркон образуется даже при ни-
чтожно малых концентрациях основного
компонента в расплаве.
Однако мы уже незаметно перешли к гео-
химии.
Особенности
химического состава
Здесь мы кратко рассмотрим основные гео-
химические свойства разных групп редкоме-
талльных гранитоидов, а также их отличие и
сходство с безрудными сериями I- и S-типов.
Главные компоненты. Прежде чем дви-
гаться дальше, добавим еще один критерий
для разделения редкометалльных гранитов
на две достаточно отчетливые группы. Кана-
дец Р.Тейлор'1, по-видимому, первым ясно
сформулировал, что в зависимости от содер-
жания фосфора высокоглиноземистые гра- *
4Taylor R . Р. //Canadian Mineralogist. 1992. V.JO. Р.895—921.
' Здесь и далее при обсуждении химического состава пород для их
главных компонентов мы будем применять весовые проценты.
ниты заметно различаются по многим мине-
ралогическим и геохимическим свойствам.
Редкометалльные граниты с содержанием
Р2О, < 0.1% он отнес’ к группе низкофосфо-
ристых (Low-P), а граниты с Р2О, > 0.4% — к
высокофосфористым (High-P).
Однако мы видим на рис.1,«,в, что имеет-
ся немало редкометалльных гранитов с со-
держанием Р2О, 0.1—0.4%. Как оказалось, не
представляет особого труда и среди этих по-
род различить высоко- и низкофосфористые
граниты, если рассматривать не отдельно
взятый образец, а серию пород или коллек-
цию образцов из одного магматического те-
ла. Обычно граница между High-P и Low-P
гранитами проходит около 0.1% P2OS, но она
— не строгая. Гораздо более отчетливо эти
два типа различаются поведением фосфора в
процессе магматической эволюции. Если со-
держание фосфора падает от ранних членов
магматических серий к поздним, более диф-
ференцированным, то такие граниты отно-
сятся к Low-P группе, и наоборот. Таким об-
разом, различие между этими двумя группа-
ми гранитов определяется не абсолютным
содержанием фосфора в образцах, а его по-
ведением в эволюционном ряду.
Мы не будем здесь выяснять причину раз-
личного содержания фосфора в гранитах
24
ПРИРОДА • № 1 • 2000
Puc.l. Вариации содержаний некоторых главных компонентов в
редкометалльных гранитоидах, грейзенах и безрудных
гранитоидах I- и S- типов. Стрелки показывают общие
направления эволюции состава 1-гранитов — от примитивных к
наиболее дифференцированным породам. На графике г точечной
линией показано влияние примеси флюорита (CaF>) на состав
гранитов. К этой линии тяготеют некоторые образцы
гидротермально измененных пород, но редкометалльные граниты
демонстрируют противоположный тренд.
Редкометалльные граниты:
Д High-P
О Low-P
Безрудные граниты:
• 1-тип
S-тип
+ Грейзены
(связана она, очевидно, с различной раство-
римостью фосфора в расплавах). Для нас
сейчас важно не это. Читатель наверняка уже
обратил внимание, разглядывая не очень
строгие, но тем не менее достаточно выра-
зительные тренды на рис.1, что на всех гра-
фиках точки Low-P гранитов продолжают
тренды гранитоидов 1-типа, изрядно с ними
перекрываясь. Аналогичная картина наблю-
дается и на любых других графиках (рис.2,
3). Точки High-P гранитов ведут себя так же
по отношению к точкам S-гранитоидов, хотя
иногда они рассыпаются веером в разных
направлениях от более компактного поля,
образуемого точками S-гранитов. Особенно
сильно разбросаны точки, отвечающие гра-
нитам с наиболее высокими концентрация-
ми фосфора, а также гидротермально изме-
ненным породам.
Такое соотношение составов редкоме-
талльных гранитов и безрудных допускает,
что исходный источник вещества высокофо-
сфористых гранитов аналогичен S-типу, т.е.
он осадочный, а низкофосфористые граниты
образовались в результате эволюции магмы
1-типа, возникшей из изверженных пород.
На рис. 2,6— г отчетливо видно различие
гранитов по коэффициенту глиноземистос-
ти - мольного отношения Al/(Ca+Na+K). Из-
начально S-граниты имеют более высокий
показатель глиноземистости, чем 1-граниты.
И это различие сохраняется в редкометалль-
ных High-P и Low-P гранитах, несмотря на
очень заметный рост глиноземистости в них
по мере накопления фтора и редких элемен-
тов, т.е. в процессе магматической эволю-
ции. Мы видим на всех трех графиках парал-
лельные или почти параллельные тренды
ПРИРОДА • № 1
2 0 0 0
23
ГЕОХИМИЯ
Al/Ca + Na + К, mol/mol
Al/Ca + Na + К, mol/mol
Al/Ca + Na + K, mol/mol
Рис.2. Содержание фосфора, фтора, рубидия и тантала в гранитоидах в зависимости от
коэффициента глиноземистости. Условные обозначения, как на рис.1.
развития для высокофосфористых и низко-
фосфористых пород.
Это очень интересное и важное наблюде-
ние. Оно свидетельствует, что сама возмож-
ность возникновения редкометалльного гра-
нита, богатого рудными компонентами, не
очень-то зависит от того, какое исходное ве-
щество — осадочное или магматогенное —
плавилось при образовании расплава. Сле-
довательно, причину накопления редких ме-
таллов нужно искать не столько в источнике
гранитов, сколько в особенностях процесса
формирования и эволюции гранитного рас-
плава.
Откуда фтор в редкометалльных гра-
нитах? Геологи часто отводят фтору и дру-
гим летучим компонентам весьма значитель-
ную роль, вплоть до предположений об осо-
бом фтористом флюиде, вызывающем пре-
образования субстрата до состояния редко-
металльного гранита. В последнем обычно
наблюдаются повышенные концентрации
фтора, поэтому весьма существенный инте-
рес представляет его поведение и источник.
Поняв, откуда берется фтор, мы скорее всего
сможем ответить и на вопрос о редких ме-
таллах во многих, если не в большинстве,
редкометалльных гранитах.
Фтор на несколько порядков понижает
вязкость гранитного расплава и значительно
снижает температуру кристаллизации — оба
фактора повышают способность расплава к
дифференциации. Поэтому даже сама воз-
можность обогащения им заслуживает вни-
мания как вероятная причина последующего
глубокого фракционирования расплава
вплоть до образования редкометалльного
гранита.
26
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ГЕОХИМИЯ
0.01
10 100 1000 10000
Rb, мкг/г
Рис.З- Содержание фтора и редких металлов в гранитоидах. Условные
обозначения, как на рис.1.
Rb, мкг/г
Повышенные концентрации этого эле-
мента в расплаве могут образовываться из
двух источников: внутреннего или внешнего.
Внутренний источник — сам расплав. По-
следний накапливает фтор вместе с другими
несовместимыми элементами в процессе
фракционной кристаллизации, начиная с
уровня “фоновых” значений, свойственных
безрудным гранитоидам. Внешний источник
может быть многоликим. Главная его суть в
том, что материнский расплав по каким-то
причинам изначально обогащен фтором. На-
иболее вероятными источниками могут быть:
— субстрат с повышенными концентраци-
ями фтора, например, за счет фторсодержа-
щих минералов — флюорита или топаза оса-
дочного происхождения;
— порода, возможно, метаморфическая, с
невысокими концентрациями фтора, но со-
держащая его в легкоплавких минералах (на-
пример, в слюдах), которые при определен-
ных условиях неравновесного плавления
первыми переходят в расплав, обогащая его
этим элементом;
— вещество с повышенным в той или
иной мере содержанием всех элементов, ха-
рактерных для редкометалльных гранитов, в
том числе и фтора (такое предположение,
конечно, не снимает вопроса о причинах на-
копления редких элементов и фтора в субст-
рате, но игнорировать его только на этом
основании мы не будем).
Вероятно, можно придумать другие, част-
ные случаи или их комбинации, но мы по-
пробуем разобраться с этими тремя, наибо-
лее общими.
Версия о самостоятельной миграции
фтора или индивидуальном обогащении
ПРИРОДА * № 1
2 0 0 0
27
ГЕОХИМИЯ
гранитного расплава проверяется (и отвер-
гается) довольно легко. Его источником мог
бы быть флюорит (CaF2) из осадочно-мета-
морфических толщ. Этот минерал, во-пер-
вых, достаточно распространен, во-вторых
— легкоплавок (не зря его название имеет
один корень со словом “флюс”), и при час-
тичном плавлении вполне можно было бы
ожидать его преимущественную мобилиза-
цию с первыми порциями расплава. Однако
этот процесс, если и действует в природе,
не играет заметной роли. На рис.1,г мы ви-
дим, что линия CaF2, вдоль которой должны
выстраиваться точки, отвечающие распла-
вам, в разной степени обогащенным флюо-
ритом, никак не согласуется с трендом ре-
альных редкометалльных гранитов. Вообще
ни на одном из графиков на рис.1,^—г, 2,6
не наблюдается аномальное, скачкообраз-
ное повышение концентрации фтора отно-
сительно других элементов при переходе от
1-гранитов к низкофосфористым редкоме-
талльным или от S-гранитов к высокофос-
фористым. Если причиной возникновения
редкометалльного расплава служит фтор,
поступающий в изобилии из гипотетичес-
кого флюида или при разложении минера-
лов в плавящемся субстрате, то были бы
скачкообразные, разрывные нарушения
трендов на всех графиках, где фтор сравни-
вается с другими элементами, при переходе
от безрудных гранитоидов к редкометалль-
ным сериям.
Итак, мы можем сделать вывод, что само-
стоятельного накопления фтора в отрыве от
других изменений в составе гранитных рас-
плавов не происходит. Чтобы столь же опре-
деленно разобраться с другими гипотезами
о внешних источниках фтора, нам придется
обратиться к редким элементам, а затем и к
их изотопам.
Редкие элементы. На рис.З мы видим со-
отношения между некоторыми редкими эле-
ментами и фтором в редкометалльных гра-
нитах. Вариации очень широки. Но все пред-
ставленные на графиках пары элементов об-
наруживают сильную корреляцию. Заметный
разброс точек характерен лишь для грейзе-
нов и других гидротермально измененных
пород (хотя в High-P гранитах для наиболее
высоких концентраций тантала его корреля-
ция с другими элементами тоже несколько
нарушается). Это может означать, что про-
цессы распределения и накопления элемен-
тов в наиболее дифференцированных высо-
кофосфористых гранитах в чем-то сходны с
грейзеновыми. Вероятно — появлением са-
мостоятельной флюидной фазы. Заметим,
что редкие щелочи — рубидий и литий — ме-
нее чувствительны к появлению пост- и по-
зднемагматического флюидов, они сохраня-
ют тесную связь и в гранитах, и в грейзенах
при самых разных концентрациях.
Представленные на рис.З графики вновь
демонстрируют, что все переходы между
безрудными и редкометалльными гранитами
— постепенные, без скачкообразного при-
внося или выноса каких-либо элементов. На-
блюдаемый широкий диапазон линейных со-
отношений (в логарифмическом масштабе)
концентраций микропримесей в гранитах
скорее всего возник в результате глубокого
фракционирования материнских расплавов.
Теоретически, конечно, похожие элемент-
ные соотношения могут образовываться и в
результате двухкомпонентного смешения ве-
щества, крайне обогащенного редкими эле-
ментами, с обычным гранитным расплавом.
Чтобы разрешить эту дилемму, нам потребу-
ется привлечение изотопных систем.
Rb—Sr метод геохронологии
Дочерний 87Sr образуется в результате Р-
распада "7Rb с константой Х=1.42,1011лет |. На
этом факте и основан Rb—Sr метод измере-
ния возраста. Изохронный вариант предпо-
лагает анализ нескольких образцов одного и
того же геологического тела, что не только
повышает достоверность и точность опреде-
ления возраста, но одновременно позволяет
определить начальный изотопный состав
стронция. Суть метода состоит в следующем.
Измеренное сегодня в образце содержание
дочернего изотопа ("7Sr), есть сумма его ис-
ходного содержания ("7Sr)0 и радиогенной
добавки, накопившейся за время t, т.е.
(H7Sr), = (“7Sr)„ + (“7Rb), х [ехр(ХхГ)-1].
Если от концентраций изотопов перейти
к отношениям (точность измерения которых
значительно выше по чисто техническим
причинам), т.е. поделить обе части уравне-
ния на концентрацию стабильного изотопа
(“Sr), ТО МОЖНО получить:
“7Sr
“Sr
87Rb\
e6Sr /,
xfexp(Xxf)-1].
В этом уравнении две неизвестные для
данного образца величины — начальное
изотопное отношение стронция и возраст t.
Все^рстальные (за исключением уже извест-
ной константы распада рубидия X) измеря-
ются в лаборатории. Для нахождения этих
двух неизвестных нужно составить как ми-
нимум два уравнения, т.е. проанализировать
хотя бы два образца. На практике берут
больше образцов, чтобы не только опреде-
лить возраст и начальный изотопный состав
28
ПРИРОДА • № 1 * 2000
ГЕОХИМИЯ
Рис.4. Примеры Rb—Sr изохрон
для редкометалльных гранитов
Жанчивлан, Центральная
Монголия (вверху), и Орловка,
Забайкалье. Наиболее
любопытное в этих примерах —
контраст между предельно
высокими Rb/Sr и достаточно
низкими начальными
изотопными отношениями
стронция.
стронция, но и проверить надежность опре-
делений. Для наглядности результаты анали-
зов наносят в координатах 87Sr/86Sr—87Rb/86Sr
в виде точек (рис.4). Если эти точки ложатся
вдоль прямой в пределах погрешности ана-
лиза, то можно говорить о получении изо-
хроны. Возраст образцов определяется уг-
лом наклона этой прямой, а пересечение с
осью ординат — их начальное изотопное от-
йошение. Причем, чем лучше лежат экспери-
ментальные точки на прямой, тем выше точ-
ность определения возраста и начального
изотопного отношения стронция.
Для получения изохроны должны выпол-
няться некоторые вполне очевидные геоло-
гические условия. Все образцы должны:
— быть заведомо одновозрастными;
— иметь одинаковый изотопный состав
стронция во время возникновения;
— различаться по Rb/Sr, т.е. в координатах
87Sr/86Sr — 87Rb/86Sr результаты анализов не
должны сливаться в одну точку;
- и наконец, более поздние, наложенные
процессы не должны приводить к перерас-
пределению Rb, Sr и их изотопов в породе,
или, как говорят геохронологи, к нарушению
замкнутости Rb—Sr системы образцов.
Невыполнение любого из этих условий
приводит к отсутствию интерпретируемого
возрастного результата (точки на “изохрон-
ном” графике не будут лежать на прямой ли-
нии). Для количественного контроля за вы-
полнением этих условий используется сред-
ний квадрат взвешенных отклонений
(СКВО) экспериментальных точек от изо-
хроны. Если эта величина существенно пре-
вышает пороговый уровень (около 2.0 —2.5 в
зависимости от количества использованных
образцов), это означает, что конечный ре-
зультат “отягощен” некоторой “геологичес-
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
29
ГЕОХИМИЯ
а
t*
£
7
кой ошибкой” и вполне может быть некор-
ректным.
Таким образом, в изохронных методах за-
ложена автоматическая проверка надежнос-
ти получаемых данных, которая отсекает не-
кондиционный материал еще на стадии ла-
бораторных работ, не доводя до попыток его
геологической интерпретации. Это очень
существенное условие, так как настоящий
ученый объяснит любой экспериментальный
результат, если его не предупредить, что ре-
зультат заведомо не корректен.
Сколько времени
живет
редкометолльноя магма?
На рис.4 приведены примеры Rb—Sr изо-
хрон для редкометалльных гранитов, вме-
щающих Sn —W месторождение Жанчивлан
в Монголии, и гранита Орловка в Забайка-
лье, представляющего собой Та —Nb место-
рождение. Нас будут интересовать не столь-
ко полученные значения возраста, сколько
начальные изотопные отношения стронция.
Последние имеют промежуточные значения
между величинами, характерными для ти-
пичных мантийных пород (0.702 — 0.704) и
для алюмосиликатных осадочных, т.е. верх-
некоровых пород (обычно выше 0.710).
Большинство редкометалльных гранитои-
дов, изученных Rb —Sr изохронным мето-
дом, имеют близкие к 0.704 — 0.706 началь-
ные изотопные отношения стронция. В
этом не было бы ничего странного (многие
граниты на Земле имеют изотопные отно-
шения, лишь слегка отличающиеся от ман-
тийных значений), если бы не чрезвычайно
высокие значения Rb/Sr в редкометалльных
гранитах.
Представим себе расплав, из которого
возникла такая порода. Очевидно, от момен-
та его образования до полной кристаллиза-
ции проходит какое-то время, и все это вре-
мя из ®7Rb непрерывно образуется “7Sr, т.е.
“7Sr/“'’Sr в расплаве растет тем быстрее, чем
выше в нем S7Rb/"°Sr. Мы можем оценить мак-
симально возможное время существования
такого редкометалльного расплава следую-
щим образом. При условии, что Rb/Sr в рас-
плаве отвечало бы среднему для всех образ-
цов, показанных на рис.4 (т.е. 87Rb/S6Sr=730),
изотопное отношение стронция возрастало
бы на 0.001 (например, от 0.703 до 0.704)
примерно за 100 тыс. лет. Судя по известным
коэффициентам распределения рубидия и
стронция в минералах гранита и расплаве,
Rb/Sr в расплаве скорее всего в пять-десять
раз выше, чем в получившемся из него гра-
ните. Таким образом, всего за несколько де-
сятков или сотен тысяч лет в редкометалль-
ном расплаве “7Sr/H6Sr могло вырасти от са-
мых низких, мантийных величин до наблю-
даемых значений. Собственно, эта оценка и
ограничивает максимально возможное вре-
мя жизни редкометалльного расплава не-
сколькими десятками, от силы — сотнями
тысяч лет, не более.
Эта же логика нам подсказывает, что и
источник редкометалльных гранитов не мо-
жет быть близким к ним по составу, т.е. мо-
дель с тривиальным наследованием редко-
элементной компоненты источника не со-
стоятельна. Если допустить, что редкоме-
талльный расплав обогатился фтором и
редкими элементами в результате плавле-
ния породы, аналогичной ему по составу, то
в этой породе должно быть высокое Rb/Sr ,
такое же, как в самом исследуемом граните
(рис.4 )• Но тогда начальное изотопное от-
ношение стронция в полученном граните
должно быть чрезвычайно высоким, по-
скольку за всю свою предыдущую историю
порода-источник весьма интенсивно накап-
ливала радиогенный стронций. Из-за низ-
ких начальных изотопных отношений
стронция эта модель не может быть приня-
та, а вместе с ней и другие модели с посте-
пенным многоступенчатым накоплением
редких элементов
Мы выдвигали еще одно, третье предполо-
жение об образовании редкометалльных гра-
нитов за счет неравновесного плавления
слюд в породах источника. У наиболее рас-
пространенных слюд в метаморфических по-
родах — мусковита и биотита — Rb/Sr обыч-
но высокое, и они очень быстро накапливают
радиогенный стронций. Так что расплав,
сформированный преимущественно за счет
слюд, должен иметь очень высокие началь-
ные отношения "7Sr/e6Sr, что опять же не на-
блюдается в редкометалльных гранитах.
Итак, уважаемый читатель, мы можем под-
вести первый итог. Простое, чисто качест-
венное сравнение значений Rb/Sr в редкоме-
талльных гранитах и в их источнике, кото-
рое мы оценили опосредовано, через изо-
топный состав стронция, показало нам, что
источник фтора и редких элементов не мо-
жет быть внешним. Что осталось выбрать?
Внутренние ресурсы гранитного расплава,
причем мобилизоваться эти ресурсы должны
по геологическим понятиям стремительно.
Поэтому наиболее вероятный механизм на-
копления редких элементов в расплаве — это
скорее всего фракционная кристаллизация,
хотя нельзя исключать попутное действие и
других процессов, которые мы обсудим в
следующем номере.
30
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ФИЗИКА
Фотоатомная эмиссия:
неожиданное действие
света на поверхность
металла
А.М.Бонч-Бруевич, Т.А.Вартанян, С.ГПржибельский, В.В.Хромов
Относительно недавно
было обнаружено яв-
ление, которое, как
это часто бывает, сначала ка-
залось очевидным, затем —
невероятным и, наконец,
все-таки возможным, только
* сложным. Речь идет об эмис-
сии атомов с поверхности
металла при облучении ее
светом.
На первый взгляд, дейст-
вительно, ничего удивитель-
ного в этом процессе нет.
Хорошо известны такие све-
товые эффекты, как фотоде-
сорбция и фотоиспарение
посторонних атомов и моле-
кул с поверхности диэлект-
риков и полупроводников.
Чтобы понять особенность
обнаруженного явления,
нужно обратиться к истории
исследования действия света
на поверхность твердых тел.
Как световое
облучение
вызывает
десорбцию
Вообще, облучение по-
верхности приводит к раз-
личным движениям атомов1
на ней. Наиболее известное
1 В дальнейшем сказанное об атомах отно-
сится и к молекулам.
©AM Бонч-Бруевич. 1.А.Вартанян,
С.ГПржибельский, В.В.Хромов
Алексей Михайлович Бонч-Бруевич (второй слева), член-кор-
респондент РАН, начальник лаборатории фотофизич&ских
процессов ВНЦ “Государственный оптический институт
им.С.И.Вавилова”. Научные интересы ориентированы на
взаимодействие интенсивного излучения с веществом и ла-
зерную физику. Лауреат Государственной премии (19^4),
заслуженный деятель науки и техники.
Тигран Арменакович Вартанян (первый, слева), кандидат
физико-математических наук, ведущий научный сотруд-
ник той же лаборатории. Специалист в области теорети-
ческого описания нестационарных и нелинейных оптичес-
ких явлений на границах раздела фаз.
Сергей Григорьевич Пржибельский, кандидат физика мате-
матических наук, ведущий научный сотрудник той же
лаборатории Занимается теорией динамики квантовых
систем в интенсивных полях излучения.
Валерий Васильевич Хромов кандидат физико-математи-
ческих наук, ведущий научный сотрудник той же
лаборатории. Специализируется в области взаимодейст
вия интенсивного излучения i атомными и молекулярными
системами.Лауреат прочий им. академикаД.С.Рождествен-
ского (1995).
ПРИРОДА • № 1
2 0 0 0
31
ФИЗИКА
среди них — удаление с по-
верхности посторонних (ад-
сорбированных) атомов и
молекул, что выявляется про-
сто по увеличению давления
в замкнутой кювете с газом
при освещении ее стенок.
Стимулированный светом
сброс атомов с поверхности
вызывает и эффект отдачи,
который регистрировался
еще в классических опытах
П.Н.Лебедева: в первых его
экспериментах отдача отле-
тающих атомов намного пре-
вышала давление света.
Природа стимулирован-
ной светом десорбции дол-
гое время считалась тепло-
вой, т.е. предполагалось, что
поверхность нагревается в
результате поглощения све-
та, а это увеличивает ско-
рость тепловой десорбции.
Количественно такое увели-
чение выражается формулой
Аррениуса, определяющей
среднее время пребывания
атома на поверхности (ада-
тома) как
т=тоехр(Еа/^7Э-
Здесь То — период колеба-
ний адатома, отрыв которо-
го от поверхности требует
затраты энергии Еа, Т — тем-
пература поверхности, k —
постоянная Больцмана. Зна-
чения Ег различаются для хи-
мической и физической
форм адсорбции. В первом
случае адатом связывается с
поверхностью химическими
силами — ионными или ко-
валентными, что дает вели-
чину Еа порядка нескольких
эВ. Для физической формы
(при которой эти силы поля-
ризационные ван-дер-вааль-
совы) Еа порядка десятых до-
лей эВ. При комнатной тем-
пературе (kT=0.0$ эВ) и для
Еа=1 эВ время жизни адатома
на поверхности составляет
2-10|‘| периодов его колеба-
ний или 20 с(типичное зна-
чение То=1О-1-’ с). Увеличение
температуры на 10°С сокра-
тит время пребывания атома
на поверхности примерно в
три раза; во столько же раз
возрастет поток атомов с по-
верхности.
Новая точка зрения на ме-
ханизм стимулированной
светом десорбции появилась
в 30-е годы, после создания
квантовой механики. По ана-
логии с явлением фотодиссо-
циации молекул была пред-
сказана и обнаружена фото-
десорбция. В квантовом пред-
ставлении процесса фотоде-
сорбции поглощение фотона
вызывает возбуждение элек-
тронов, связывающих адатом
с атомами подложки (такое
образование называется ад-
комплексом), и затем это эле-
ктронное возбуждение ад-
комплекса передается посту-
пательному движению адато-
ма. Если переданная энергия
превышает Еа, возможна де-
сорбция, а если десорбция не
произошла, энергия фотона
преобразуется в движение
атома по поверхности и в ко-
нечном счете — в тепло.
Различие между тепловым
и квантовым механизмами
фотостимулированной де-
сорбции проявляется в ха-
рактере зависимости потока
слетающих атомов от интен-
сивности облучения I. При
тепловом эффекте поток
резко зависит от интенсив-
ности облучения, поскольку
время пребывания адатома
на поверхности меняется с
температурой экспоненци-
ально, а последняя пропор-
циональна I. Выход же фото-
десорбции зависит от интен-
сивности света линейно, по-
скольку он определяется
числом возбужденных ад-
комплексов и квантовой эф-
фективностью процесса.
Число фотодесорбирован-
ных атомов задают вероят-
ность процесса возбуждения
фотоном связи адатома с под-
ложкой и скорость диссипа-
ции энергии этого возбужде-
ния в объеме твердого тела.
Очевидно, если возбуждение
уходит в подложку быстрее,
чем оно передается движению
адатома, фотодесорбция ока-
жется маловероятным процес-
сом. Механизмы этого ухода
различны для разных систем и
будут обсуждаться ниже.
Свет возбуждает адкомп-
лексы так же, как молекулы.
На поверхности диэлектрика
электронная связь адатома
возбуждается непосредст-
венно, что сопровождается
перераспределением элек-
тронной плотности в ад-
комплексе. В полупроводни-
ке возможно возбуждение
светом электронов и дырок,
которые, мигрируя к поверх-
ности, могут связаться ад-
комплексом, переводя уже
его в возбужденное состоя-
ние. Вероятности образова-
ния указанных видов воз-
буждений достаточно вели-
ки, чтобы обеспечить замет-
ную фотодесорбцию с по-
верхностей диэлектриков и
полупроводников.
Иначе свет воздействует
на электронную связь адато-
ма с металлической поверх-
ностью. В металле электроны
сильно делокализованы, они
как бы размазаны по всему
объему металла, и поэтому
поглощение фотона не со-
провождается заметным пе-
рераспределением заряда
вблизи адатома. Это значит,
что вероятность возбужде-
ния светом электронной свя-
зи адатома с металлом мала
по отношению к диэлектри-
кам и полупроводникам.
Другая существенная осо-
бенность, подавляющая фо-
тодесорбцию с металла, свя-
зана с диссипацией возбуж-
дения. Из-за быстрого пере-
носа зарядов в металле элек-
тронное возбуждение, даже
будучи как-то локализовано
на адкомплексе, скоро рассе-
ивается с образованием в
объеме “горячего”электрона
и дырки, энергия которых в
конце концов превращается
в тепло. Типичные времена
жизни электронных возбуж-
дений в объеме металла, оп-
32
ПРИРОДА * № 1 • 2000
ФИЗИКА
ределяемые переносом заря-
да, составляют т’=1016—
10" с, что много меньше пе-
риодов колебаний адатома
то=10" с. Таким образом,
энергия возбуждения в ад-
комплексе расходуется
прежде, чем адатом успевает
сдвинуться и приобрести
энергию, требуемую для раз-
рыва связи с подложкой. За-
тухание возбуждения описы-
вается экспоненциальным
законом, так что в вероят-
ность процесса входит со-
множитель ехр(-ТоЛ’)
10-40— 1 0-400, т.е. фотодесорб-
ция адатомов с металла как
будто не осуществима.
Однако в 50-е годы было
обнаружено, что бомбарди-
ровка металлических стенок
вакуумной камеры электро-
нами с энергией 10—1000 эВ
приводит к ухудшению ваку-
ума из-за стимулирован-
ной ударами десорбции
‘покрытий стенок. В 60-е го-
ды Д.Мензел объяснил дан-
ный процесс ударным воз-
буждением электронов внут-
ренних оболочек атомов ад-
комплекса. На этих оболоч-
ках электроны хорошо лока-
лизованы, и диссипация их
возбуждения определяется
не транспортными свойства-
ми почти свободных элек-
тронов металла, а другими
процессами.
В модели Мензела —Гоме-
ра—Рэдхеда (МГР), назван-
ной по именам ее авторов,
возбуждение адкомплекса
описывается как переход
между термами разных элек-
тронных (часто ионных) со-
стояний адкомплекса2. При
таких переходах энергия пе-
редается как поступательно-
му движению атомов адкомп-
лекса, так и электронам в
- объеме металла. За время ре-
лаксации возбуждения адато-
мы успевают получить энер-
гию, достаточную для де-
сорбции.
'Menzel D., Gomer R.//J. Chem.
Phys. 1964. V.41. Р.3311; R е a d h е a d Р.А.
// Can. J. Phys. 1964. V.42. P.886.
Последующие исследова-
ния десорбции атомов с ме-
талла, вызванной действием
рентгеновских квантов, под-
твердили эти модельные
представления. Так, было ус-
тановлено, что поток фото-
десорбированных атомов
резко спадает с уменьшени-
ем энергии кванта и исчеза-
ет при энергиях, меньших
10 — 20 эВ, несмотря на то,
что энергия адсорбции при-
мерно на порядок меньше.
Таким образом, сложилось
мнение, что излучение, не
возбуждающее внутренних
оболочек адсорбированных
атомов, в частности видимый
свет, не вызывает заметного
движения адатомов на по-
верхности металлов. Наблю-
давшиеся случаи десорбции
с металлов объяснялись либо
нагревом поверхности излу-
чением и термодесорбцией,
либо фотодесорбцией с мак-
роскопических дефектов по-
верхности, в частности с
окисленных или загрязнен-
ных участков.
Итак, казавшееся очевид-
ным явление фотодесорб-
ции чужеродных атомов с
металла при ближайшем
рассмотрении становилось
все более невероятным. И
тем не менее это невероят-
ное явление было обнаруже-
но в 80-х годах в двух экспе-
риментах при совершенно
различных условиях.
Новые явления
в старых одеждах
В одном из эксперимен-
тов фотодесорбция была об-
наружена в системе молекул
NO, адсорбированных на по-
верхности платины. Не оста-
навливаясь на деталях иссле-
дования4, отметим,что меха-
низм этого процесса подо-
бен механизму фотодесорб-
ции с поверхности полупро-
' Buntin A., Richter L.J.,
Cavanagh R.R., King D.S. //Phys.
Rev. Lett 1988. V.61. P. 1321.
водников. Именно поглоще-
ние фотонов с энергией 1—3
эВ вызывает возбуждение
электронов в приповерхно-
стной области металла, где
они, диффундируя к поверх-
ности, могут прилипнуть к
адсорбированной молекуле
и образовать возбужденный
адкомплекс. Безызлучатель-
ное снятие возбуждения по-
следнего приводит к десорб-
ции молекулы.
Следует отметить, что
здесь протекание “невоз-
можного” процесса обеспе-
чивается специфическим
свойством адсорбированной
молекулы: ее основное со-
стояние электронно-донор-
ное, а возбужденное может
быть акцепторным.
А вот другое подобное яв-
ление — фотодесорбция ато-
мов с металла, которому и
посвящена эта статья, — ка-
жется совершенно невероят-
ным в свете вышеизложенно-
го. В 1984 г. была обнаруже-
на фотодесорбция атомов Na
с поверхности чистого ме-
таллического натрия4.
Подчеркнем,что в отличие
от всех обсуждавшихся ранее
случаев фотодесорбции чуже-
родных для поверхности ме-
талла атомов или молекул
здесь речь идет о фотоотрыве
собственного атома металли-
ческой поверхности. Этот
процесс, который по анало-
гии с известной фотоэлек-
тронной эмиссией может
быть назван фотоатомной
эмиссией, наблюдался впос-
ледствии разными исследова-
телями на различных объек-
тах. Сейчас подобный фото-
эффект выявлен у всех щелоч-
ных металлов, а также у сере-
бра, золота и алюминия4. Вме-
сте с тем экспериментального
материала пока явно не до-
статочно, чтобы обнаружен-
'Абрамова И.Н., Александ-
ров Е.В., Бонч-Бруевич А.М.,
Хромов В.В. //Письма в ЖЭТФ. 1984.
Т.39. №4. С. 172.
'Lee I.. Callcott Т А., Araka-
wa Е.Т. //Phys.Rev.В. 1993.V.B47.Р.6661.
3 ПРИРОДА • № 1 • 2000
33
ФИЗИКА
Рис.1. Принцип наблюдения фотоатомной эмис-
сии. Пленка металлического натрия формирова-
лась на сапфировой подложке путем вакуумного
осаждения атомов натрия (синие шарики) из га-
зовой фазы. Фотоатомная эмиссия возбуждалась
действием импульсного излучения второй гармо-
ники неодимового лазера на длине волны к=532
нм (зеленый луч). Оторвавшиеся от металличес-
кой поверхности атомы регистрировались на
расстоянии порядка 10 см от нее методом лазер-
но-индуцированной флуоресценции. Непрерывное
излучение лазера на красителе на длине волны Х=
-589 нм (желтый луч) резонансно возбуждало од-
ну из компонент желтого дублета натрия. Спон-
танное излучение возбужденного атома (красный
шарик большего диаметра) регистрировалось под
прямым углом к лучу желтого лазера. Зависи-
мость величины регистрируемого сигнала от вре-
мени, прошедшего с момента прихода на поверх-
ность зеленого лазерного импульса, позволяет не-
посредственно оценить распределение отлетев-
ших атомов по скоростям.
ный феномен получил исчер-
пывающее описание.
Мы изложим здесь основ-
ные закономерности явле-
ния, основываясь главным
образом на результатах сво-
их собственных работ6.
Прежде всего отметим,
что экспериментальные ис-
следования фотоотрыва ато-
мов проводятся в сверхвысо-
ковакуумных камерах (с от-
качкой до 10’—10'" тор),
внутри которых пленку мож-
но напылять непосредствен-
но перед экспериментом. В
большинстве опытов мы ра-
ботали с пленками поликри-
сталлического металличес-
кого натрия; для последних
получены наиболее надеж-
ные и детальные результаты.
Исследованы пленки разного
вида: островковые на диэлек-
трической подложке (из
кварца, фтористого лития,
сапфира) с диаметром ост-
ровков 10—100 нм и сплош-
ные слои толщиной 100—200
мкм на диэлектрической или
металлической подложках.
Фотоотрыв атомов вызывал-
ся импульсным или непре-
рывным излучением лазера
либо мощной лампы в види-
мой и УФ-областях спектра.
Слетавшие с пленки атомы
регистрировались либо с по-
мощью их ионизации с по-
следующим детектированием
ионов7, либо методами аб-
сорбционной или флуорес-
центной спектроскопии с-
использованием непрерыв-
ного лазерного излучения на
частоте, резонансно отвеча-
ющей электронному перехо-
ду в атоме натрия. В послед-
нем методе мы достигли ре-
кордной чувствительности —
удавалось регистрировать
6 См. сноску 4, а также Бонч-Бруе-
вич А.М., Вартанян T.A., Мак-
симов Ю.Н. и др. Ц ЖЭТФ. 1990.
Т.97. Вып.6. С.1761; Бонч-Бруевич
А.М., Вартанян Т.А., Пржн-
бельский С.Г., Хромов В.В.//
Успехи физ. наук 1998. Т.168. Вып.8. G4.
’Hoheisel W., Jungmann К.,
Vollmer М. et al.// Phys. Rev. Lett
1988.V.60. №16. P.1649.
34
ПРИРОДА
№ 1
2000
ФИЗИКА
101 — 104 атомов/см’ с времен-
ным разрешением порядка
-1 мкс (рис.1). Отметим, что
во всех вариантах экспери-
мента аппаратура помимо
всего прочего позволяла
контролировать и энергети-
ческое распределение отле-
тающих от поверхности ато-
мов. Для этого измерялось
время их пролета между по-
верхностью и областью ре-
гистрации при импульсном
возбуждении фотодесорбции
(получался так называемый
времяпролетный спектр де-
сорбирующихся частиц).
Мы установили, что в диа-
пазоне мощности воздейст-
вующего излучения 102—105
Вт/см2 поток фотодесорби-
рованных атомов линейно
зависит от интенсивности
излучения. Квантовый выход
процесса фотоотрыва ока-
зался очень малым и для раз-
ных видов пленок находился
в пределах 10~7—10''° ато-
мов/фотон. Оба эти факта
свидетельствуют о несущест-
венности термического ис-
парения, для которого, напо-
минаем, зависимость от ин-
тенсивности должна быть
экспоненциальной.
Спектр действия излуче-
ния, т.е. зависимость числа
оторванных атомов от длины
волны света, определяется в
основном оптическими ха-
рактеристиками пленок, а
точнее — тем, как меняется с
длиной волны величина элек-
трического поля световой
волны на поверхности метал-
ла. Последняя определяется в
свою очередь отражательной
способностью и электрон-
ным строением металличес-
ких поверхностей. Действие
света резко возрастает при
приближении его частоты к
частотам коллективных коле-
баний электронов металла. В
спектрах действия обнаружи-
ваются резонансы, связанные
с возбуждением поверхност-
ных плазмонных колебаний в
островковой пленке металла
или на шероховатостях
Рис.2. Примеры различных дефектов на поверхнос-
ти. При температурах выше 35 К натрий кристал-
лизуется в объемноцентрированную кубическую ре-
шетку. На рисунке представлены три слоя атомов
натрия, параллельных наиболее плотно упакован-
ной плоскости (110). Два слоя (зеленые и синие ша-
рики) упакованы полностью, последний же слой
(желтые шарики) содержит различные типы де-
фектов. Цифрой 1 обозначен изолированный атом,
находящийся на плоском участке поверхности. Та-
кой атом обладает самой низкой энергией связи с
поверхностью, он наиболее вероятный кандидат
на участие в процессе фотоатомной эмиссии. Уча-
стие изолированного атома вблизи ступени (2)
также не противоречит экспериментальным дан-
ным. В то же время угловой атом (3) на подобную
роль претендовать не может, потому что после
его отрыва на поверхности останется точно та-
кой же угловой атом (4), что противоречит на-
блюдавшемуся процессу “сполировывания” дефек-
тов. Как пример более сложного образования пока-
зана пара атомов на плоском участке поверхности
(5); возможно, что именно такие дефекты ответ-
ственны за процессы отрыва молекул, наблюдавши-
еся немецкими учеными.
3* ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
35
ФИЗИКА
сплошной пленки. Вместе с
тем мы убедились, что фото-
отрыв не связан с поглоще-
нием света в объеме металла.
Ключевыми для понима-
ния природы наблюдавшего-
ся явления стали два опыта.
В первом была определена
зависимость числа оторван-
ных атомов от температуры
подложки. Оказалось, что
эта зависимость носит
активационный характер:
ехр(-Е/А?7Э с Е=0.1 эВ. Во
втором опыте была обнару-
жена деградация эмиссии с
поверхности пленки, когда
пленка не медленно, как ра-
нее, а быстро, в течение не-
скольких секунд, охлажда-
лась от комнатной до темпе-
ратуры жидкого азота. Число
атомов, слетающих с быстро
охлажденной поверхности,
не соответствовало темпера-
турной зависимости, полу-
ченной для медленного ох-
лаждения. Под действием
первых нескольких импуль-
сов лазерного излучения де-
сорбировалось то же число
атомов, что и при комнатной
температуре. Однако при
действии большого числа
последовательных лазерных
импульсов на один и тот же
участок поверхности число
слетающих атомов монотон-
но уменьшалось, приближа-
ясь к величине, соответству-
ющей указанной выше тем-
пературной зависимости.
Истолкование
наблюдений:
"чужой среди
своих"
Результаты обоих экспери-
ментов указывают: чем неиде-
альнее поверхность, тем ин-
тенсивнее фотоэмиссия ато-
мов с нее. Особенно ярко это
проявилось при сравнении
фотодесорбции с островко-
вой пленки и с гладкой
сплошной, полученной плав-
лением и последующей крис-
таллизацией металла. Поэто-
му естественно предполо-
жить, что происходит фото-
отрыв лишь тех атомов, кото-
рые находятся в структурно-
дефектных состояниях. А по-
степенное уменьшение эмис-
сии атомов с быстро охлаж-
денной пленки во втором
опыте объясняется так: ато-
мы, “замороженные” при быс-
тром охлаждении в случай-
ных местах, фотоде-
сорбируются, поверхность
при этом “полируется”, и сиг-
нал фотодесорбции падает.
При этом, разумеется, атомы
общего положения, т.е. обра-
зующие регулярную структуру
поверхности металла и имею-
щие большую энергию связи,
не могут быть “оторваны” оп-
тическим излучением по при-
чинам, изложенным выше.
Энергия образования
структурных дефектов с уче-
том энтропийного фактора
равна 2Е=0.2 эВ. При таком
значении Е в условиях тер-
модинамического равнове-
сия поверхностная концент-
рация дефектов при комнат-
ной температуре составляет
10” см-2. Что именно пред-
ставляют собой структурные
дефекты, пока не ясно. По-
скольку десорбируемые ато-
мы слабее привязаны к по-
верхности, чем атомы обще-
го положения, они могут
быть одиночными, находя-
щимися вблизи ступеней или
на плоских участках поверх-
ности (рис. 2).
То, что на чистой поверх-
ности имеются своеобраз-
ные, как бы адсорбирован-
ные, атомы — не чужерод-
ные, а собственного метал-
ла, — еще не объясняет, по-
чему оказалась возможной
фотодесорбция. Ведь и ада-
томы не могут фотодесорби-
роваться из-за сильней де-
локализации электронов по-
верхности металла. Чтобы
выяснить, как это происхо-
дит, было проведено специ-
альное исследование заря-
дового состояния адатомов
при помощи фотоэмиссии
электронов с поверхности
пленок.
Было показано, что если
число структурных дефектов
возрастает выше равновесно-
го (за счет напыления атомов
на охлажденную до азотной
температуры металлическую
пленку), то происходит не
только заметное усиление
атомной эмиссии, но и уве-
личение как квантового вы-
хода электронной эмиссии,
так и работы выхода электро-
нов металла с 2.31 до 2.36 эВ.
Возрастание работы вы-
хода указывает на изменение
зарядового состояния по-
верхности при напылении,а
именно на то, что структур-
ные дефекты образуют двой-
ной электрический слой на
поверхности. По оценкам ве-
личина заряда элементарно-
го диполя этого слоя состав-
ляет 0.03 в, где е — заряд эле-
ктрона. Таким образом, в от-
личие от атомов общего по-
ложения на поверхности ос-
новное состояние структур-
но-дефектных атомов, спо-
собных фотодесорбировать-
ся, имеет ионный характер.
При этом электрон заметно
локализуется на структурно-
дефектном атоме, который
может рассматриваться те-
перь действительно как ада-
том — “чужой среди своих”.
Интересно отметить
структурное отличие между
адкомплексами в случае Na и
в системе NO на Pt. У адато-
ма Na происходит локализа-
ция электрона в основном
состоянии и, вероятно, дело-
кализация при его возбужде-
нии, тогда как у адмолекулы
NO происходит обратное.
Кинетика
процесса
фотоатомной
эмиссии
Как мы выяснили выше,
локализация электрона на
адатоме необходима, но не-
достаточна для реализации
эд
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ФИЗИКА
фотодесорбции с поверхнос-
ти металла. Существенную
роль играет еще и релакса-
ция возбуждения. Для опре-
деления релаксационных па-
раметров процесса фото-
эмиссии были исследованы
кинетические характеристи-
ки потока покинувших по-
верхность атомов — зарегис-
трирован времяпролетный
спектр атомов, десорбиро-
ванных под действием корот-
кого (10 нс) импульса излу-
чения второй гармоники не-
одимового лазера (рис.З). В
этом спектре есть несколько
удивительных особенностей.
Во-первых, наиболее ве-
роятная энергия отлетевших
атомов (0.2 эВ) составляет
малую долю от 1.3 эВ — раз-
ницы между энергией фото-
на 2.34 эВ и энергией связи
адатома с поверхностью ме-
талла 1.04 эВ. Атом получил
лишь малую долю этой раз-
ницы, а большая часть энер-
гии досталась подложке. По-
добное обстоятельство ха-
рактерно для всех фотопро-
цессов на поверхности —
фотодесорбции, фотодиссо-
циации молекул, фотодиф-
фузии, в которых всегда ос-
новная энергия воздейству-
ющего фактора (электрона
или фотона) передается под-
ложке. Это отличает фото-
процессы на поверхности от
аналогичных в газовой фазе,
где распределение энергии
между фрагментами распав-
шейся системы определяется
просто законом сохранения
импульса.
Во-вторых, времяпролет-
ный спектр отчасти под-
тверждает наличие максвел-
ловского распределения ато-
мов по скоростям. В области
малых времен пролета (быст-
рые атомы) можно обнару-
жить точное совпадение со
спектром, соответствующим
максвелловскому при эффек-
тивной температуре потока
700 К. Заметим, что темпера-
тура поверхности в экспери-
ментах менялась от 79 К до
Рис.З. Экспериментальный времяпролетный спектр (кривая 1).
Он может быть аппроксимирован произведением времяпро-
летного спектра, соответствующего мгновенному тепловому
источнику с эффективной температурой 700К (кривая 2), и
релаксационного фактора (кривая 3), который учитывает
время жизни возбужденного состояния. Для того чтобы все
три графика поместились на одном рисунке, амплитуда теп-
лового спектра уменьшена в восемь раз.
300 К, и это никак не влияло
на форму времяпролетных
спектров. Как и каким обра-
зом в процессе фотодесорб-
ции, длительность которого
составляет не больше 101' с,
формируется максвелловское
распределение атомов по ско-
ростям отлета и чем опреде-
ляется его температура —
очень любопытный вопрос,
требующий специального
рассмотрения, но здесь мы не
можем на нем остановиться.
Третий интересный мо-
мент — форма времяпролет-
ного спектра в области дли-
тельного времени пролета
(медленные атомы). Здесь
спектр резко не соответству-
ет равновесному максвел-
ловскому распределению, но
хорошо описывается также
максвелловским, только мо-
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
37
ФИЗИКА
дифицированным с учетом
затухания возбуждений, вре-
мя жизни которых мало по
сравнению с временем отле-
та атома. Время жизни быст-
ро растет по мере удаления
атомов от поверхности:
х=х’ехр(х/а),
где т* — время жизни возбуж-
дения на поверхности, а —
характерный размер области,
где заметны силы взаимодей-
ствия атома с поверхностью.
Из-за того, что квантовый вы-
ход фотоотрыва также экспо-
ненциально зависит от време-
ни пребывания десорбируе-
мого атома в области дейст-
вия поверхностного потенци-
ала (которое в свою очередь
обратно пропорционально
скорости атома), времяпро-
летный спектр имеет вид:
5(Г) = Г’1ехр(-пг/2/2йТ^2)-
•ехр(-?а/т'/),
где S(t) — временная зависи-
мость сигнала флуоресцен-
ции фотодесорбированных
атомов, т — масса атома Na, I
— расстояние между метал-
лической поверхностью и
местом регистрации. В этом
спектре доля медленно отле-
тающих атомов мала по срав-
нению с долей в соответству-
ющем максвелловском спект-
ре, так что при эффективной
температуре отлетающего
потока 700 К наиболее веро-
ятная энергия равна 0.2 эВ.
Наилучшее согласие рассчи-
танного и экспериментально
полученного спектров дости-
гается при а=\ А и т’= 3’Ю'И с
(рис.З). Последняя величина
заметно больше времени за-
тухания электронного воз-
буждения в объеме металла.
Именно это “длинное” время
жизни адатома в возбужден-
ном состоянии и есть причи-
на фотоэмиссии — здесь та
малая величина ехр(-т0/т’),
которая упоминалась выше,
оказалась равной ехр(-З), т.е.
не такой уж и малой.
Для полноты сведений о
кинетике фотоатомной эмис-
сии следует упомянуть, что в
работах группы немецких
ученых из Кассельского уни-
верситета был определен вид
времяпролетного спектра
при разных длинах волн воз-
буждающего излучения. Было
обнаружено, что в УФ-облас-
ти спектра (третья гармоника
излучения неодимового лазе-
ра) вид спектра существенно
меняется — он приобретает
бимодальный характер". От
поверхности под действием
импульса такого излучения
отлетают атомы с двумя наи-
более вероятными значения-
ми энергии 0.2 и 0.32 эВ. Кро-
ме того, наблюдался и фото-
стимулированный слет не
только отдельных атомов, но
и молекул натрия, причем в
заметных, вполне измеримых
количествах9. Геттингенская
группа10 сообщала о регист-
рации очень медленных фо-
тодесорбированных атомов.
Все это явно свидетельствует
о многообразии процессов,
протекающих на поверхнос-
ти металла под действием оп-
тического излучения.
Возможный
сценарий
фотоатомной
эмиссии
Сейчас нет сколько-ни-
будь развитого теоретичес-
кого описания фотоатомной
эмиссии — слишком сложны
соответствующие процессы
и многообразны пути ее реа-
лизации, да и знаем мы о та-
кой сложной системе, как ад-
комплекс, о ее динамике, не-
достаточно. Однако экспери-
ментальные результаты поз-
воляют дать качественную
трактовку этого явления, ес-
ли основываться на модели
термов с учетом релаксации
движения адатома (рис.4).
"Gotz T., Bergt M., Hoheisel W.
et al//Appl Phys. А 1996. V.63. Р.315.
’ Viereck J., Stuke M.,
Trager F. // Ibid. 1997. V.64. P.149.
Balzer F., Gerlach R.,
Manson J.R., Rubahn H.-G. //
J. Chem. Phys. 1997. V.106, №19. P.7995.
Энергия поглощенного
фотона перераспределяется
по различным степеням сво-
боды адкомплекса уже в про-
цессе его возбуждения. По-
скольку энергетический
спектр отлетающих от по-
верхности атомов удовле-
творительно аппроксимиру-
ется максвелловским, де-
формирующимся по мере от-
лета, то процесс фотоотрыва
можно представить себе сле-
дующим образом. Адатом по-
сле перехода на возбужден-
ный терм и релаксации его
энергии начинает двигаться
прочь от поверхности ме-
талла. Безызлучательный
процесс, связанный вероят-
нее всего с возбуждением в
объеме металла плазмонных
мод или с рождением элек-
тронно-дырочных пар, пере-
водит адкомплекс за время
З-Ю14 с из возбужденного
состояния в основное, так
что десорбируются лишь те
атомы, которые за указанное
время успевают покинуть об-
ласть поверхностного при-
тяжения.
Рассчитанное по экспери-
ментальным данным сечение
процесса фотоотрыва атомов
составляет 1О-23 см2. Если
считать, что сечение первич-
ного акта поглощения фото-
на порядка IO-16—10'17 см2
(что типично для молекуляр-
ного поглощения), а малость
сечения фотоотрыва опреде-
ляется лишь диссипацией
электронного возбуждения
вблизи поверхности, то
оценка расстояния от по-
верхности, на котором про-
исходит снятие возбуждения,
дает разумную величину 2—4
А. “Перегрев” потока атомов
по сравнению с температу-
рой подложки объясняется
переходом части энергии
электронного возбуждения
адкомплекса в кинетическую
энергию отлета атомов.
За рамками данной ин-
терпретации остаются во-
просы о роли переноса заря-
да и применимости модели
38 ПРИРОДА* №1*2000
Рис.4- Вид потенциальных кривых взаимодействия структур-
ного дефекта с повехностью металла. Поглощение фотона
таким дефектом измененяет локализованное на нем элек-
тронное состояние и равновесные положения дефектного ато-
ма и его соседей. Потенциальная энергия взаимодействия зави-
сит от координат ядер всех этих атомов. На рисунке условно
изображена ее зависимость только от расстояния R между де-
фектным атомом и поверхностью: U, — для невозбужденной
системы (минимум соответствует равновесному положению
дефектного атома Ro); U2 - в новом электронном состоянии
после поглощения фотона (в конфигурации Ro на атомы дейст-
вуют силы, стремящиеся переместить их к новым положениям
равновесия). В результате энергия фотона преобразуется в
кинетическую энергию движения атомов. Волнистыми линия-
ми обозначено снятие электронного возбуждения, вероят-
ность которого убывает по мере удаления атома от поверхно-
сти. Только тем атомам, которые обладают достаточно боль-
шой скоростью, удается преодолеть эту область (R,) и, испы-
тав в области R? не адиабатический переход в невозбужденное
электронное состояние, покинуть поверхность.
термов. Однако в пользу из-
ложенного подхода говорит
согласие оценок параметров
процесса и данных экспери-
ментов. Дальнейшее иссле-
дование этого явления пред-
ставляется весьма актуаль-
ным не только в связи с его
важностью для понимания
физики поверхности метал-
ла, но и с возможными пер-
спективами его практичес-
кого использования.
Предварительные
итоги
Подведем некоторые ито-
ги. Во-первых, в 1984 г. было
обнаружено новое физичес-
кое явление, которое по ана-
логии с фотоэлектронной
эмиссией металлов можно
назвать фотоатомной эмис-
сией — это нетепловое испа-
рение поверхностных ато-
мов металла под действием
оптического излучения. Хо-
тя свет действует таким об-
разом не на все атомы метал-
ла, а только на структурно-
дефектные, при конечной
температуре, когда на по-
верхности достигается тер-
модинамически равновесная
концентрация дефектов,
длительное воздействие све-
та может приводить к макро-
скопической деградации по-
верхности — образованию
на ней заметных углублений,
полному фотоиспарению ос-
вещенных участков остров-
ковой пленки, сужению рас-
пределения ее кластеров по
размерам и т.д. Все это уже
было продемонстрировано
экспериментально.
Во-вторых, установлено
существование относительно
долгоживущих (по сравне-
нию с объемными) электрон-
ных возбужденных состоя-
ний на поверхности металла.
Ответственно ли за их появ-
ление перераспределение ло-
кальной электронной плот-
ности в окрестности дефекта,
или же важнее кинетика пе-
реноса заряда из объема ме-
талла на дефект — пока не яс-
но. Так или иначе, но сущест-
вование данных возбуждений
экспериментально доказано
и сомнению не подвергается.
Наконец, последнее. До
сих пор считалось, что струк-
турные дефекты отличаются
друг от друга своим располо-
жением на поверхности и
степенью их “привязаннос-
ти” к ней (энергией связи).
Проведенные эксперименты
убедительно доказывают: де-
фекты различаются также и
своими электронными свой-
ствами — они слегка заряже-
ны, их основные и возбуж-
денные состояния частично
локализованы, их можно се-
лективно возбуждать оптиче-
ским излучением. Очевидно,
что дефекты различного типа
(одиночные атомы на терра-
сах, у ступеней, двойники в
различных положениях и
т.д.) обладают различными
свойствами такого рода, что
позволяет в принципе ис-
пользовать оптическое воз-
буждение как для диагности-
ки дефектов различных ти-
пов, так и в качестве эффек-
тивного средства изменения
строения поверхности. Не
исключено, что в недалеком
будущем может возникнуть
спектроскопия поверхност-
ных дефектов, наподобие
той, что уже существует в
спектроскопии твердого тела
для дефектов объемных.
Работа поддерживается
Российским фондом фун-
даментальных исследова-
ний (проект 99-02-18047)
и Государственной про-
граммой “Актуальные на-
правления в физике кон-
денсированных сред —
Поверхностные атомные
стукртуры”.и
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
39
ОХРАНА ПРИРОДЫ
Кианги
3
'J
$0
и другие
обитатели Тибета
Н.В.Паклина, К.ван Орден
Тибетское нагорье, кото-
рое часто называют
“крышей мира", раски-
нулось почти на 2 млн км2. С
севера оно ограничено хреб-
том Кунь-Лунь, с юга — Гима-
лайским хребтом с его высо-
чайшими в мире (более 8
тыс. м над ур.м.) вершинами.
Большая часть Тибетского
нагорья лежит на террито-
рии Китая, и лишь немного
на западе и на юге оно захо-
дит на территорию Индии.
Долгое время Тибет
оставался закрытым, и посе-
щение его было сопряжено
не только с трудностями, но
и с серьезными опасностями.
Тибетские ламы не хотели
пускать иноземцев в свою
“страну религий”. На какие
только ухищрения не прихо-
дилось идти исследователям,
чтобы проникнуть в загадоч-
ный Тибет и увидеть его ле-
гендарную столицу Лхасу.
Францисканец Одорик из
Порденона, уроженец Ита-
лии, попал в Лхасу в 1325 —
1326 гг. в качестве миссионе-
ра из Восточного Китая. В то
время он был первым евро-
пейцем, видевшим и описав-
шим этот город. Английский
исследователь Уильям Мур-
крофт прошел в Тибет в 1812
г., выдав себя за кашмирского
© Н.В.Паклина, К.ван Орден
Наталья Владимировна Паклина млад-
ший научный сотрудник Института
проблем экологии и эволюции
им. А.Н.Север нова. Область научных ин
тересов — поведение и экология юшв
дей. охрана природы, реинтродукция
животных.
Кристиан ван Орден, доктор фило-
Софии, сотрудник депарпга чента ох
раны' природы провинции Южная
Голландия (Нидерланды). Область
научных интересов — философия,
этнография, экология, охрана при-
роды. орнитология.
40
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ОХРАНА ПРИРОДЫ
торговца, скупающего
шерсть. Прекрасно владея
языком кашмирцев, Мур-
крофт был принят местными
торговцами в свою среду и
смог в течение нескольких
лет путешествовать по Тибе-
ту. Однажды, во время оче-
редного путешествия, он был
убит разбойниками. С раз-
бойничьими повадками коче-
вого населения Северного
Тибета сталкивались и мно-
гие другие исследователи.
Французский путешествен-
ник, географ Дютрейль де
Ренс был убит в перестрелке.
И отряду Н.М.Пржевальского
порой приходилось прокла-
дывать себе дорогу с оружи-
ем в руках. Знаменитый путе-
шественник неоднократно
пытался посетить Лхасу, но
каждый раз сталкивался с не-
преодолимыми препятствия-
ми. Этот город так и остался
несбывшейся мечтой велико-
го исследователя Централь-
ной Азии. Вслед за ним в
1899 г. по заданию Русского
географического общества в
Тибет отправился другой рус-
ский ученый — Г.Ц.Цыбиков.
Чтобы попасть в столицу Ти-
бета, ему пришлось пере-
одеться буддистом-паломни-
ком, идущим на поклонение
лхасским святыням.
Только с 1988 г. Тибет был
официально открыт для по-
сещения иностранцами. И
хотя сейчас, чтобы попасть
туда, уже нет необходимости
переодеваться в купца или
паломника, запасаться ору-
жием, снаряжать караван из
десятков вьючных лошадей и
верблюдов, как это было век
назад, путешествие по Тибе-
ту легким не назовешь.
На путешественников, ко-
торым посчастливилось по-
бывать в Тибете в конце про-
шлого и начале нынешнего
века, сильнейшее впечатле-
ние произвело баснословное
обилие диких животных, до-
верчиво подпускавших к се-
бе человека. Пржевальскому
казалось, что он попал в пер-
вобытный рай, “где человек
и животные еще не знали зла
и греха”. Антилопы спокой-
но паслись и резвились по
сторонам или перебегали
дорогу каравану, а дикие яки,
отдыхавшие после подкорм-
ки, не трудились вставать.
Даже самым страстным охот-
никам из его отряда быстро
наскучило преследовать жи-
вотных, которые не пыта-
лись ни скрыться, ни защи-
титься. Среди травоядных
животных Тибета — длинно-
рогих красавиц антилоп
оронго и быстроногих газе-
лей, величественных яков и
голубых баранов — самым
замечательным Пржеваль-
ский считал кианга, который
отличался от остальных зве-
рей не только красотой и
грацией, но и большой лю-
бознательностью.
Кианг (Equus bemionus
kiang) — один из представи-
телей рода настоящих лоша-
дей, обитающий только в Ти-
бете. Его называют по-раз-
ному: джан — тангуты, хулан
— монголы. Муркрофт, пер-
вый описавший кианга уче-
ный, чье имя входит в совре-
менное определение кианга,
называл его дикой лошадью
(wild horse), а Пржевальский
— хуланом, или диким ослом
(Asinus kiang). Сейчас по-ан-
глийски его чаще всего на-
зывают tibetan wild ass — ти-
бетский дикий осел. Но,
строго говоря, кианги стоят
гораздо ближе к настоящим
лошадям, чем к ослам, хотя
по особенностям строения
заметно отличаются и от тех
и от других. Поэтому кианг и
его ближайшие родственни-
ки, живущие поныне (мон-
гольский кулан, или джиге-
тай, индийский кулан, или
кхур, и туркменский кулан,
он же онагр), а также вымер-
шие, иногда объединяются
систематиками в особый
подрод так называемых по-
луослов (Hemionus). Однако
дискуссии вокруг системати-
ческого положения кианга
На какие только
ухищрения не
приходилось
идти
исследователям,
чтобы
проникнуть в
загадочный
Тибет.
все еще продолжаются. И это
не единственное белое пят-
но в изучении кианга. Очень
мало сведений о его распро-
странении. Известно было,
что основная часть популя-
ции кианга обитает где-то в
Тибете. Сезонные заходы
этих животных отмечаются в
Ладакхе и Сиккиме. По ре-
зультатам исследований,
проведенных в 1994 г., попу-
ляция киангов в Северном
Сиккиме состоит примерно
из 120 особей1. Нет данных о
численности киангов в Ла-
дакхе и Тибете2. Почему же
получилось так, что один из
прекраснейших представи-
телей млекопитающих ока-
зался обделен вниманием
ученых?
Одна из основных причин
недостатка знаний о кианге
— это то, что он обитает в
основном в очень удален-
ных, труднодоступных и ма-
лонаселенных районах. Вы-
разительную характеристику
Тибету, позволяющую живо
представить себе террито-
рию, о которой идет речь,
дал Пржевальский:. “Резко
'Shah N . V. Status survey of southern
kiang (Equus kiang polyodon) in Northern
Sikkim 11 Newsletter of the Equid Specialist
Group, SSC,IUCN-Word Conservation Union.
1995. V.2. №10. P.1—2.
-Sharma B.D. High altitude wildlife of
India. New Delhi, 199-1; Gurung K.K.,
Raj singh DA. Field Guide to the
Mammals of the Indian. San Diego, USA. 1996.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
41
ОХРАНА ПРИРОДЫ
В тибетской палатке.
Здесь и далее фото авторов
42
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ОХРАНА ПРИРОДЫ
Тибетские газели — верные
спутники кианга на Тибет-
ском нагорье.
Голубой баран.
Стадо яков. К спине одного из
них прикреплены ветки с при-
вязанными к ним молитвен-
ными флажками. Тибетцы ве-
рят, что это защитит их от
неприятностей во время тя-
желых переходов с летних
пастбищ на зимние.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
43
ОХРАНА ПРИРОДЫ
4
2
а
•4
s$
ограниченная со всех сто-
рон первостепенными гор-
ными хребтами, названная
страна представляет собою,
в форме неправильной тра-
пеции, грандиозную, нигде
более на земном шаре в та-
ких размерах не повторяю-
щуюся, столовидную массу,
поднятую над уровнем моря,
за исключением лишь не-
многих окраин, на страшную
высоту от 13 до 15 тыс. фу-
тов. И на этом гигантском
пьедестале громоздятся
сверх того обширные гор-
ные хребты, правда относи-
тельно невысокие внутри
страны, но зато на ее окраи-
нах развивающиеся самыми
могучими формами диких
альпов”.
Гостеприимная
столица
В 1998 г. мы провели в Ти-
бете всю осень: с середины
сентября до середины декаб-
ря. Нас привело сюда жела-
ние лучше познакомиться с
таинственным киангом и вы-
яснить, не нуждается ли он в
защите. Иначе может слу-
читься так, что, спохватив-
шись слишком поздно, мы
потеряем еще одного пред-
ставителя диких лошадей,
как (только с конца прошло-
го века!) потеряли тарпана и
кваггу. Да и судьба лошади
Пржевальского до сих пор
висит на волоске: восстано-
вить вид гораздо труднее,
чем предотвратить его ис-
чезновение из природы. Но,
поставив перед собой эту
весьма конкретную задачу,
мы заранее знали, что не су-
меем ограничиться только
этим в столь удивительной
стране, как Тибет.
Осень — лучший сезон
для посещения Тибета:
обильные летние дожди, вы-
зывающие разливы рек, раз-
рушение дорог и мостов, уже
прошли; дороги подремон-
тированы и снова стали про-
езжими, а зимние холода и
пыльные бури еще не нача-
лись. Мы прилетели в Лхасу
из Чэнду, поднявшись более
чем на 3.5 тыс. м! Стояла 35-
градусная жара. Солнце, до
которого казалось теперь
рукой подать, угрожало сол-
нечными ударами и ожога-
ми. Перед тем как отправить-
ся дальше в путь, нам пред-
стояло адаптироваться к
большой высоте и особенно-
стям тибетского климата: по-
дождать, пока пройдут при-
ступы головной боли, озноб
и слабость. Обычно на это
уходит не меньше недели.
Период адаптации стал для
нас и временем подготовки
первого пункта намеченной
программы — маршрута по
юго-западной части Тибета.
Мы остановились в ма-
ленькой гостинице, распо-
ложенной в пяти минутах
ходьбы от древнего, постро-
енного в VII в., храма Джо-
канга. Рядом с храмом всегда
МНОГОЛЮДНО: одни молятся
перед главным входом, дру-
гие шествуют вокруг храма
(этот путь называется “бар-
кор” и равноценен молитве),
третьи толпятся около мел-
ких лавочек, торгующих вся-
кой всячиной. Здесь много
калек и нищих, просящих
подаяние. “Кучи, кучи”, — по-
вторяют они на разные лады,
тряся рукой с поднятым
вверх большим пальцем.
С разрешения монахов мы
забрались на крышу Джокан-
га, откуда открывается пре-
красный вид на Дворец По-
тала — одно из самых заме-
чательных сооружений Ти-
бета. Он был построен на
Красном холме в VII в. тибет-
ским царем Сонгцен Гампо
(по Л.Н.Гумилеву — Сронц-
зангампо) для медитаций. Во
времена его царствования в
Тибет пришел буддизм. В
XVII в. 5-й Далай-Лама пере-
строил дворец и придал ему
современный вид. С тех пор
Потала стал зимним дворцом
династии далай-лам. Счита-
ется, что до начала XX в. 13-
этажный (117 м высотой)
Дворец Потала был крупней-
шим зданием в мире.
Мы не чувствовали себя в
Лхасе непрошеными гостя-
ми, казалось, что нашего
приезда здесь ждали. На ули-
цах со всех сторон нас
встречали улыбки и привет-
ствия: “Таши деле!" и “Хел-
ло!” Затем следовал неизмен-
ный вопрос: “Откуда вы при-
ехали?” Велорикши за не-
большую плату предлагали
отвезти в любой конец Лха-
сы. Торговцы зазывали по-
смотреть на их товар: “Луки,
луки! Онли луки!” (“Посмот-
рите, посмотрите! Только
посмотрите!”)
Спустя 10 дней после при-
езда нам удалось с помощью
одного из туристических
агентств получить все необ-
ходимые разрешения (а их
нужно иметь семь, чтобы
только выехать за пределы
района Лхасы!) и арендовать
машины — джип для нас и
грузовик для транспортиров-
ки бензина. Теперь можно
было покинуть гостеприим-
ную Лхасу и двинуться даль-
ше, навстречу неизвестному.
В путь
С нами отправились четы-
ре тибетца: три водителя и
“гид”. Последнее слово в ка-
вычках, потому что этот мо-
лодой человек не только ни
разу не ездил по намеченно-
му маршруту, но и не имел
ни малейшего опыта путеше-
ствий. Тем не менее его при-
сутствие было обязательным
условием при получении
разрешений. С водителем
джипа повезло немного
больше. Дензину неодно-
кратно приходилось ездить
до городка Али как по север-
ной, так и по южной дороге,
однако он привык двигаться
без остановок от поселка до
поселка, поэтому всегда с
неохотой уступал нашим
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ОХРАНА ПРИРОДЫ
просьбам притормозить,
чтобы сфотографировать
понравившийся пейзаж.
Первые два дня от Лхасы
до Лхадзе мы ехали по густо-
населенным земледельчес-
ким районам долины р.Цанг-
по (Брахмапутры). Было вре-
мя уборки урожая. Все дела-
лось неспеша, при помощи
быков, лошадей и ослов. Не
торопиться людям позволяла
погода: стояли теплые сол-
нечные дни без капли дождя.
В Тибете самый высокий
предел горного земледелия
на земном шаре. Пржеваль-
ский ссылается’ на показа-
ния Наина Синга, который
видел в 1873 г. посевы ячме-
ня на абсолютной высоте
4633 м.
Пос.Лхадзе запомнился
нам огромным количеством
удодов {Upupa epops), летя-
щих в Индию, и желтыми то-
полями. После Лхадзе в тече-
ние многих дней нам не суж-
дено было видеть ни одного
дерева. Первое время еще
встречался можжевельник
{Juniperus squamata), расту-
щий кругами и пятнами по
склонам гор, но потом исчез
и он. За поселком дорога раз-
дваивалась: одна шла на юг, в
Непал, и по ней устремля-
лось большинство туристов,
а вторая — на северо-запад, в
Трансгималаи. Мы свернули
на северную дорогу, и вскоре
земледельческие районы ос-
тались позади. За селением
Кайка начались земли кочев-
ников-скотоводов, зимой и
летом живущих в черных па-
латках из ячьей шерсти. На
пути встречались стада яков,
спускающихся с высокогор-
ных летних пастбищ на зи-
мовку в долины. К седлу од-
ного из яков по древнему
обычаю были прикреплены
ветки с привязанными к ним
разноцветными молитвен-
ными флажками. Тибетцы ве-
'Пржевальский Н.М. Из Зайсана
через Халш в Тибет и на верховье Желтой
реки. Третье путешествие в Центральную
Азию 1879-1880 гг. М., 1948.
рят, что ветер, раздувая
флажки, возносит написан-
ные на них молитвы к небе-
сам. Эти молитвы должны за-
щищать их во'время долгих и
трудных переходов.
Постепенно стали появ-
ляться и дикие животные:
пищуха {Ocbotona sp.), гима-
лайский сурок {Marmota
himalayana) и эндемик Тибе-
та — шерстистый заяц {Lepus
oiostolus).
По мере того как дорога
поднималась все выше в го-
ры, менялась и погода. Когда
была преодолена четырех-
тысячная отметка, дневная
температура упала до +10’С,
задул холодный, пронизыва-
ющий до костей ветер, нача-
лись дожди.
Первая долгожданная
встреча с киангами произо-
шла на четвертый день пути
за пос.Сангсанг, в обширной
межгорной долине, где берет
начало один из притоков
Брахмапутры — р.Рака Цанг-
по. На краю долины, большая
часть которой была занята
кочкарниковым болотом, мы
с помощью бинокля разгля-
дели группу из пяти киангов.
Недалеко от них паслись ти-
бетские газели {Ргосарга
picticaudata). А вблизи нас, с
опаской поглядывая на оста-
новившуюся машину и гото-
вясь в любую минуту улететь,
стояла пара черношеих жу-
равлей {Grus nigricollis) с
двумя, уже подросшими,
птенцами.
В дальнейшем вместе с
киангами мы неоднократно
встречали тибетских газе-
лей. Эти небольшие грациоз-
ные животные, с высотой в
холке около 60 см и длиной
от головы до хвоста чуть
больше метра, очень оживля-
ли пустынный пейзаж. У них
приятная палевая окраска с
характерным белым “зерка-
лом”, охватывающим почти
всю заднюю часть тела. На
“зеркале” четко виден чер-
ный короткий хвост. Самцов
легко отличить от самок по
загнутым назад небольшим
(длиной около 30—35 см)
рожкам. Тибетское название
газелей — гоа. Общаясь с
аборигенами по дороге, мы
выучили и другие местные
названия животных: лиса —
амо, тарбаган — чибей,
снежный барс — ришим,
волк — чангу, заяц — жигон,
журавль — чунгджу, голубой
баран — на, дикая коза — ла,
архар — нен, рысь — и, мед-
ведь — том.
Первые сюрпризы
За пос.Рага дорога резко
повернула на север. Мы дви-
нулись по ней и вскоре оказа-
лись около крупнейшего в Ти-
бете (так утверждали сопро-
вождавшие нас местные жи-
тели) гейзера, бьющего фон-
таном из-под земли у подно-
жия горы Таге. Вокруг него
другие гейзеры, поменьше,
изливали свои горячие воды в
р. Ронгджу или, не найдя сто-
ка, превращались в неболь-
шие горячие озера. Все они
парили и булькали, а заходя-
щее солнце, пробиваясь
сквозь черные снеговые тучи,
добавляло таинственности и
без того необычной картине.
Попав под гипнотическое
очарование долины, мы ре-
шили заночевать рядом с
этой “маленькой Камчаткой”,
чтобы наутро принять горя-
чую ванну. Купание в естест-
венных горячих источниках
— это единственная возмож-
ность смыть с себя дорожную
пыль во время путешествия
по Тибету, поэтому такой
шанс упускать не стоит.
Когда палатки были по-
ставлены, выяснилось, что
лагерь стоит на колонии пи-
щух и переместить его неку-
да, так как весь берег Ронг-
джу до каменистых предго-
рий Таге занят этими симпа-
тичными большеухими
зверьками, которых тибетцы
зовут авра. Со стороны горы
доносились голоса тибет-
ПРИРОДА • № 1 > 2000
45
ОХРАНА ПРИРОДЫ
ских уларов (Tetraogallus
tibetanus), а со стороны реки
— крики огарей (Tadorna fer-
ruginea), которые водятся в
Тибете в таком количестве,
что местные жители собира-
ют их яйца как мы — грибы.
Чем ближе к ночи, тем
больше сгущались над нами
черные тучи, и, наконец, на-
чался настоящий снежный
буран. Палатки срывало с ко-
льев, пищухи спрятались в
норах, а мы укрылись в ма-
шинах. Казалось невероят-
ным, что только четыре дня
пути отделяют нас от сол-
нечной и жаркой Лхасы.
Перспектива ночевать в та-
кую погоду в палатках не ра-
довала, но буран закончился
так же внезапно,как и начал-
ся, превратив долину в нечто
совершенно фантастичес-
кое: струи пара поднимались
теперь над сплошным снеж-
ным покровом.
Сюрпризы тибетского кли-
мата нам пришлось испытать
еще не раз. Перепады днев-
ных и ночных температур до-
стигали 40‘С: 25-градусная
дневная жара сменялась мо-
розной ночью с температу-
рой до -15’С. В один день
можно было побывать и в зи-
ме и в лете! Но настоящие-то
тибетские зимы, конечно, го-
раздо суровее: на высоте
4200—4500 м над ур.м. сред-
ние зимние температуры ко-
леблются в пределах от -34
до -39°С, а абсолютный ми-
нимум составляет -55’С.
Когда снежная буря утих-
ла, к нам из-за реки пришел
местный житель. Он не разу-
ваясь пересек реку вброд и
теперь стоял на снегу в мок-
рых кедах, разговаривая с
нами. При этом, чтобы не те-
рять времени даром, он про-
должал прясть пряжу из
шерсти, спрятанной у него
Схема Тибетского нагорья.
Пунктиром показан маршрут экспедиции.
46
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
ОХРАНА ПРИРОДЫ
Гейзер у священной горы Таге.
за пазухой. От него мы узна-
ли, что Таге — не простая го-
ра, а сам Царь Лев, лежащее
неподалеку красивое
оз.Намцо — его жена, а гей-
зер — их чай. Чтобы не гне-
вить Царя, местные люди не
охотятся в его владениях. Но
в последние годы, не счита-
ясь с тибетскими обычаями,
здесь промышляют китайцы,
и по этой причине из окре-
стностей Таге совсем исчез-
ли дикие яки. Но пока все
еще довольно много гоа и
киангов, бурых медведей с
белой полосой (видимо,
медведей пищухоедов) и
волков, встречаются дикие
овцы и козы. На востоке до-
лины еще можно увидеть ан-
тилоп оронго, но и они
очень страдают от китай-
ских охотников.
Когда наши вопросы ис-
сякли, гость вежливо попро-
щался и собрался идти об-
ратно тем же путем, каким
пришел. Тут мы не удержа-
лись от давно мучавшего нас
вопроса: не холодно ли ему в
мокрых кедах? “ Когда сто-
ишь, то немного холодно, —
согласился он, — а когда
идешь, то тепло”.
На прощание мы подари-
ли нашему гостю фотогра-
фию далай-ламы — самый
дорогой подарок для каждо-
го тибетца. Даже тот, кто не
говорит ни одного слова по-
английски, знает, как попро-
сить: “Далай-лама пикче”. Он
сначала поставил фотогра-
фию себе на голову, потом
поднес к лицу и к груди, от-
давая таким образом дань
уважения правителю Тибета,
Эндемик Тибета — шерстис-
тый заяц.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
47
ОХРАНА ПРИРОДЫ
который в 1959 г. был вы-
нужден покинуть свою стра-
ну и поселиться на севере
Индии, в Дарамсала.
О
а
$
и
Альтернатива
заповедникам
Кажется странным, когда
кто-то всерьез говорит о
том, что горы, как люди, же-
нятся, а озера выходят за-
муж, а потом вместе пьют
чай из гейзера. Но это — од-
на из особенностей буддист-
ской веры, которая не делает
различия между органичес-
кой и неорганической при-
родой. Буддисты верят, что
душу имеют не только люди,
но и все живые и неживые
составляющие этого мира,
так как мир — субъект. От-
ношения между животными
и людьми в свете буддист-
ских представлений прирав-
ниваются к родственным, и
природа получает свою зна-
чимость не через объектив-
ное мышление, а через субъ-
ективное чувство и близкое
родство. Буддисты поклоня-
ются природе, они объявля-
ют и признают священными
горы, озера, горячие источ-
ники. Часто это труднодос-
тупные территории, куда, по
их поверьям, возвращаются
души умерших святых. И
простые люди мечтают, что-
бы и их души после смерти
вернулись туда. Это природ-
ные территории, прирав-
ненные по значимости к Бо-
гу. Здесь даже нарушение ти-
шины считается грехом, а
отлов рыбы или убийство
животного — преступлени-
ем. Священные буддистские
территории — это те же за-
поведники, только основан-
ные не на базе экологичес-
ких знаний, а благодаря об-
разу жизни, совершенно от-
личному от нашего, где чув-
ства имеют большее значе-
ние, чем рациональное мы-
шление, где человек не отде-
ляет себя от природы и не
мнит себя властелином, спо-
собным управлять природой
и преобразовывать ее. Вера
издавна защищала в Тибете
природу лучше любых еге-
рей, и результатом этой за-
щиты было то необыкновен-
ное количество непуганых
зверей, которое поражало
путешественников век назад.
Буддисты не охотились на
диких животных, а в том
случае если дикое животное,
медведь или снежный барс,
оказывалось жертвой защи-
щающегося человека, шкура
и череп зверя приносились в
монастырь, как и череп за-
резанного для еды домашне-
го животного — к чхортену4,
чтобы снять с человека грех
за чужую смерть, а животно-
му дать возможность лучше
перевоплотиться в следую-
щей жизни.
Согласно тем же тибет-
ским законам, уходящим
корнями в глубокую древ-
ность и сохранившимся до
настоящего времени, нельзя
убивать и есть мясо киангов
и всех других непарноко-
пытных животных, включая
домашних лошадей. Поэтому
в Тибете не встретишь, как в
Монголии или Казахстане,
многочисленные табуны до-
машних лошадей, выращива-
емых на мясо. Лошадей ино-
гда используют для работы и
езды верхом, но часто для
этих целей предпочитают
яков или ослов.
•* Чхортен (или ступа) — каменное строе-
ние в виде башни, где хранятся священные
тексты. В древние времена, когда не суще-
ствовало портретов Будды, его символизи-
ровали чхортены.
Кианг, убитый у оз.Намцо.
48
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ОХРАНА ПРИРОДЫ
Здесь даже
нарушение
тишины
считается грехом,
а отлов рыбы или
убийство
животного —
преступлением.
За долиной гейзеров, по
дороге к пос. Тсочен, начали
встречаться кианги, но все
еще редко и в небольших ко-
личествах: одиночный са-
мец, пара животных, группа
из четырех животных... И
вдруг — одна самка с жере-
бенком, без самца. Мы уди-
вились: для лошадей и кула-
нов не характерно, чтобы
самки бродили самостоя-
тельно. В чем тут может быть
дело? Разгадка оказалась
трагической: метрах в 50 от
дороги, у оз.Намцо, лежал
убитый самец, и над ним
кружили вороны. Местные
люди, ремонтировавшие не-
подалеку дорогу, рассказали,
что накануне вечером по до-
роге проезжала машина с
китайскими пограничника-
ми. Заметив невдалеке двух
взрослых киангов с жере-
бенком, они остановились.
Через несколько секунд про-
гремел выстрел, от которого
упал и стал биться в пред-
смертных судорогах самец, в
испуге шарахнулись в сторо-
ну самка и жеребенок. Из ма-
шины раздался хохот, потом
снова заработал мотор, и
машина уехала прочь. Ни
единого волоска не было
тронуто с этого животного,
лишенного жизни просто
так, попутно, ради забавы.
Так, по трагической слу-
чайности, нам представи-
лась возможность вблизи
рассмотреть кианга и сде-
лать промеры. Это был уже
достигший зрелости моло-
дой самец небольшого роста
(высота в холке 127 см,дли-
на туловища от переднего
выступа плечелопаточного
сочленения до задней точки
седалищного бугра 125 см,
высота в локте 70 см). Его
окраска очень сходна с окра-
ской киангов, встреченных
Пржевальским на северо-
востоке Тибета'. Верхняя
часть туловища и голова ок-
рашены в коричневый цвет
(более темный, чем у турк-
менских и монгольских ку-
ланов), нижняя часть белая.
Длина заканчивающейся бе-
лым носом головы (от заты-
лочного гребня до конца
верхней губы) около 60 см.
Граница между темно- и
светлоокрашенными частя-
ми четкая. На шее коричне-
вый цвет занимал сверху
примерно третью часть и тя-
нулся вдоль гривы. С нижней
части шеи белая окраска пе-
реходила на грудь, живот и
ноги. На боках туловища
граница между цветами про-
ходила примерно посереди-
не. Но у передней ноги бе-
лый цвет с живота клином
достигал лопатки. Все ноги
спереди светло-палевые, но
этого с большого расстояния
заметить почти невозможно,
ноги кажутся белыми. Перед-
'Пржевальский Н.М. Монголия и
страна тангутов. Трехлетнее путешествие в
Восточной нагорной Азии. М., 1946. С.236—
237.
ние ноги тоньше задних (об-
хват пясти составил 14.5 см,
а обхват плюсны — 17 см),
но копыта на них больше и
шире (передние копыта
12x8.5 см2, задние 10x7 см2).
Темно-коричневая стоячая
грива, высотой 18 см без
челки, постепенно перехо-
дила в узкую такого же цвета
полосу, которая шла посере-
дине спины, а затем заканчи-
валась хвостом. Четкость и
законченность окраске при-
давали черные кончики ушей
(коричневых снаружи и бе-
лых изнутри) и полоска чер-
ных волос, идущая по венчи-
ку вокруг копыт. Размер уха
от основания до кончика со-
ставил ровно 17 см. Хвост
кианга не был похож ни на
хвост лошади, ни на хвост
осла и даже отличался от
хвостов других представите-
лей группы Hemionus. Он
больше напоминал хвост ло-
шади Пржевальского: вдоль
репицы росли короткие во-
лосы, и только ниже начина-
лись длинные, образуя “кис-
точку” длиной 54 см. Как и у
куланов, у него были “кашта-
ны” (рудиментные остатки
1-го пальца) только на пе-
редних ногах, выше запяст-
ного сустава.
После оз.Намцо кианги
перестали встречаться. До-
рога пошла вверх на пере-
вал, расположенный на вы-
соте 4860 м над ур. м. Здесь
не только животные, но и
птицы стали крайне редки-
ми. Только высоко в небе,
выглядывая добычу, кружили
степные орлы и беркуты.
(Окончание
в следующем номере)!
1AJII4 и ЗАПОВЕДНИКАХ • ШШКЖАЛШЫ1 1HHUW И И( И.иьмЗ . »
С января 2000 г. объявляется подписка на «Заповедные
острова» — ежемесячную газету, рассказывающую о деятельности
заповедников и национальных парков России и других государств,
об актуальных проблемах сохранения биоразнообразия на нашей
планете и о людях, работающих в природоохранных организациях
Подпш ной индекс в Каталоге агентства *Роспечать> — 3436Я
4 ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
49
Сон в Роо/сдвстбенск^ю но1ъ, или
Щ^шво/тыв елейные mfyuht
Потом мы вспомним, что была зима,
Клубился пар и дула в трубы стужа.
И. стряхивая снег, судьба сама
Ломилась в двери, топая снаружи.
Извечный замедляя свой полет,
По окнам била крыльями метели.
Трещало время сухо, сиовни лед.
Переливалось, словно ожерелье.
Какой мороз! Все стынет на весу.
Он приволок по насту ночью синей
Ту елочку, что родилась в лесу,
Ту паутину, что легка, как иней.
Он приволок с собой пушистый шар
И щедро, словно маг. меж колких листьев
Навесил финарей знобящий жар
И звон гирлянды, полный бескорыстья.
Фот оэтюды
Ю.В.Наточина
Стихи
М.Я Филыптейна
Внезапный ветер горек и жесток.
Он гонит прочь уныние и ветхость.
И на снегу пергаментный листок —
Как библиографическая редкость.
4* ПРИРОДА • № 1 • 2000
51
МИНЕРАЛОГИЯ, ХИМИЯ
Роль мембран
при образовании
агатов
В.П.Моров
Агаты — широко извест-
ные ювелирно-поде-
лочные камни. Непо-
вторимые узоры и разнооб-
разная цветовая гамма при-
влекают к ним внимание че-
ловека с древнейших времен.
Тем не менее до настоящего
времени не создано досто-
верной теории происхожде-
ния этой замечательной раз-
новидности халцедона.
Халцедон относится к се-
мейству кремнезема. Как и
кварц, по составу является
диоксидом кремния, но в от-
личие от него включает за-
метные (до нескольких про-
центов) примеси воды и со-
единений распространенных
двух- и трехзарядных катио-
нов (Fe, Са, Mg, Al). Структура
халцедона отличается
от полнокристаллической
структуры кварца и сложена
тончайшими волокнами, упа-
кованными в микроскопиче-
ские сферолиты и образую-
щими скрытокристалличес-
кий агрегат. Примеси в нем
располагаются в порах и ка-
налах между волокнами'.
Халцедон с заметным зо-
нальным “полосчатым”стро-
ением называется агатом.
'Годовиков А.А. Минералогия. М.,
1983; Декоративные разновидности цвет-
ного камня СССР / Под ред. ЕЛ. Киевленко.
М„ 1989.
© В П Моров
52
Владимир Павлович Моров, инженер-
химик Института экологии Волж-
ского бассейна РАН. Область научных
интересов — органическая, аналити-
ческая химия, образование минералов
кремнезема.
Различная окраска его от-
дельных слоев зависит, .во-
первых, от неодинакового
распределения и форм пор в
каждом его слое, во-вторых,
от разного минерального со-
става отдельных зон и, в-тре-
тьих, от присутствия тонко-
дисперсных яркоокрашен-
ных включений, обычно ми-
нералов железа2. Оттенок ок-
рашенных слоев н$" конкрет-
ном месторождении обычно
тем ярче, чем ближе к по-
верхности залегает агатовое
тело. Это объясняется глав-
Годоникон А.А., Рипинен
О.И., Моторин С.А. Агаты.М., 1987.
ным образом окислением же-
леза минеральных включе-
ний под действием кислоро-
да воздуха в условиях по-
верхностного выветривания.
Существует множество
типов агатов, различающих-
ся по расположению кон-
центрического рисунка и
присутствию дополнитель-
ных структурных элементов.
Среди последних отметим:
прямолинейно-полосчатые
(ониксовые) участки; цент-
ральные внутренние полос-
ти; кварцевые зоны и щетки;
каналы во вмещающих поро-
дах и самом агате; “моховые”
ПРИРОДА • № 1 • 2000
МИНЕРАЛОГИЯ, ХИМИЯ
структуры (халцедон, содер-
жащий хлопьевидные и ден-
дритовые включения); псев-
досталактиты, представляю-
щие собой выступы-“сосуль-
ки" в пустотах агатовых жеод
(в которых отложение мине-
рального вещества происхо-
дит от периферии к центру).
Известны образцы с необыч-
ным направлением роста
псевдосталактитов — вытя-
нутые в одном направлении,
спирально закрученные и др.
Гипотезы
образования
агатов
Происхождение полосча-
тости агатов объясняется
различными авторами по-
разному. Существует ряд ги-
потез, которые могут быть
сведены к одной из реально
имеющихся на сегодняшний
день концепций: протека-
ния, созревания и проника-
ния. Суть их довольно на-
глядно и доступно изложена
в книге Б.З. Кантора'.
Вот основополагающие
факты, которые можно счи-
тать твердо выясненными. В
настоящее время не подвер-
гается сомнению, что про-
цесс формирования агато-
вых тел протекает в пустотах
пород (агатовых камерах)
при отложении в них крем-
незема из гидротермальных
растворов. Каждая камера
имеет систему подходящих к
ней из вмещающих пород ка-
налов (например, трещин).
Один из каналов всегда от-
крывается во внутреннюю
полость агатовой жеоды.
Факт существования каналов
несомненен, хотя роль их в
формировании таких тел од-
нозначно не трактуется.
Исследованиями микро-
структуры доказано, что
рост кристаллов халцедона в
агатовых образованиях все-
гда происходит от стенок ка-
' К а н тор Б.З. Беседы о минералах.
Назрань, 1997.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
меры к ее центру. Внутри
них иногда встречаются лю-
бопытные структуры — псев-
досталактиты и дендриты.
Их формирование изучено,
смоделировано и объясняет-
ся возникновением мемб-
ранных пленок на границе
двух растворов различного
химического состава'1. Осмо-
тическое давление на “при-
стенную” сторону мембраны
приводит к растяжению пле-
нок внутрь камеры и форми-
рованию мембранных тру-
бок. Кстати, подобные псев-
досталактиты встречаются и
в выделениях других мине-
ралов, например сидерита и
малахита, а дендриты вооб-
ще широко распространены
в минеральном мире.
Прочие предположения и
выводы относительно про-
цесса роста агатовых тел
признаются не всеми.
Для удобства разделим все
существующие теории не по
минералогенетическому, а
по физико-химическому
признаку — исходному рас-
твору, отлагающему халце-
дон агатового тела. Мы полу-
чим две группы, соответству-
ющие двум формам раствора
кремнезема — истинному и
коллоидному.
Растворимость кремнезе-
ма в воде даже при благопри-
ятных условиях (повышен-
ной температуре и опреде-
ленных значениях pH среды)
незначительна. Истинные
растворы кремнезема в луч-
шем случае достигают кон-
центраций порядка 0.001%,
которая еще понизится, так
как большинство катионов (с
зарядами выше 1), находя-
щихся в таком растворе, про-
реагируют с кремнекисло-
той, образуя практически не-
растворимые силикаты. А
концентрация этих катио-
нов, судя по химическому со-
ставу агатов, довольно замет-
на. Кроме того, быстрая кри-
сталлизация, всегда связан-
ная с сильным пересыщени-
1А й л е р Р. Химия кремнезема. М., 1982.
ем раствора, скорее всего из
истинных растворов кремне-
зема невозможна. А для обра-
зования халцедона необхо-
дима именно быстрая крис-
таллизация — ведь только
она приводит к уменьшению
размеров кристаллов и уве-
личению количества посто-
ронних включений5. В ре-
зультате резкий всплеск ко-
личества дефектов строящей-
ся кристаллической решетки
даст сильно расщепленный
ее рост. Ослабление же рас-
щепления в процессе роста
приведет к предпочтительно-
му образованию кварца.
Быстрая циркуляция зна-
чительных объемов таких
растворов в плотных поро-
дах также маловероятна. Тем
не менее размеры агатовых
тел достигают нескольких
метров, а иногда агаты за-
полняют вмещающую поро-
ду почти полностью, что
труднообъяснимо, если
предположить кристаллиза-
цию халцедона из истинных
растворов.
Поэтому отбросим любые
гипотезы, исходящие из та-
кого предположения (конеч-
но, за исключением образо-
вания кварцевых зон в ага-
тах), и рассмотрим оставши-
еся, классифицировав их, как
обычно принято, но предпо-
лагая везде работу только
коллоидных растворов.
Концепция протекания
говорит о том, что формиро-
вание агатовых тел происхо-
дит из растворов кремнезема.
Последний откладывается на
стенках камеры, дренируе-
мой посредством каналов.
Часть иногда приводимых
возражений против этой ги-
потезы (например, якобы
труднообъяснимое возник-
новение концентрического
рисунка) по-моему, несосто-
’ Барсанов Г.П., Плюсика
И.И., Яковлева М.Е. Особеннос-
ти состава, некоторых физических свойств
и структуры халцедона // Новые данные о
минералах СССР. М., 1979 Вып.28.
S3
МИНЕРАЛ ГИЯ, ХИМИЯ
ятельна. Вообще, из всех су-
ществующих концепций на-
иболее приближенной к дей-
ствительности представля-
ется именно эта. Однако с ее
помощью нельзя объяснить
возникновение моховых и
полицентрических агатов.
Не вдаваясь пока в по-
дробности, отметим, что ус-
тойчивость коллоидных рас-
творов кремнезема связана с
одноименными отрицатель-
ными зарядами поверхности
его частиц в растворе. Это
затрудняет их сорбцию на
стенках камеры (исключе-
ние — донные участки, где
электростатическое оттал-
кивание частиц и материала
стенок компенсируется си-
лой тяжести). Кроме того,
наличие течения в камере,
особенно переменной силы,
должно усиливать обратный
процесс — десорбцию этих
частиц. В результате толщи-
на любого индивидуального
слоя агата не должна значи-
тельно превосходить макси-
мальный диаметр коллоид-
ной частицы (т.е. сотни на-
нометров). В реальности же
она бывает на несколько по-
рядков больше.
Концепция созревания
базируется на предпосылке
ритмической диффузии при-
месей в камеру, заполненную
первичным гелем. Это наи-
более спорная из всех суще-
ствующих концепций. Мо-
дельные опыты показывают,
что расположение зон (уве-
личение их толщины от пе-
риферии к центру) в случае
такой диффузии противопо-
ложно концентрическому
рисунку агата. Кроме того,
эта гипотеза совершенно не
объясняет упорядоченной
ориентации сферолитов в
халцедоновом агрегате. На-
конец, непонятна роль кана-
лов, открывающихся во внут-
ренние области агатов.
Концепция проника-
ния (наиболее поздняя)
предполагает, что агаты об-
разовались в неподвижной
среде из жидких растворов
путем диффузии частиц
кремнезема сквозь материал
стенок во внутрь камеры.
Опять-таки роль каналов
неясна. Кроме того, диффу-
зия коллоидных частиц
сквозь отложившийся гель
крайне затруднена и из-за
неоднородности их размера
должна приводить к быст-
рой закупорке всех мельчай-
ших отверстий в геле. Допу-
щение же кристаллизации
из истинных растворов не-
сет ограничения, описанные
выше.
Перечисленные концеп-
ции не объясняют полно-
стью всех нюансов форми-
рования агатовых тел в пус-
тотах вмещающих пород.
Тем не менее, базируясь на
их основе, можно построить
стройную теорию образова-
ния агатов вне зависимости
от происхождения этих по-
род. Она учитывает доказан-
ные ранее механизмы воз-
никновения отдельных эле-
ментов агатовых тел, а также
многие положения гипотез
протекания и проникания.
Источники роста
Породы, вмещающие ага-
ты, могут иметь различное
геологическое происхожде-
ние. Чаще всего они пред-
ставляют собой базальты или
риолиты областей древнего
вулканизма, либо карбонат-
ные осадочные породы плат-
форм. Несмотря на это,
структура и химический со-
став агатов из различных по-
род зачастую очень сходны.
Скорее всего и генезис раз-
личных агатов одинаков.
Источник питания для об-
разования агатов, несомнен-
но, коллоидные раетворы, а
именно гидрозоли поли-
кремневых кислот. Их кон-
центрации при обычной
температуре и давлении мо-
гут доходить до 0.04%, с рос-
том температуры повышаясь
еще больше". Кроме кремне-
зема в состав агатов в не-
больших количествах входят
соединения Fe, Al, Mg, Са, Fe,
Мп, углекислый газ. По-
скольку их распределение
внутри жеоды неоднородно,
можно предположить непо-
средственное участие дан-
ных соединений в процессе
роста агатового тела. Реаль-
ные значения концентраций
таких катионов различны,
но они всегда тесно связаны
с концентрацией кремнекис-
лоты, так как образуют с ней
малорастворимые в воде со-
единения. Двухзарядные ка-
тионы переносятся главным
образом в виде растворов их
гидрокарбонатов и хлори-
дов, а трехзарядные — в виде
золей (коллоидов) малорас-
творимых гидроксидов.
Вопрос об источниках
кремнезема и переводе его в
коллоидное состояние также
достаточно интересен7. Тем
не менее это — вопрос от-
дельный, и будет логичнее
оставить его обсуждение за
рамками данной работы.
Постадийное
образование
агатов
I. Стадия протекания с
периодическим мембра-
нообразованием. Мембра-
нообразование в кремнекис-
лых растворах давно извест-
но8. Этим процессом объяс-
няется образование псевдо-
сталактитов в пустотелых
агатовых жеодах. В рамках
данной концепции мы при-
нимаем, во-первых, что на
начальной стадии обяза-
тельно протекание питаю-
щего раствора через агато-
вую камеру и, во-вторых, что
‘ Химическая энциклопедия в 5 т. / Гл. ред.
ИЛ. Кнунянц. M., 1988-1992.
Самсонов Я П. Самоцветы России
и сопредельных государств. M., 1993.
"Ефремов И.Ф. Периодические кол-
лоидные структуры. Л., 1976; Текучесть мем-
браны в биологии: концепции мембранной
структуры / Под ред. Р. Элоста. Киев, 1989.
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
минералогия, химия
весь процесс роста агатово-
го тела в камере обязан пе-
риодическому мембранооб-
разованию.
Первая стадия протекает
следующим образом:
— золь кремнезема запол-
няет камеру при слабом токе
питающего раствора. Седи-
ментация (осаждение под
действием силы тяжести) ча-
стиц может происходить
лишь в застойных зонах
нижней части камеры;
— при изменении хими-
ческого состава раствора в
устьях каналов возникает си-
ликатная мембрана, распро-
страняющаяся под давлени-
ем потока жидкости в сторо-
ну дренирующих каналов.
При этом осевая часть пото-
ка, двигаясь быстрее, вытал-
кивает фронт мембраны к их
истокам, отсекая часть преж-
него раствора вдоль стенок
камеры и в застойных зонах;
— отсутствие течения
жидкости в замембранном
пространстве приводит к
медленной коагуляции там
золя кремнезема до геля, с
образованием агатовой зоны;
— возвращение химичес-
кого состава питающего рас-
твора к параметрам, близким
к прежним, приводит к появ-
лению новой мембраны, ко-
торая впоследствии образует
новую ЗОНу, И Т.Д.;
— наконец, все каналы
агатовой камеры, кроме по-
следнего, закупориваются.
Течения в камере больше
нет. Первая стадия агатооб-
разования заканчивается.
Процесс формирования
мембраны контролируют
три фактора: химический —
критическая смена состава
питающего раствора; кон-
центрационный — крепость
раствора, достаточная для
образования прочной мемб-
раны; гидродинамический —
сравнительно малая ско-
рость протекания раствора
через камеру.
Излишняя скорость тече-
ния в агатовой камере при-
Формирование мембран на первой стадии агатообразования:
а — золь кремнезема заполняет камеру, седиментация частиц
происходит лишь в застойных зонах нижней части камеры;
б — при изменении химического состава раствора в устье ка-
нала возникает мембрана;
в — отсутствие течения в замембранном пространстве при-
водит к коагуляции золя кремнезема до геля с образованием
агатовой зоны;
г — при дальнейшем изменении химического состава питающе-
го раствора появляется новая мембрана, которая образует
новую агатовую зону, и т.д.
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
МИНЕРАЛОГИЯ. ХИМИЯ
Процесс
образования
мембраны
контролируют
три фактора:
химический, кон-
центрационный,
гидродинамичес-
кий.
водит к многократным раз-
рывам мембраны и в резуль-
тате к беспорядочному, а не
послойному заполнению ка-
меры материалом мембран, а
также его выносу. При черес-
чур слабом течении мембра-
нообразование может на-
чаться в питающем канале,
что вскоре приведет к его за-
купорке. В необходимости
замедления тока питающей
жидкости и кроется причина
обязательного для процесса
агатообразования наличия
камеры. Уменьшение скоро-
сти течения приводит к сни-
жению минимально допусти-
мой для мембранообразова-
ния концентрации реаген-
тов, и наоборот.
Если расход воды в пита-
ющем источнике довольно
постоянен, то по мере суже-
ния полости закономерно
возрастает в ней скорость
течения, что приводит к
уменьшению объема замемб-
ранного раствора вследст-
вие усиления давления воды
на новообразованную мемб-
рану. В этом кроется причи-
на преимущественно встре-
чающегося сжатия концент-
рического рисунка агата от
периферии к центру жеоды.
Затем из-за зарастания про-
светов каналов скорость те-
чения снова падает, и внут-
ренние кольца агата зачас-
тую вновь расширяются.
Наиболее естественной
выглядит зависимость пери-
одичности мембранообразо-
ван ия от сезонных колеба-
ний содержания реагентов в
питающем растворе. На их
концентрацию влияют мно-
гие факторы.
Температура. Рост темпе-
ратуры заметно снижает рас-
творимость углекислоты, а
следовательно, и концентра-
цию вышеприведенных
ионов металлов. В то же вре-
мя устойчивость золей крем-
некислоты и соответственно
ее концентрация при этом
возрастают. Реально опреде-
ленные (по включениям вы-
сокотемпературных минера-
лов семейства кремнезема и
др.) температуры образова-
ния агатов лежат в очень ши-
роком интервале: 40 —420°С,
заходя, таким образом, в
критическую для гидротер-
мальных систем область.
При превышении критичес-
кой температуры возникает
так называемый надкритиче-
ский флюид. Ряд агатов об-
разовался из таких флюидов.
Для платформенных обла-
стей значительные колеба-
ния температуры могут быть
связаны лишь с сезонностью
климата. Для областей же ак-
тивного вулканизма с их вы-
сокотермальными водами
такая зависимость, казалось
бы, просто нелепа. Тем не
менее здесь существование
сезонных ритмов Также мо-
жет быть напрямую связано с
ритмичным выпадением ат-
мосферных осадков, изменя-
ющих температуру геотер-
мальных систем и уровень в
них жидкости.
Давление. С его величи-
ной связана растворимость
углекислоты, а соответствен-
но и концентрация в раство-
ре ионов НСО;, Fe2*, Са2+, Mg-’4,
образующих растворимые
гидрокарбонаты. Кроме то-
го, превышение критическо-
го давления также приводит
к превращению парожидко-
стной двухфазной системы в
надкритический флюид. По-
жалуй, логичнее считать, что
давление зависит не от сезо-
на, а от других внешних при-
чин, в частности от темпера-
туры и от газонасыщения в
результате колебаний вулка-
нической деятельности, и
поэтому его учет затруднен.
Видимо, лишь в пределах от-
дельного участка с агатами
этот фактор можно считать
закономерным.
Скорость течения. Коле-
бание дебита вод на участках
их минерализации отража-
ется на величинах концент-
раций растворенных компо-
нентов. Этот фактор, как мы
видели, имеет непосредст-
венную связь с температур-
ным, и его, по-видимому,
также следует считать сезон-
ным.
Кислотность (pH среды).
Основное влияние на нее
оказывает концентрация
растворенной углекислоты
(и других кислот из вулкани-
ческих газов), т.е. прослежи-
вается непосредственная
связь с предыдущими факто-
рами. Кислотность влияет на
стабильность золей как
кремнекислоты,так и гидро-
ксидов металлов. В нейт-
ральных и щелочных средах
перенос кремнезема в рас<-
творах максимальный, а в
кислой происходит его вы-
деление.
Концентрация компонен-
тов питающих растворов не
постоянна. Присутствие при
более низких температурах
значительного количества
катионов в растворе приво-
дит к невозможности суще-
ствования достаточно высо-
56
ПРИРОДА • № 1 • 2000
МИНЕРАЛОГИЯ ХИМИЯ
Образование двойного электрического слоя на мембране и коллоидных частицах: А— мембрана,
В — кремнекислый раствор; С — железисто-гидрокарбонатный раствор, D — частица золя
кремнезема, Е — мицелла, F — обращенная мицелла.
ких концентраций золей
кремнезема, и раствор силь-
но им обедняется. И наобо-
рот, при наличии больших
количеств золя кремнезема
невозможна сколько-нибудь
повышенная концентрация
катионов в растворе".
При повышении (пониже-
нии) температуры либо pH
раствора наступает критиче-
ская точка скачкообразной
смены состава раствора. В
месте минерализации вод
равновесие регулируется пу-
тем растворения —осажде-
ния (или пептизации —коагу-
ляции). В агатовой же каме-
ре такая резкая смена приве-
дет к возникновению мемб-
раны на границе растворов с
различным составом, состо-
ящей из нерастворимых си-
ликатов, либо из частиц
кремнезема, сцементирован-
ных этими силикатами. В то
же время в подводящих кана-
лах образование устойчивых
"Шабанова НА., Силос Н.В
// Коллоид, жури. 1996. T.58. №2; Шаба-
нова Н . А . // Там же. № 1.
мембран невозможно из-за
более высокой скорости те-
чения жидкости.
Повышение температуры
приводит к ускорению про-
цесса окисления двухвалент-
ного железа до трехвалент-
ного, которое переносится в
виде золя Fe(OH),. Тем не ме-
нее сосуществование в одном
растворе значительных коли-
честв противоположно заря-
женных золей кремнезема и
гидроксида железа невоз-
можно. Скорее всего макси-
мум переноса трехвалентно-
го железа должен приходить-
ся на более холодный сезон.
По-видимому, должно су-
ществовать два сезонных пи-
тающих раствора: горячий с
нейтральной или слабоще-
лочной реакцией (с повы-
шенной концентрацией золя
кремнезема и пониженной —
гидрокарбонатов и золя
Fe(OH),); и менее горячий с
кислой реакцией (с понижен-
ной концентрацией кремне-
зема и повышенной — гидро-
карбонатов и золя Fe(OH)<)
А какова, собственно,
причина закономерного
расположения мембран в
агатовой камере? Рассмот-
рим химическое строение
образующейся мембраны. Из
куоса коллоидной химии1"
известно, что поверхность
коллоидных частиц кремне-
кислоты заряжена отрица-
тельно при рН>2, поверх-
ность коллоидных частиц
Fe(OH), — при рН<7, а
А1(ОН), при рН<9 несет на
себе положительный заряд.
Положительно заряжены и
двухвалентные катионы ме-
таллов.
В стабильном золе крем-
незема коагуляции (слипа-
нию) частиц препятствуют
главным образом два факто-
ра: наличие одноименного
заряда на частицах, приводя-
щее к электростатическому
отталкиванию, и скорость
См., напр.: Фридрих с берг ДА.
Курс коллоидной химии. Л., 197-1; Фро-
лов Ю . Г. Курс коллоидной химии. По-
верхностные явления и дисперсные систе-
мы. М„ 1989.
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
57
МИНЕРАЛОГИЯ ХИМИЯ
Агат полизональный (вероятно, из трапповых
базальтов Тиманской группы), сформирован-
ный с неоднократным возвратом на стадию
мембранообразования. В ядре ширина полос
уменьшается кверху, что говорит о постепен-
ном замедлении процесса седиментации за
счет обеднения питания при сужении канала.
Наблюдается неоднократная смена отложе-
ний халцедона (I стадия) и кварца (III ста-
дия). Увел.2.
Здесь и далее фото А.Насонова
Агат сложного строения из риолитов
(р. Канэнмываам, Чукотка). Внизу слева —
ониксовая зона 1 стадии агатообразования.
Стрелкой отмечен прорыв внешней мембраны,
сформированный при неоднократном возвра-
те на стадию мембранообразования. Нижняя
часть ядра — ониксовая зона II стадии. Вверху
агата располагается зона кристаллизации
кварца Ill стадии. Ширина полос в ядре умень-
шается кверху, что демонстрирует постепен-
ное замедление седиментации, как и должно
быть при обеднении питания за счет сужения
канала. Натур, вел.
диффузии частиц — как
функция их размера.
Эти же два фактора опре-
деляют размер коллоидных
частиц кремнезема в реаль-
ных гидрозолях (примерно
5 — 100 нм).
Попавшие в кремнекис-
лый раствор катионы и час-
тицы гидроксида железа и
алюминия обязательно за-
ключаются в плотную обо-
лочку из противоположно за-
ряженной кремнекислоты.
Эти образования называются
мицеллами, и ведут они себя
аналогично свободным час-
тицам поликремнекислот, т.е.
внешняя их поверхность так-
же отрицательно заряжена.
В железисто-гидрокарбо-
натном растворе^тоже суще-
ствуют мицеллы, но по отно-
шению к предыдущим они
обращенные: т.е. ядро из
кремнезема окружено иона-
ми и частичками гидроксида
железа. При изменении кон-
центраций (или pH) раство-
ров до критических величин
происходит перезарядка по-
верхности частиц. Напри-
мер, существующие коллоид-
ные частицы могут покры-
ваться новой оболочкой.
Устойчивость мицелл к
коагуляции практически не
отличается от устойчивости
свободных частиц того же
размера. Очевидно, что все
частицы гидрозоля и мццел-
лы в одном растворе имеют
SB
ПРИРОДА • № 1 • 2000
МИНЕРАЛОГИЯ. ХИМИЯ
Агат бицентрический из трапповых базаль-
тов (Бразилия). Между центрами агата за-
метны фрагменты столкнувшихся мембран.
Увел.
Агат сердоликовый с кварцевым выполнением
из риолитов (р. Канэнмываам. Чукотка). Хоро-
шо видна система каналов во вмещающей по-
роде. Увел. 1.25.
одинаковый заряд. А ком-
пенсация его происходит за
счет противоионов, образу-
ющих вокруг большой заря-
женной частицы оболочку,
плотную в первом слое и все
более рыхлую в последую-
щих. Вокруг каждой части-
цы формируется гак называ-
емый двойной электричес-
кий слои. Противоионы в
кремнекислом растворе —
это катионы гидроксония
Н.О', а в кислом — гидро-
карбонат-ион НСО. и гид-
роксид-ион ОН .
В кремнекислом растворе
слипание коллоидных час-
тиц кремнезема носит слу-
чайный характер и может
планомерно протекать толь-
ко в застойных зонах каме-
ры. Там преобладает грави-
тационный (седиментацион-
ный) фактор: крупные час-
тицы оседают вниз. И лишь в
случае, когда эта застойная
зона располагается в нижней
части агатовой камеры, про-
исходит гелеобразование из
коагулировавших частиц.
Поверхность геля на макро-
уровне ВЫГЛЯДИТ' плоской.
Вог почему достаточно ред-
ки 11 р я м о л и н е й н о -11 о л о с ч а -
тые агаты (ониксы). Для их
образования необходимы
значит ельныс застойные зо-
ны в нижней части камер.
И вот в камере появляется
ж е л е з и с т о - г и д р о к а р б о н а г -
ный раствор. На границе
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
59
МИНЕРАЛОГИЯ. ХИМИЧ
растворов происходит не-
медленный контакт проти-
воположно заряженных час-
тиц кремнезема и катионов
металлов. Частицы тотчас
коагулируют по всему фрон-
ту, формируя мембрану.
Кстати, коагулирующее дей-
ствие однозарядных катио-
нов (Na+, К*, Н,О*) на порядок
слабее, чем двухзарядных. В
случае присутствия золя
Fe(OH)3 или А1(ОН)3 ощути-
мую роль играет также гете-
рокоагуляция — их слипание
с частицами золя кремнекис-
лоты.
Двойной электрический
слой теперь располагается
на каждой стороне мембра-
ны, причем ее поверхность
заряжена отрицательно со
стороны старого раствора и
положительно — со стороны
нового. В мембране имеются
промежутки. Они непрони-
цаемы для крупных частиц,
но легко пропускают катио-
ны, которые, вторгаясь в за-
мембранное пространство,
вызывают коагуляцию крем-
незема, увеличивая в резуль-
тате толщину и прочность
мембраны.
Под действием тока воды
мембрана распространяется
на всю длину камеры и при-
жимается к ее стенкам до
тех пор, пока фактор тече-
ния не уравновесится фак-
тором отталкивания элект-
рического слоя мембраны
от электрического слоя сте-
нок камеры (в растворе од-
ного состава их заряды бу-
дут примерно равными). До-
бавочный вклад сюда вносит
потенциал течения (поток
противоионов через поры
мембраны выше, чем пря-
мой поток), еще более уве-
личивая заряд поверхности
мембраны. Кроме того, за-
метно влияет осмотическое
давление, действующее по-
перек мембраны в сторону
большей концентрации час-
тиц. Возможно и незначи-
тельное различие между
плотностями растворов.
Весь избыточный рас-
твор под внешним давлени-
ем выходит из замембран-
ного пространства в дрени-
рующие каналы, а мембрана
из-за сильного течения в ис-
токах дренирующих кана-
лов обрывается и прочно
прикрепляется к стенкам ка-
меры.
Неравномерность при-
жимания мембраны к стен-
ке приводит к дефектам
структуры и нарушению
концентрического рисунка
агата. Возможны и прорывы
мембраны. В этом случае на
небольшом участке образу-
ется миниатюрная структу-
ра типа мохового агата. Ес-
ли питающих каналов не-
сколько, возникают дефек-
ты вследствие столкнове-
ния двух растущих мемб-
ран. Так образуются доста-
точно редкие полицентри-
ческие (двухглазчатые) ага-
ты. Дефекты могут быть вы-
званы и привносом в каме-
ру твердых загрязнений из-
вне, к примеру обрывков
разрушенных мембран.
Теперь в спокойной об-
становке в замембранном
пространстве происходит
гелеобразование. Выделяю-
щийся при этом избыток
воды свободно проникает
через поры мембраны во
внешний раствор. Неясно,
сразу ли начинается рас-
кристаллизация геля. Но
для данного процесса это
не имеет решающего значе-
ния. Электронно-микроско-
пическими исследованиями
показано, что центры крис-
таллизации — неровности,
а также кристаллы на стен-
ках камеры.
II. Стадия проника-
ния. Превращение много-
канальной системы в одно-
канальную приводит к вне-
запному исчезновению
фактора, важнейшего для
первой стадии, — тока рас-
твора и соответственно — к
резкой смене режима фор-
мирования агатового тела.
Это мы и наблюдаем.
Присмотримся вниматель-
но к ядрам агатовых жеод.
Нас интересуют те из них,
что сложены халцедоном.
В однородной массе
можно различить линейный
рисунок, но полосчатость
не столь ясная, как в пери-
ферийной части жеоды,
процесс образования кото-
рой нам уже известен. Слои
здесь четко ориентированы
в том же направлении, что
и нижние застойные зоны
на первой стадии образова-
ния агатового тела. Здесь
опять существенную роль
играет гравитационный
фактор.
Отсутствие четких, как
было ранее, границ слоис-
тости наводит на мысль об
ином, не мембранном про-
цессе формирования цент-
ральных частей агатовых
тел. По гипотезе проника-
ния частицы попадают в ка-
меру с неподвижным рас-
твором посредством диф-
фузии. Однако и тут могут
встретиться любопытные
нюансы.
Поскольку камера теперь
не дренируется и представ-
ляет собой застойную зону,
гелеобразование происхо-
дит только за счет седимен-
тации частиц.
Сейчас с точки зрения
происходящей коагуляции
камера не имеет никаких
преимуществ перед кана-
лом. Вот почему становит-
ся чрезвычайно важной
ориентация питающего ка-
нала относительно вектора
силы тяжести. Горизон-
тально расположенный ка-
нал забьется гелем быстрее
камеры. Вертикально на-
правленный канал, питаю-
щий камеру сверху, спосо-
бен со временем заполнить
раствором всю камеру, а
канал, расположенный под
близким к вертикали углом,
но выходящий в камеру на
ее боковой стенке — толь-
ко до своего устья. По этой
60
ПРИРОДА • № 1 • 2000
МИНЕРАЛОГИЯ. ХИМИЯ
причине агаты из карбо-
натных пород платформен-
ных областей, имеющих,
как правило, горизонталь-
ную ориентацию питаю-
щих каналов (по межплас-
товым трещинам), очень
редко содержат халцедоно-
вое ядро.
Седиментирующиеся и
скоагулировавшие частицы
“осыпаются” в камеру, по-
слойно заполняя ее. Изме-
нение состава раствора ска-
зывается лишь в небольших
колебаниях состава мицелл,
что отражается в различной
концентрации примесей по
слоям и приводит к неясной
полосчатости. Равномерная
полосчатость связана с
крайне медленным осажде-
нием: выпадающие частич-
ки успевают равномерно
распределиться за счет
диффузии.
В случае если концентра-
ция диффундирующих в ка-
меру примесей все-таки до-
статочна для образования
мембран, в центральном яд-
ре (в неподвижной среде!)
прорастают имеющие несо-
мненно мембранное проис-
хождение структуры мохо-
вых агатов.
Наиболее бросающиеся в
глаза дефекты структуры
халцедоновых ядер агатов
— это газово-жидкие пу-
зырьки. Они возникают
скорее всего в последние
стадии уплотнения геля, не-
посредственно предшеству-
ющие его кристаллизации.
Большая часть избыточной
жидкости диффундирует
сквозь гель, но некоторое
количество остается, запол-
няя пространство между
глобулами затвердевающе-
го геля. Газ же образуется
при разложении гидрокар-
бонат-ионов. Когда вяз-
кость среды велика и выход
газа уже невозможен, пу-
зырьки скапливаются в мас-
се геля в местах более сла-
бого межглобулярного вза-
имодействия.
Процесс агатообразова-
ния происходит в массовом
масштабе, и на скорость
протекания растворов (и
закупорку каналов) оказы-
вает значительное влияние
состояние ближайших ка-
мер. Ток жидкости легко
прерывается сразу вдоль
целой цепочки агатовых ка-
мер, особенно при слабой
трещиноватости породы.
III. Стадия кристалли-
зации. При сильном обед-
нении питающего раствора
золем кремнезема, когда
расщепленный рост крис-
таллов прекращается, про-
цесс гелеобразования пе-
реходит в процесс крис-
таллизации кварца. Для
халцедона эта величина,
по-видимому, лежит в об-
ласти, близкой к точке пе-
рехода коллоидного рас-
твора кремнезема в истин-
ный. Кристаллизация из
сильно загрязненных рас-
творов затруднена, поэто-
му рост содержания при-
месей в растворе при со-
хранении высоких концен-
траций кремнезема также
может удерживать систему
в стадии расщепленного
роста.
Истинный раствор может
достаточно легко проникать
сквозь поры геля (в том чис-
ле и после его раскристал-
лизации), и функционирова-
ние каналов и наличие в них
просветов на этой стадии не
обязательны. В спокойной
обстановке за длительное
время свободное простран-
ство заполняется кварцем.
Кристаллизация начинается
от стенок и, когда питающий
раствор обедняется ниже
точки насыщения, прекра-
щается. Поэтому могут обра-
зовываться как полностью
выполненные кварцем жео-
ды, так и пустотелые. Часто
питание иссякает настолько
резко, что образуется лишь
микрокристаллическая
кварцевая щетка на стенках
полости. В этом случае мож-
но говорить о кристаллиза-
ции из маточного (т.е. пол-
ностью изолированного в
камере) раствора.
* * *
В процессе роста агата
могут происходить и “ката-
строфические” изменения,
возвращающие рост агата на
одну из предыдущих стадий,
— превышение величины
критического пересыщения,
вследствие чего кристалли-
зация вновь сменяется геле-
образованием; пересыхание
камеры как временное, так и
окончательное; образование
(в основном за счет подви-
жек) новых каналов или
вскрытие прежних, в резуль-
тате возобновляется образо-
вание мембран.
Вот почему часто тела
агатов имеют такое сложное
строение и высокую индиви-
дуальность, радующие наш
глаз.
В статье приводятся фото-
графии агатов из коллек-
ции музея при Институте
экологии Волжского бас-
сейна РАН.в
ПРИРОДА • № 1 • 2000
Крестины
восьмиметровых
телескопов
В. Г Сурдин.
кандидат физико-математических наук
Москва
NGC 1232
62
ПРИРОД А • V 1 • 2 0 0 0
АСТРОНОМИЯ
У астрономов сложилась
традиция давать боль-
шим телескопам имена
собственные. До сих пор эго
были имена знаменитых уче-
ных или меценатов, чьи уси-
лия и деньги способствовали
рождению уникальных науч-
ных инструментов. Напри-
мер. метровые рефракторы
Лик и Йеркс, 10-метровые
рефлекторы Кек-1 и Кек-2
названы в честь меценатов, а
телескопы 5 — 5-метрового
диаметра Хейл, В.Гершель.
Мейол, Струве. Шейн и Шайн
— в честь астрономов. Уни-
кальному Космическому те-
лескопу дали имя великого
американского астронома
Эдвина Хаббла.
Сотрудники Европейской
южной обсерватории (ЕЮО)
в Чили, создающие сейчас
гигантскую систему из четы-
рех 8-метровых и трех 2-ме-
тровых телескопов на горе
Сьерро-Параналь в пустыне
Атакама, решили не отхо-
дить от этой традиции и то-
же дать своим гигантам име-
на собственные, которые за-
менят их технические обо-
значения VLT UT1—UT4 (т.е
Very Large Telescope, Unit 1 —
Unit 4). Но это будут весьма
оригинальные имена, по-
черпнутые из языка народа
мапуче, живущего в южной
части Чили'. Отныне теле-
скопы VLT UT1—UT4 называ-
ют по порядку гак: Анту
(Солнце), Кьюен (Луна). Ме-
ли паль (Южный Крест) и Йе-
пун (Сириус).
Летом 1998 г. увидел пер-
вый свет звезды телескоп
Анту, к 1 апреля 1999 г. за-
кончился этап его отладки и
тестирования, и новый ин-
струмент был передан в руки
ученых. Он оснащен велико-
лепным комплексом прием-
ной аппаратуры в оптичес-
ком и ближнем инфракрас-
ном диапазонах, а качество
его изображений лучше все-
1 ES() Press Release (Г '4$. ” April I<><><),
О В Г.Сурдин
ПРИРОДА • № 1 • 2000
63
АСТРОНОМИЯ
Восьмиметровые
«глаза»
Очень большого
телескопа (VLT)
получили имена:
Анту (Солнце),
Кьюен (Луна),
Мелипаль
(Южный Крест),
Йепун (Сириус).
го характеризует одно чис-
ло: угловой размер звезды в
его фокусе равен 0.3—0.4”.
Весьма наглядно это прояв-
ляется на полученных с его
помощью изображениях га-
лактик: такой четкостью до
сих пор мог похвастаться
только Космический теле-
скоп им.Хаббла.
Спиральная галактика
NGC 1232, наблюдаемая в со-
звездии Эридан, удалена от
нас примерно на 100 млн
световых лет. Она почти
вдвое больше нашей Галакти-
ки — ее диаметр около 200
тыс. световых лет. Особенно
ясно на цветном изображе-
нии, полученном 23 сентяб-
ря 1998 г. (ESO PR Photo
37d/98), проявилось разли-
чие звездных населений
центральной части и пери-
ферии галактики, характер-
ное для всех спиральных си-
стем2: в окрестности ядра
концентрируются старые
красные звезды, а в спираль-
ных рукавах — молодые мас-
сивные голубые светила.
Слева, на краю снимка, мож-
но заметить небольшую га-
лактику-спутник, форма ко-
торой напоминает гречес-
кую букву 0.
Изображение гигантской
системы взаимодействую-
щих галактик NGC 6872 / IC
4970 было получено 27 фев-
раля 1999 г. (ESO PR Photo
08а/99). Пересеченная спи-
раль NGC 6872 по форме на-
поминает знак интеграла.
Рядом с ней видна сравни-
тельно небольшая линзовид-
ная галактика IC 4970. Яркое
светило с лучиками — это
звезда нашей Галактики, на
сильно передержанном изо-
•’ Подробнее о спирально-вихревой струк-
туре в галактиках см.: Фридман A.M.,
Хоружий О.В. Предсказание и от-
крытие гигантских вихрей’в галактиках //
Природа. 1998. №8. С.7-19; №9. С.25-38.
бражении которой прояви-
лась дифракция света на
зеркале и элементах конст-
рукции телескопа. Представ-
ляют интерес и многочис-
ленные изображения дале-
ких галактик заднего фона.
Длинные внешние части
спиральных рукавов галак-
тики NGC 6872, возможно,
вызваны приливным взаимо-
действием с ее компаньоном
IC 4970; на это указывает
молодость их звездного на-
селения (голубой цвет рука-
вов) и «растрепанный» вид.
Пересеченная спиральная
галактика NGC 1365 — клас-
сический представитель дан-
ного типа. Она входит в
крупное скопление, наблю-
даемое в созвездии Печь, и
удалена от нас на 60 млн све-
товых лет. Полученное изоб-
ражение (ESO PR Photo
20b/99, 30 апреля 1999 г.)
особенно ценно наличием
тонких пылевых деталей в
окрестности ядра, которые
позволяют изучать движение
межзвездного газа.
Все публикуемые здесь
цветные изображения га-
лактик были сделаны на те-
лескопе Анту с помощью ка-
меры FORS1 (Focal Reducer
and Spectrograph). Для син-
теза цветного изображения
каждой галактики использо-
вались три ее черно-белых
снимка, полученные соот-
ветственно в голубых, жел-
тых и красных лучах. Если
бы глаз человека был спосо-
бен различать цвета слабо-
светящихся объектов, мы
видели бы галактики в теле-
скоп такими же цветными. К
сожалению, ночное зрение
человека не чувствительно
к цвету. Но теперь элек-
тронные глаза телескопов
помогают нам восполнить
недостаток природного
зрения.
64
ПРИРОДА • № 1 • 2000
Noto bene
Косм “ «еские исследовал. ия
Химия атмосферы
Снег поставляет формальдегид в атмосферу
Известно, что конечная судь-
ба попадающих в атмосферу ве-
ществ определяется окислитель-
ной способностью воздушной
среды, которая в свою очередь
зависит от присутствия высоко-
активных радикалов (прежде все-
го ОН’), появляющихся в резуль-
тате фоторазложения озона.
Поэтому резкое истощение
озонового слоя в приповерхно-
стной атмосфере Арктики в пе-
риод восхода там Солнца предо-
ставляет возможность лучше по-
нять процессы, регулирующие
баланс озона и, значит, окисли-
тельные способности воздуха.
Катализатором разрушения
молекул озона (0.0 служат атомы
брома; разрушение прекращает-
ся, когда бром вступает в реак-
цию с формальдегидом СН2О,
порождая относительно инерт-
ный бромид водорода (НВг). Од-
нако на сегодня ни роль брома,
ни вклад формальдегида количе-
ственно до конца не поняты, в
частности ни одна из математи-
ческих моделей не предсказыва-
ет высокой концентрации фор-
мальдегида в нижних слоях арк-
тической атмосферы.
Э.Л.Самнер и П.Б.Шепсон
(A.L.Sumner, P.B.Shepson; Уни-
верситет им.Пардью в Вест-Ла-
файете, штат Индиана, США)
провели детальные измерения
газофазной концентрации
формальдегида на канадской по-
лярной станции “Алерт” (о.Элс-
мир, Канадский Арктический ар-
хипелаг). Газоанализатор рабо-
тал в автоматическом режиме с
15 февраля по 26 апреля 1998 г.,
захватив сутки полярной ночи и
сутки уже начавшегося полярно-
го дня. Измерительный цикл ус-
тановки занимал 20 мин. Одно-
временно с атмосферной со-
ставляющей определялось при-
сутствие СН2О в заполненных
воздухом пустотах снежного по-
крова как на суше, так и во льдах
Северного Ледовитого океана
(65 км к северу от основной
лаборатории). Данные по кон-
центрации СН2О непрерывно
сопоставлялись со значениями
приповерхностной концентра-
ции О, над станцией “Алерт”.
Сравнительный анализ дан-
ных и теоретически ожидаемых
значений скорости фотодиссо-
циации формальдегида обнару-
жил значительные расхождения
и привел исследователей к выво-
ду, что такое несовпадение мо-
жет быть вызвано выработкой
СН2О в фотохимических про-
цессах, происходящих на грани-
це снега с воздухом. Поступле-
ние этого газа сравнимо с его
основным производством в сво-
бодной тропосфере в реакции
между гидроксид-радикалом ОН'
и метаном СН2. Образующийся
формальдегид под действием
света диссоциирует, становясь в
свою очередь основным источ-
ником поступления в нижнюю
тропосферу полярных регионов
таких активных оксидантов, как
свободные радикалы.
Авторы считают вероятным,
что формальдегид участвует и в
фотохимических процессах на
поверхности снега, способствуя
высвобождению брома, а это —
первый шаг к истощению тропо-
сферного озона в Арктике.
Nature. 1999. V.398. №6724. Р.230 (Велико-
британия).
"Вояджеры" — самые
удаленные от Земли
искусственные объекты
Запущенные почти четверть
века назад американские авто-
матические межпланетные стан-
ции “Вояджер-1 и -2” продолжа-
ют сбор данных о физической
среде в отдаленных областях
Солнечной системы. Приборы,
регистрирующие состояние
внешней гелиосферы, космичес-
кие частицы, волны и магнит-
ные поля, действуют в основном
нормально.
В ноябре 1998 г. связь с “Воя-
джером-2” была ненадолго утра-
чена, но Центру управления по-
летами в Пасадене (штат Кали-
форния) удалось по команде
включить запасной радиопере-
датчик и восстановить связь. В
компьютерную систему станции
внедрена новая программа,
обеспечивающая процедуру во-
зобновления связи на случай по-
вторных неполадок.
В целях экономии электро-
энергии отключена стабилизи-
рованная платформа этого ап-
парата. Аналогичную операцию
проделают с “Вояджером-1” в се-
редине 2000 г. Таким образом,
предполагаемый срок полезной
“жизни” обеих автоматических
станций продлевается до 2020 г.
“Вояджер-2” покинул Сол-
нечную систему со скоростью
15.9 км/с под углом 48“ к югу от
плоскости эклиптики и в апреле
1999 г. уже находился в 8.6 млрд
км от нашей планеты. Из 11 на-
учных экспериментов, постав-
ленных на его борту, пять про-
шли успешно; среди них — реги-
страция космических лучей, за-
ряженных частиц низких энер-
гий, изучение плазмы и ее волн,
магнитных явлений. Все данные
регулярно поступают на Землю;
на связь “в оба конца” сейчас
уходит около 16 ч.
Самым удаленным от Земли
искусственным космическим
объектом ныне является “Вояд-
жер-1”: в апреле 1999 г. его от
нас отделяли 10.9 млрд км (бо-
лее 70 расстояний от Земли до
о
о
г
£
£
$
$
ПРИРОДА * № 1 • 2000
63
Солнца). Траектория этого аппа-
рата направлена под углом 35° к
северу от плоскости эклиптики,
а скорость достигает 17.3 км/с.
Передача на его борт радиоко-
манд и прием отклика занимают
примерно 20 ч.
Astronomy and Geophysics. 1999. V. 40. № 2.
Р. 217. (Великобритания).И
Кос яические исслеловани!
Взгляд на Вселенную
в ультрафиолете
С космодрома на мысе Кана-
верал 24 июня 1999 г. в 11 ч 44
мин по местному времени (с
опозданием на пять минут из-за
лодки, некстати заплывшей в зо-
ну ограниченного доступа) был
проведен очередной запуск ис-
кусственного спутника Земли'.
Ничего необычного в этом, ко-
нечно, нет. Но представители
НАСА считают этот старт успеш-
ным вдвойне.
Действительно, наконец пре-
рвалась длинная череда неудач.
В апреле —мае четыре запуска
спутников закончились полным
крахом: в трех случаях они не
были выведены на расчетные
орбиты, а в четвертом ракета со
спутником сгорела в атмосфере.
Виновницей провала в одном из
этих запусков стала новейшая
ракета “Дельта-3”, разработан-
ная корпорацией “Боинг”. По за-
мыслу создателей, эта ракета-
носитель — образец нового по-
коления. Из-за неполадок в сис-
теме связи ракеты “Титан-2” был
отложен запуск метеоспутника
“Квикскат”, а еще ранее бюро-
кратические преграды с полити-
ческим подтекстом надолго за-
держали начало работы амери-
кано-российско-украинского
комплекса “Морской старт”.
Не надо пояснять, что каж-
дый неудачный старт — это не
только потеря дорогой аппара-
туры, но, как правило, задержка
других запланированных запус-
ков с аналогичной ракетой, вы-
званная выяснением причин
предыдущего провала. Вот поче-
' По материалам НАСА: http:/pao.
hsfc.nasa.gov/gsfc/SpaceSci/fuse/fuse.htm и
агентства Рейтер.
6*
му после второго за месяц ус-
пешного запуска, осуществлен-
ного ракетой-носителем “Дель-
та-2”, предшественницей про-
штрафившейся “Дельты-3”, ин-
женеры НАСА и корпорации “Бо-
инг” вздохнули с облегчением.
Но, разумеется, “звездой” в
тот день стала не ракета-носи-
тель, а размещенная в ее голо-
вном отсеке спектроскопичес-
кая обсерватория дальнего ульт-
рафиолетового диапазона FUSE
(Far Ultraviolet Spectroscopic
Explorer). Через 76 мин после
запуска полторы тонны прибо-
ров общей стоимостью 204 млн
амер. долл.оказались на расчет-
ной орбите.
Зачем нужна эта обсервато-
рия? Главная задача, стоящая пе-
ред FUSE, — определить содер-
жание водорода и дейтерия в до-
ступной для обсерватории части
Вселенной по ультрафиолето-
вым спектрам сотен звезд. Дело
в том, что два изотопа водорода
возникли в первые мгновения
после Большого взрыва, кото-
рый, как полагают астрофизики,
привел к рождению Вселенной.
В звездах, которые используют
водород и дейтерий как “топли-
во” на разных стадиях термо-
ядерной реакции, со временем
соотношение Н/D меняется. Из-
мерения количественных харак-
теристик распределения изото-
пов водорода, а также межзвезд-
ного газа позволят приблизить-
ся к разгадке тайны происхож-
дения Вселенной.
Конечная цель всех измере-
ний — определить, сколько .ма-
терии образовалось во время
Большого взрыва. От этого зави-
сит и дальнейшая судьба нашего
мира: если современная плот-
ность материи выше некоторой
критической величины, расши-
рение Вселенной впоследствии
сменится сжатием, и она в конце
концов исчезнет, сжавшись в
точку; если плотност£ ниже кри-
тического значения, — Вселен-
ная будет расширяться вечно.
Первые измерения подобно-
го рода были выполнены в 70-е
годы аппаратурой американско-
го спутника “Коперник”, но чув-
ствительности приборов хвати-
ло только на обзор нескольких
близких ярчайших звезд. Мис-
сия FUSE планировалась НАСА
еще в начале 90-х, но проект
оказался слишком дорогим. В
1994-м его передали на доработ-
ку в Университет Дж.Хопкинса,
специалисты которого сумели
существенно удешевить спут-
ник, создав более компактные
приборы из готовых деталей.
Помогли и другие американские
университеты, канадское и
французское космические
агентства, предоставившие ка-
меру и компоненты спектрогра-
фа. С миру по нитке — вышла во-
все даже неплохая “рубашка”:
приборы FUSE в 10 тыс. раз чув-
ствительнее, чем у “Коперника”.
О Д.Жарков,
доктор философии
Университет штата Нью-Йорк
Стони-Брук (США)и
^(имия атмосферы
Озоносфера
над Антарктикой
в 1998 году
Международная сеть озоно-
метрических станций предста-
вила данные о состоянии озоно-
вого слоя атмосферы в южнопо-
лярном регионе Земли за 1998 г.
Как и в предыдущие весенние
сезоны Южного полушария,
концентрация озона в освещен-
ных Солнцем областях начала
снижаться с конца июля. В авгу-
сте среднемесячные показатели
в полосе от 60°ю.ш. до Южного
полюса оказались самыми низ-
кими за последние 20 лет на-
блюдений.
Полярная стратосферная во-
ронка была четко выражена;
температура в слое с уровнем
атмосферного давления 50 Па
составляла минус 80—90°С, что
способствовало истощению озо-
на. Во второй половине августа
площадь озонной дыры достигла
10 млн км2, а к середине сентяб-
ря уже превысила 20 млн км2.
Столь быстрое расширение ни-
когда ранее не наблюдалось.
Низкие показатели содержа-
ния озона продержались в тече-
ПРИРОДА > № 1 • 2000
ние 40 сут, что также беспреце-
дентно. В первые три недели ок-
тября дефицит озона достигал
70%, причем абсолютный мини-
мум наблюдался вблизи Южного
полюса.
На полярных станциях Ма-
рамбио, Неймайер (Бразилия),
Сева (Япония) и Южный полюс
(Амундсен-Скотт, США) в начале
сентября было зарегистрирова-
но 55—65%-е истощение озона.
С середины сентября на про-
тяжении более месяца наблюда-
лось почти полное исчезнове-
ние озона на высотах между 14 и
22 км. В то же время температу-
ра в нижней стратосфере держа-
лась много ниже минус 7б°С —
порога быстрого фотохимичес-
кого разрушения этого газа.
В средних широтах Южного
полушария концентрация озона
с августа по октябрь 1998 г. была
на 4—6% ниже средних величин
того периода, когда озонные ды-
ры еще не наблюдались.
World Climate News (ВМО). 1999. №14. Р. 7
(Швейцария).
Би* логия
Летучие мыши
и тропические лианы
Несколько сот видов тропи-
ческих растений размножаются
благодаря летучим мышам, кото-
рые подобно насекомым пере-
носят пыльцу с цветка на цветок.
Известно, что строение цветка у
опыляемых насекомыми расте-
ний идеально адаптировано к
конкретному виду. А как обстоит
дело с растениями, которые
опыляются летучими мышами?
Д. и О.фон Хельферсен
(D.von Helversen, О.von
Helversen; Университет в Эрлан-
гене, Германия) подробно изу-
чили строение цветков тропиче-
ской лианы Мисипа holtonii. Это
растение распространено в эк-
ваториальных лесах Централь-
ной Америки. Довольно крупные
цветки (около 4 см в длину) со-
браны в соцветия. Такие цветки
относятся к типу мотыльковых
— они имеют два лепестка, со-
ставляющих “лодочку”, два по-
перечных лепестка-“весла” и
один — “парус”; последний вста-
ет вертикально, когда цветок со-
зревает. Чтобы достать нектар,
летучая мышь садится на цветок
и сверху носом' проникает в
щель между “веслами”. При этом
на мышь попадает пыльца, кото-
рую она переносит на другие
растения.
Вертикальный “парус” у зре-
лого цветка M.holtonii представ-
ляет собой маленькую вогнутую
пластинку шириной до 19 мм.
Исследователи предположили,
что этот лепесток может слу-
жить отражателем акустических
сигналов летучих мышей, спо-
собствуя таким образом обнару-
жению цветка. Действительно,
когда у половины цветков удали-
ли “парус”, оказалось, что мыши
посещают нетронутые экземпля-
ры в четыре раза чаще. Во вто-
ром эксперименте вогнутую по-
лость “паруса” закрывали ко-
мочками ваты, что подавляло
эхо, но не изменяло ни формы
лепестка, ни запаха цветка. По-
сещаемость таких цветков резко
снижалась.
Исследователи измерили от-
ражательные свойства “паруса”,
облучая его импульсами ультра-
звука, близко повторяющими
сигналы летучих мышей - опы-
лителей растения. Эти опыты
подтвердили высокую отража-
тельную способность раскрыто-
го “паруса” по сравнению с дру-
гими частями соцветия. Они по-
казали также, что вогнутая гео-
метрия обеспечивает эффектив-
ное отражение в широком диа-
пазоне углов падения (в конусе с
раскрытием ±40°), причем угло-
вое распределение отраженных
волн сосредоточено также в ши-
роком конусе (±30*). Установ-
ленный характер эхо-сигнала
означает, что поднятый “парус”
готового к опылению цветка хо-
рошо заметен для пролетающей
мыши и чем-то напоминает глаз
кошки в свете фар автомобиля.
Предложенный механизм
адаптации к эхолокационной
системе мышей-опылителей ко-
свенно подтверждается и другим
наблюдением ученых: те виды
лианы Мисипа, которые опыля-
ют летучие мыши рода
Megacbiropteran, не обладающие
эхолокационной системой, не
имеют и соответствующего при-
способления — поднятого во-
гнутого “паруса”.
Nature. 1999. V.398. № 6730. Р. 759-760 (Ве-
ликобритания).Н
Зоология
Филиппинский
паук-плевака
Пауки-плеваки, или сцитоде-
сы (семейство Scytodedae, род
Scytodes), известны своей уни-
кальной “плевательной паути-
ной”. Дело в том, что примерно
половина ядовитых желез в их
головогруди превратилась в пау-
тинные, и сцитодесы могут про-
сто заплевывать свою добычу. А
“нормальные” паутинные железы
на кончике брюшка развиты сла-
бо и выделяют паутину всего
двух типов. На территории быв-
шего СССР отмечено несколько
видов сцитодесов — на юге евро-
пейской части, на Кавказе и в
Средней Азии. Большинство ви-
дов обитает в тропических и суб-
тропических регионах. Биология
сцитодесов — любимый объект
исследований арахнологов.
Недавно арахнологи из Уни-
верситета в Крайстчерче (Новая
Зеландия) совместно с сотруд-
ником Международного инсти-
тута исследований по рису в
Лос-Баньосе (Филиппины) ис-
следовали биологию и поведе-
ние сцитодеса, обитающего в
окрестностях Лос-Баньоса. Так-
сономически этого паука им
удалось определить только до
рода, но, возможно, это новый
для науки вид1.
Филиппинский сцитодес
умеет строить небольшую пау-
тинную сеть. Для него характер-
но охотничье поведение двух
типов: он может быть и актив-
ным преследователем, отлавли-
вая добычу вне сети (около 5%
случаев), и засадчиком, подкара-
уливая ее внутри сети. Сама сеть
1 Daigin Li, Jackson R.R.,
Barrion A.T. 11 Journ. of Zoology,
London. 1999. V. 247. № 3. P. 293-310 (Вели-
кобритания).
ПРИРОДА • № 1 • 2000
67
a
*
очень проста и представляет со-
бой разреженную пластинчатую
конструкцию вокруг согнутого
листка (живого или отмершего)
с трубчатым гнездом, открываю-
щимся на пластинку. Питается
он пауками-скакунчиками, реже
— насекомыми и другими паука-
ми. После охоты часто завора-
чивает добычу в паутину. Как и у
других сцитодесов, самка фи-
липпинского паука откладывает
яйца в яйцевой кокон и держит
его в своих хелицерах вплоть до
вылупления личинок. После вы-
лупления они остаются в мате-
ринской сети и живут там до
своей третьей линьки. Самое
удивительное — самка иногда
даже приносит добычу для свое-
го потомства.
Таким образом, сцитодесы
проявляют целый спектр ин-
стинктов — от простого плева-
ния до сетестроения и даже раз-
витой заботы о потомстве. Более
того, предварительные данные
свидетельствуют о том, что фи-
липпинские сцитодесы стремят-
ся к образованию колониальных
поселений, подобно одной из
австралийских форм2. В отличие
от других видов, внутривидовая
агрессия для филиппинского
сцитодеса нехарактерна.
Удивительна изменчивость
поведения и биологии пауков
даже в пределах одного рода! Бу-
дем надеяться, что более систе-
матические исследования сци-
тодесов откроют нам все тайны
их жизни.
О Михайлов К.Г.,
кандидат биологических наук
МоскваИ
Генетика
Тетраплоиды среди
млекопитающих
Общепринято, что млекопита-
ющие не могут быть полиплоида-
ми, поскольку для нормального
функционирования механизмов
определения пола необходимо,
чтобы одна из Х-хромосом нахо-
дилась в инактивированном со-
‘ Об австралийских сцитодесах см.: М и -
хайлов К.Г. Эволюция социальности
упауков //Природа. 1992. № 12. С. 106—107.
стоянии. Если же число Х-хромо-
сом увеличивается, механизм
инактивации нарушается и жи-
вотные становятся стерильными
или нежизнеспособными (у чело-
века триплоидные зародыши по-
гибают еще в процессе внутриут-
робного развития). Тем не менее
существует млекопитающее с тет-
раплоидным набором хромосом!
Это обитающий в пустынях Ар-
гентины грызун красная вискаша
(Tympanoctomys barrerae, семей-
ство Octodontidae). Его геном
изучала группа исследователей
из Аргентины, Чили и США под
руководством М.Галлардо (М.Gal-
lardo; Университет Южного Чи-
ли, Вальдивия).
С тетраплоидностью связан
целый ряд уникальных характе-
ристик этого животного. Если
масса ядерной ДНК в клетке мле-
копитающего — величина весьма
постоянная и варьирует от 6 до 8
пг, то геном красной вискаши до-
стигает 16.8 пг — в два раза боль-
ше, чем ДНК ближайших родст-
венных видов — Octodontomys
gliroides и Octomys mimax. От ко-
личества ядерной ДНК зависит
размер головки спермия. Неуди-
вительно поэтому, что ее сред-
ние размеры у T.barrerae
14.1x13 4 мкм2, что в 2 — 3 раза
больше, чем у названных видов.
Оказалось, что в геноме крас-
ной вискаши учетверены только
аутосомы, а число половых хро-
мосом — обычное для диплоид-
ных организмов: у самок XX, а у
самцов XY. Исследователи пола-
гают, что именно благодаря это-
му красные вискаши сохранили
жизнеспособность и плодови-
тость.
Nature. 1999. V. 401. № 6751. Р.341
(Великобритания).
Физиоло. ИЯ
Генетическое
изменение пацяти
у мышей
Один из важнейших меха-
низмов, лежащих в основе обу-
чения и памяти, — усиление си-
наптической проводимости
между клетками, которые акти-
вируются одновременно (так
называемое правило Хебба). Это
выражается в появлении дли-
тельной потенциации (ДП) —
устойчивого скачка потенциала
на клеточной мембране, вслед-
ствие чего проводимость увели-
чивается. Электрические про-
цессы на мембране клетки про-
исходят благодаря химическим
— взаимодействию нейромедиа-
тора (химического передатчи-
ка) и соответствующего рецеп-
тора (белковой структуры,
встроенной в мембрану). К по-
следним относятся NMDA-pe-
цепторы (от названия медиато-
ра N-methyl-D-aspartate), взаи-
модействующие с нейромедиа-
тором глутаматом, в результате
чего в клетках гиппокампа появ-
ляется ДП. NMDA-рецептор со-
стоит из субъединицы NR1 и не-
скольких субъединиц NR2. В ре-
цепторах клеток гиппокампа и
коры головного мозга различа-
ют NR2A- и МД2В-субъединицы,
которые, образуя комплекс с
NR1, действуют на ионные кана-
лы мембраны и вызывают ДП.
Было показано, что в мозге ко-
личество работающих NR2B
уменьшается с возрастом жи-
вотного, что коррелирует с воз-
растным ухудшением обучения
и памяти.
Я-Пин Танг с коллегами (Ya-
Ping Tang et al.; Принстонский
университет, США) оценили, на-
сколько 1ЧД2В-субъединица дей-
ствительно необходима для
формирования памяти. Они по-
лучили трансгенных мышей, у
которых была повышена экс-
прессия гена, кодирующего бе-
лок NR2B в клетках коры и гип-
покампа. В результате увеличи-
валось количество NMDA-рецеп-
торов, содержащих ЫВ2В-субъе-
диницу, и пластичность синап-
сов у взрослых животных оста-
валась на уровне молодых.
Ученые протестировали па-
мять трансгенных мышей и их
способность к обучению. В воз-
расте 3—6 мес мышам предъяв-
ляли несколько незнакомых
предметов и оценивали их ори-
ентировочно-исследователь-
скую реакцию. В повторной- се-
рии один из предметов заменя-
ем
ПРИРОДА > № 1 • 2000
ли на новый и наблюдали, есть
ли разница между обследовани-
ем знакомых предметов и ново-
го. (Обычно незнакомый пред-
мет мыши обследуют дольше.)
Трансгенные мыши помнили
предметы дольше, чем кон-
трольные, что говорит о лучшем
формировании у них долговре-
менной памяти.
В следующем эксперименте
оценивали две формы памяти,
связанной с неприятными ощу-
щениями: на условный стимул и
на обстановку опыта. В камере
животные слышали звук, за ко-
торым следовал удар током.
Критерием запоминания была
реакция замирания (страха) в
ответ на звук, а также замирание
при помещении в камеру. Как по
первому, так и по второму типу
условных реакций трансгенные
мыши обучались быстрее, чем
контрольные. Реакция страха
сохранялась у них дольше.
Для исследования простран-
ственной памяти мышей приме-
няли так называемый водный ла-
биринт Морриса. В этом тесте
мыши должны отыскать спря-
танную под водой платформу,
ориентируясь по внешним сти-
мулам. Трансгенные мыши более
целенаправленно искали плат-
форму и находили ее быстрее,
чем контрольные.
В целом поведение трансген-
ных мышей в тестах было таким,
считают авторы, как поведение
более молодых животных. Сле-
довательно, NMDA-рецепторы
играют важную роль в усилении
синаптической пластичности и,
как следствие, в формировании
памяти.
Nature. 1999. V.401. №6748. Р 63-69 (Ве-
ликобритания).
Этология
Способность
шимпанзе узнавать
своих родственников
Умение различать индивиду-
умов среди представителей соб-
ственного вида имеет огромное
значение для эволюции соци-
альности у млекопитающих. Эта
способность может приводить к
появлению “личных отношений”
и сотрудничества. Особенно
важно уметь отличать родствен-
ников (т.е. животных, у которых
много общих генов с генами са-
мой особи) от других предста-
вителей вида.
Л.Парр (L.Parr; Университет в
Имори, штат Джорджия, США) и
Ф.де Вааль (F.de Waal; Региональ-
ный центр изучения приматов в
Йерксе, США) изучали у пяти
взрослых шимпанзе способ-
ность отличать одну обезьяну от
другой, а также родственников
от прочих животных.
Сначала обезьянам показыва-
ли на мониторе компьютера чер-
но-белую фотографию шимпан-
зе, а вслед за этим — два других
снимка, и животное должно бы-
ло выбрать тот, который соот-
ветствовал снимку-образцу. Ра-
нее шимпанзе ни разу не видели
ни одну из сфотографирован-
ных обезьян. В некоторых опы-
тах одна из фотографий пред-
ставляла собой иной снимок той
же обезьяны; в части опытов об-
разцом служила фотография ма-
тери, а для сравнения предъявля-
ли снимки ее сыновей и дочерей.
Наконец, в ряде экспериментов
использовали изображения раз-
ных обезьян, не связанных род-
ственными отношениями.
Оказалось, что обезьяны хо-
рошо отличают одного шимпан-
зе от другого и способны обна-
ружить сходство между матерью
и сыном. Однако процент пра-
вильных решений во время де-
монстрации снимков матери и
дочери достоверно не отличал-
ся от процента, когда предъяв-
ляли фотографии шимпанзе-не-
родственников. Иными словами,
шимпанзе считали мать и дочь
столь же не похожими друг на
друга, как и двух любых других
обезьян.
Таким образом, шимпанзе
могут воспринимать сходство
между шимпанзе-родственника-
ми, однако эта способность, по-
видимому, ограничена отноше-
ниями мать—сын.
Nature. 1999. V 399 № 6737. Р. 647 (Ве-
ликобритания).
Этология
Просмотр боевиков
повышает
агрессивность
не только у людей
На 5-м Международном кон-
грессе по нейроэтологии, про-
ходившем в Сан-Диего в августе
1998 г., группа исследователей
из Техасского университета в
Остине сообщила о результатах
любопытного эксперимента'.
Ученые наблюдали поведе-
ние двух групп взрослых самцов
красногорлого анолиса (Anolis
carolinensis) — в каждой по де-
вять ящериц. В течение пяти
дней самцам первой группы по-
казывали видеофильм, в кото-
ром их соплеменник демонстри-
ровал агрессивные поведенчес-
кие реакции, столь характерные
для этого вида: угрожающе тряс
головой, раздувал горловой ме-
шок и сжимал бока, благодаря
чему его тело казалось особенно
большим. В контрольной группе
тоже проводились ежедневные
видеосеансы, но демонстриро-
вались лишь абстрактные пере-
мещения зеленых шаров. Затем
каждый самец из обеих групп
выпускался на “ринг” с реаль-
ным противником.
В ходе видеопросмотров, а
позже — при столкновениях
самцов с противником наблюда-
тели тщательно регистрировали
агрессивные реакции и степень
их проявления, а также опреде-
ляли уровень стресса по окрас-
ке, которая у анолисов, как и у
хамелеонов, служит четким ин-
дикатором внутреннего состоя-
ния.
Оказалось, что видеофильм,
показывающий разъяренного
сородича, вызывает у анолисов
намного более выраженную аг-
рессивность, чем нейтральный
мультик, а после регулярного
просмотра боевиков самцы го-
раздо агрессивнее реагируют на
реального противника. В то же
время выяснилось, что фильм не
влияет на уровень стресса.
1 5 th International Congress of Neuroethology.
Program and Abstracts. San Diego, California,
23-28 August 1998. P. 216.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
69
а
Конечно, американские ис-
следователи не ставили своей
целью изучить социальное влия-
ние телевидения на взаимоотно-
шения ящериц. В их задачу вхо-
дило проверить гипотезу о воз-
можной роли предварительного
опыта на степень проявления аг-
рессивности, а видеофильм был
лишь средством проведения экс-
перимента, который подтвер-
дил, что опыт, накопленный при
встречах с противником (пусть
и с виртуальным), действитель-
но приводит к усилению агрес-
сивных реакций.
© Д.В.Семенов,
кандидат биологических наук
МоскваЯ
Медицина
Новый способ
профилактики
инфекционных
заболеваний
Для профилактики острых
респираторных вирусных ин-
фекций (ОРВИ) важно опреде-
лить людей, которые обладают
повышенной восприимчивос-
тью к ним. С другой стороны, в
профилактических целях часто
применяют препараты и пище-
вые добавки, которые могут вы-
зывать аллергию и другие небла-
гоприятные последствия. Поэто-
му необходимо найти немедика-
ментозные методы коррекции
иммунитета.
Совместными усилиями со-
трудников Нижегородского воен-
но-медицинского института и На-
учно-исследовательского физи-
ко-технического института Ни-
жегородского государственного
университета (В.А.Балчугов,
Е.И.Ефимов и др.) разработано
новое направление профилакти-
ки инфекционных заболеваний с
использованием колебаний высо-
кой частоты (КВЧ-профилакти-
ка). Суть его — сочетание экс-
пресс-диагностики состояния
иммунной системы с последую-
щей иммунокоррекцией. Основ-
ной метод диагностики — опре-
деление температуры рефлектор-
ных зон человека, достоверно ха-
рактеризующих состояние цент-
ральных органов иммуногенеза
(тимуса, селезенки).
Иммунокоррекцию проводят
с помощью сверхвысокочастот-
ного генератора, излучающего
электромагнитные волны в мил-
лиметровом диапазоне (30—300
ГГц). Оказалось, что КВЧ-профи-
лактика (шесть сеансов воздей-
ствия через день по две минуты
на симметричные акупунктур-
ные точки хэ-гу, цзу-сань-ли и
хуа-чан), проведенная для воен-
нослужащих перед началом эпи-
демии ОРВИ в 1997—1998 гг.,
привела к достоверному сниже-
нию заболеваемости в 1.7 раза.
По сравнению с контрольной
группой у военных, прошедших
КВЧ-профилактику, болезнь
протекала в более легкой форме,
а ее продолжительность
сократилась на 1 — 2 дня.
Миллиметровые волны в биологии и меди-
цине. 1999. №1. С.34 (Россия).И
Сельсксэ хозяйство
Опыт
крокодиловых ферм
в Восточной Африке
Периодически потрясающие
Европу скандалы, связанные с
появлением то тут, то там опас-
ных для здоровья людей мясо-
продуктов, заставляют потреби-
телей избегать говядины, свини-
ны, курятины и все чаще обра-
щаться к нетрадиционным, экзо-
тическим и (пока?) безвредным
источникам животного белка.
Так, европейцы все чаще упо-
требляют в пищу страусов и кен-
гуру. Еще один вариант замены
традиционной белковой пищи...
крокодилы. Мясо у них белое,
чем-то напоминает курятину
или баранину.
Крокодиловые фермы в Азии
известны довольно давно. А вот
для Африки, особенно Восточ-
ной, это дело новое и перспек-
тивное. Английский исследова-
тель Дж.Купер (J.Cooper), рабо-
тающий в Сельскохозяйствен-
ном университете Танзании,
обобщил опыт фермерства в
Кении, Танзании, Уганде, где
разводят нильского крокодила
(Crocodylus niloticus). Этот вид
— один из наиболее крупных
представителей отряда крокоди-
лов: самцы достигают в длину
3.3 м. Лет 50 назад нильский
крокодил был объектом интен-
сивного промысла, однако в по-
следние годы состояние вида
находится под международным
контролем и его добыча ограни-
чивается.
Крокодилы в Африке выра-
щиваются как на ранчо, так и на
специальных фермах. В первом
случае яйца собирают в приро-
де, во втором — получают от со-
держащихся в неволе животных.
В естественных условиях гнезда
крокодилов нередко приходится
отыскивать с помощью легких
самолетов. Яйца изымают при-
мерно через 50 сут после от-
кладки (этот срок считается оп-
тимальным для получения наи-
большего количества детены-
шей) и помещают в искусствен-
ные гнезда или специальные ин-
кубаторы, в норме из них вылуп-
ляется 80—90% детенышей.
На фермах крокодилов со-
держат либо небольшими груп-
пами, состоящими из одного
самца и 6—8 самок, либо круп-
ными стадами, в которых может
насчитываться до 60 самцов и до
300 самок.
Вылупившихся детенышей
ежедневно кормят мясом или
рыбой. Уже в трехмесячном воз-
расте они достигают полуметро-
вой длины. В неволе крокодилы
растут гораздо быстрее, чем в
природе, и становятся половоз-
релыми уже в 8—10 лет (на воле
— только достигнув 20-летия).
Однако в целях промышленного
использования так долго их не
содержат: забивают уже в 12 —
14-месячном возрасте. Наиболее
ценная продукция — крокодило-
вая кожа, но кроме того с каждо-
го животного длиной 1.2 —1.4 м
получают до 3 4 кг мяса.
Развитие крокодилового фер-
мерства в Восточной Африке со-
четается с усилиями по сохране-
нию этих животных в природе.
Во-первых, часть выращенных
животных (например, в Уганде —
5%) обязательно выпускают на во-
лю. Во-вторых, к работе на фер-
70
ПРИРОДА * № 1 * 2000
мах широко привлекают местное
население, и те же люди, которые
совсем недавно уничтожали гнез-
да крокодилов, теперь участвуют
в сборе яиц для инкубации. Нако-
нец, фермы открыты для посеще-
ния, что играет важную роль в
формировании правильного от-
ношения к крокодилам, понима-
ния необходимости их рацио-
нального использования.
British Неrpetological Society Bulletin. 1999.
№ 66. Р. 35—38 (Великобритания).
Охрана природы
Огни небоскребов
дезориентируют
птиц-мигрантов
На путях перелетных птиц
встречается множество естест-
венных преград, однако они их
успешно преодолевают. Но ког-
да перед ними встают небоскре-
бы, высотные мачты, крупнога-
баритные рекламные щиты, то
ночное освещение этих огром-
ных инженерных сооружений
нарушает навигацию птиц по
небесным светилам, что служит
причиной их массовой гибели.
По данным Всемирного фон-
да дикой природы, от столкно-
вений птиц с подобными соору-
жениями ежегодно на террито-
рии Северной Америки погибает
более 100 млн пернатых. Осо-
бенно много потерь приходится
на период темных и туманных
ночей: птицы сталкиваются с
рекламными щитами, в замеша-
тельстве беспомощно бьются
крыльями об оконные стекла и
рамы, а обессилев, замертво па-
дают на уличные мостовые. По-
скольку по утрам их тела убира-
ют мусорщики или уничтожают
бродячие кошки и собаки, про-
блема миграций птиц над боль-
шими городами остается для жи-
телей незамеченной.
В 1993 г. добровольцы разра-
ботанной в Канаде Программы
по защите птиц от воздействия
мощных источников света
(Canadian Fatal Light Awareness
Program — FLAP) начали патру-
лировать пригороды Торонто в
сезоны массовых миграций
птиц,собирая раненых и погиб-
ших особей. Специалисты FLAP
определили среди них 129 ви-
дов, причем некоторые виды от-
несены к категории исчезающих
или находящихся иод угрозой
исчезновения. Это — американ-
ская восточная мухоловка
(Empidonax virescens), рубино-
воголовый королёк {Regulus ca-
lendula), редкие виды славок, от-
носящиеся к родам Sylvia и
Dendroical.
FLAP, во избежание столкно-
вений птиц с высотными соору-
жениями, разработали совмест-
но со Всемирным фондом охра-
ны дикой природы новую про-
грамму: “Птицам — гостеприим-
ное пристанище” (“Bird —
Friendly Building Program”), в со-
ответствии с которой выключа-
ются источники света или резко
сокращается пользование ими,
осуществляется переход к аль-
тернативной светотехнике. В
1996 г. на здании Royal Bank of
Canada были проведены первые
работы по реализации постав-
ленных целей. Позднее к этой
программе присоединились вла-
дельцы 98 небоскребов (учтя,
вероятно, что минимизация ос-
вещения ведет к экономии
средств).
Wildlife conservation. 1999. V. 102. № 3. Р. 15
(США).Я
Охрана природы
Выставка
"Гремящие прерии"
С большим размахом зоопарк
г.Форт-Уэрт (штат Техас, США)
провел открытие выставки “Гре-
мящие прерии”. На участке пло-
щадью в 0.8 га были выселены из
вольеров американский бизон,
койоты,дикие индейки и в этой
естественной среде обитания
воссоздана жизнь животных, ко-
торые некогда в изобилии засе-
ляли земли современного Техаса.
Численность американских
бизонов на континенте до его
освоения европейцами оценива-
ется в 60 млн голов; к концу XIX
в. активная охота, организован-
ная колонистами, привела к
почти полному их истреблению.
Сейчас благодаря большой ре-
продуктивной работе числен-
ность сохранившейся популя-
ции в 1500 голов восстановлена
до 200 тыс.
Аналогичным образом сложи-
лась судьба койотов: в зоопарках
в настоящее время содержится
немногим более 200 животных, в
природе же койот отсутствует.
Зоопарк г.Форт-Уэрт — участник
Национального плана сохране-
ния и выживания койота.
Исследование палеонтоло-
гических находок свидетельст-
вует о том, что 10 млн лет назад
дикие индейки водились на
американских землях в великом
множестве. С притоком колони-
стов бесконтрольная охота и
разрушение мест обитания при-
вели к их полному истреблению
в 18 из 39 штатов, находящихся
в пределах первоначального
ареала. Ныне дикие индейки
возвращены в родные места
обитания.
Помимо наблюдения за пове-
дением животных посетители
выставки могут ознакомиться со
знаменитыми фургонами пионе-
ров-колонистов и бытовой сто-
роной их жизни в американских
прериях.
Wildlife conservation. 1999. V.102. №3. Р.16
(США).Я
Экология
Растения очистят
национальный парк
В 1998 г. на юге Испании
произошла экологическая ката-
строфа: из-за обрушения дамбы,
ограждавшей отстойник крупно-
го горнодобывающего произ-
водства, 7 млн т токсичных от-
ходов попали в воды и на берега
р.Гвадалквивир, а также на при-
легающую территорию Нацио-
нального парка Доньяна1. При-
мерно несколько десятков тысяч
тонн металлов, включая цинк,
свинец, мышьяк и медь, успело
просочиться с водой в почву на
глубину около 20 см, а изъять их
оттуда обычным способом не-
возможно.
1 См.: Спасена ли Доньяна? // Природа.
1999. № 1. С. ПО.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
71
семьи,
Этой проблеме была посвя-
щена экологическая конферен-
ция (Севилья, январь 1999 г.), на
которой большой интерес вы-
звало выступление В. де Лоренсо
(V. de Lorenzo; Национальный
центр биотехнологии, Мадрид,
Испания). Он предложил засеять
загрязненную территорию рас-
тениями, выращенными по спе-
циальной генно-инженерной
технологии, усиливающей спо-
собность впитывать из почвы
металлы.
Однако против этого высту-
пили сторонники охраны при-
родной среды, возглавляемые
активистами “Гринпис”: они
считают, что появление генети-
чески модифицированных рас-
тений опасно для сложившейся
экосистемы2.
Некоторые специалисты по-
лагают, что уже существующие в
природе растения и микроорга-
низмы могут быть не менее эф-
фективны. Так, П.Берналь
(P.Bernal; Центр агрономичес-
ких исследований в Мурсии, Ис-
пания) указывает, что горный
салат (Thlaspi caerulescens), за-
нимающий 1 га, может за год
изъять из почвы до 130 кг цинка.
Правда, это растение на юге Ис-
пании не встречается, и его ин-
тродукция может привести к не-
предсказуемым результатам.
Рассмотрение вариантов окон-
чательной очистки Националь-
ного парка Доньяна продолжа-
ется.
New Scientist. 1999. V. 161. № 2170. Р. 22
( Великобритания).
Охрана окружающей среды
Япония планирует
создание хранилища
радионуклидов
В марте 1999 г. Министерство
международной торговли и про-
мышленности Японии опубли-
ковало документ, который под-
готовлен отделом по использо-
ванию атомной энергии и по-
священ перспективам строи-
2 См: Плюсы и минусы генетической моди-
фикации агрокультур // Природа. 1999.
№ 7. С. 97-98.
тельства на территории страны
постоянного хранилища высо-
коактивных ядерных отходов.
Стоимость создания такого под-
земного объекта в Японии оце-
нивается намного больше, чем
во Франции и Великобритании
— в 8 и 13 раз соответственно.
Эксперты объясняют это геоло-
гическими особенностями
Японских о-вов, в частности вы-
соким уровнем грунтовых вод.
Суммарные расходы по со-
зданию глубокого подземного
хранилища определят и цену за-
хоронения отходов — 2.7 млн
йен (22.5 тыс. долл. США) за 1 м’
складируемых материалов. Так,
размещение 15 тыс. т высокоак-
тивных отходов от разгрузки
среднего по мощности реакто-
ра, работающего на обычной
воде, будет стоить около 19.2
млрд йен.
В настоящее время в местеч-
ке Роккасё (крайний север
о.Хонсю) сооружается предпри-
ятие по переработке ядерных
отходов. Затем, к 2030—2040 гг.
планируется ввести в строй и
глубокозалегающее хранилище
нуклидов. Ответственная за эту
деятельность комиссия готовит
отчет о результатах своей рабо-
ты; по его представлению пра-
вительство примет окончатель-
ное решение о технологической
надежности и безопасности
проекта и, значит, — целесооб-
разности и объеме работ. Сей-
час эта комиссия исследует воз-
можность создания “многобарь-
ерной” защиты с участием как
искусственных преград (напр'и-
мер, стеклование отходов и до-
бавление буферных материа-
лов), так и естественных, геоло-
гических. Местоположение под-
земного хранилища пока еще не
определено.
Наряду с планированием хра-
нилища Япония ведет поиск и
других способов ослабить про-
блему высокоактивных отходов.
Так, упомянутое министерство
изучает возможность продления
срока работы существующих ре-
акторов; Комиссия по атомной
энергии Японии изыскивает ме-
ры, направленные на собствен-
но сокращение производства
высокорадиоактивных отходов.
Три научно-исследовательских
института ищут способы оста-
новить рост отходов путем внед-
рения реакторов-размножите-
лей на быстрых нейтронах, а
также использовать для этой це-
ли ускорители высоких энергий.
По мнению специалистов од-
ного из этих институтов, такая
комбинированная технология
могла бы сократить выход высо-
корадиоактивных нуклидов при-
мерно на 70%, позволив содер-
жать такие отходы в наземных
хранилищах.
Nature. 1999. V. 398. № 6726. Р. 357 (Вели-
кобритания).
Вулканология
Кракатау вновь
напоминает о себе
Островной вулкан Кракатау,
расположенный в Зондском
проливе, между о-вами Ява и Су-
матра (Индонезия), снискал се-
бе мрачную славу еще в 1883 г.,
когда его взрывное извержение
и последовавшая за этим мощ-
ная волна цунами высотой до 40
м унесли жизни свыше 36 тыс.
человек. Звук взрыва тогда был
слышен на расстоянии 4650 км,
а атмосферные эффекты наблю-
дались по всему миру.
После довольно длительного
затишья Кракатау оживился в
1952 г., а затем в 1966-м. Потоки
свежей лавы, шлак и пепел по-
степенно образовали новый ко-
нус, именуемый Анак (Дитя)
Кракатау. Но все эти события
протекали сравнительно вяло.
5 февраля 1999 г. с вершины
вулкана, высота которого ныне
составляет 813 м над ур.м., по-
слышался грохот, в небо на ки-
лометровую высоту поднялся
столб пепла. В последующие 5
сут по всему острову наблюдал-
ся пеплопад, по ночам склоны
освещались обломками раска-
ленной породы, выбрасываемы-
ми из жерла.
В середине марта процесс
постепенно пошел на убыль, хо-
тя громыхание иногда повторя-
лось.
72
ПРИРОДА • № 1 * 2000
Специалисты Р.Сухьяр и Д.Ах-
мад (R.Sukhyar, D.Ahmad; Управ-
ление вулканологии Индонезии
в Бандунге), изучающие поведе-
ние Кракатау, полагают, что эти
события можно считать продол-
жением извержения, которое
слабо проявилось еще в 1992 г.
Smithsonian Institution Bulletin of the Global
Volcanism Network. 1999 V. 24. № 2. P. 14
(CUIA).B
Гляциология
Позднекайнозойские
оледенения
Южной Америки
В Южном полушарии матери-
ковое оледенение почти цели-
ком сосредоточено (и сравни-
тельно неплохо изучено) только
в Антарктиде; вообще оледене-
нию материков Южного полуша-
рия посвящено работ несоизме-
римо меньше, чем оледенению
Северного. Понятный интерес
поэтому вызвал доклад арген-
тинских ученых1 на XV конгрес-
се INQUA (International Union for
Quaternary Research), который
был посвящен новейшим данным
по истории, особенно геохроно-
логии, оледенений Южных Анд.
Поднятия Южных Анд в сред-
нем миоцене (около 15 млн лет
назад) привели к большим кли-
матическим и другим изменени-
ям природной среды в горах и на
Патагонском плоскогорье. Уже в
позднем миоцене в горных райо-
нах развивается оледенение. За-
тем, в период между 2.2 и 1.2 млн
лет назад, в Южных Андах имели
место по меньшей мере семь оле-
денений, однако ледники не вы-
ходили в предгорья. Эти оледе-
нения авторы сопоставили с изо-
топно-кислородной кривой (ста-
дии от 82-й до 58-й). Напомним,
что изотопный состав кислорода
(|8О/|6О) в скелетах форамини-
фер, кокколитофорид, диатомей
меняется с изменением климата.
Это позволило выделить в чет-
вертичных осадках океанов 23
климатические стадии. Из них 20
приходится на эпоху Брюнес
'Rabassa J., Cadic-Conicet // Book of
Abstracts of XV INQUA Congress. 3—11 August
1999 Durban, South Africa. P. 145.
(0.73—0 млн лет); четные номера
принадлежат холодным, в том
числе ледниковым, стадиям, не-
четные — теплым* 2.,
“Величайшее оледенение Па-
тагонии” произошло между 1.15
и 1.0 млн лет назад (сопоставле-
но со стадиями изотопно-кисло-
родной кривой от 34-й до 30-й).
В максимум этого оледенения
маломощный ледниковый по-
кров занимал обширные облас-
ти предгорий, характеризовав-
шихся тогда слаборасчленен-
ным рельефом. Морены оледе-
нений данигляциал и готигляци-
ал (согласно модели К.Калдени-
уса), вероятно, накоплены в ре-
зультате ледниковых событий,
происходивших между 1 млн лет
и 195—100 тыс. лет назад (6-я
стадия). Позднеплейстоценовое
ланкуихское оледенение Пата-
гонии соответствует по времени
вюрмскому и висконсинскому
оледенениям Северного полуша-
рия (4-я и 2-я стадии). Работы в
Чили обеспечили очень точную
хронологию этих ледниковых
событий. По крайней мере два
стояния ледников отвечают двум
похолоданиям, которые смени-
лись быстрым потеплением око-
ло 16—15 тыс. лет назад. Корре-
ляции дриасовых климатичес-
ких событий Северного полуша-
рия с событиями на юге Южной
Америки остаются очень спор-
ными, хотя несколько голоцено-
вых подвижек ледников в горах
имели место.
О С.А.Лаухин,
доктор геолого-
минералогических наук
МоскваИ
Палеоклиматологи я
Эль-Ниньо
за минувшие
пять тысяч лет
Американские геологи, седи-
ментологи и гидрологи во главе
с Д.Т.Родбеллом (D.T.Rodbell;
Юнион-колледж в Скенектади,
штат Нью-Йорк) изучили строе-
2 Подробнее см.: Shacleton N.J.,
Opdayke ND.// Quaternary Research
1973. V. 3. P. 39-55; Ibidem // Mem. Geol. Soc.
Am, 1976. V. 145 P. 449-464.
ние дна и осадочные породы
оз.Пальякакоча на юго-западе
Эквадора. Поднятые при буре-
нии колонки донных осадков
охватывают последние 15 тыс.
лет существования озера. Их
анализ показал, что вызываемая
атмосферными осадками эрозия
почвы, которая отчетливо про-
является в ежегодных слоях дон-
ных отложений, свидетельствует
о том, что колебания климата в
течение последних 5 тыс. лет
происходили “в унисон” с цик-
лами Эль-Ниньо.
Бури и штормы на озере за-
фиксированы в исторических
документах за два истекших ве-
ка. Теперь установлено, что по
сравнению с прежней, 15-лет-
ней повторяемостью этих явле-
ний на протяжении пятитыся-
челетнего периода они замет-
но участились в последнее вре-
мя. Происшедшие климатичес-
кие изменения специалисты
относят за счет усиления пас-
сатов, которые в свою очередь
связаны с Эль-Ниньо. Косвен-
ные свидетельства о влиянии
Эль-Ниньо на палеоклимат
Южной Америки существовали
и ранее: это данные о росте ко-
ралловых построек, годовые
кольца старых деревьев, колон-
ки льда, взятые в горах, отло-
жения горных пород, вызван-
ные наводнениями, археологи-
ческие находки и т.п. Но все
эти данные обычно относятся
лишь к последним 2 тыс. лет, а
более древние свидетельства
страдают отсутствием непре-
рывности. Теперь этот недоста-
ток в определенной мере пре-
одолен.
Известно, что температура
поверхности моря при очеред-
ном возобновлении Эль-Ниньо
начинает подниматься вблизи
юго-западного побережья Эква-
дора раньше, чем у других его
берегов. Оз.Пальякакоча распо-
ложено всего в 75 км от Тихого
океана и поэтому активно реа-
гирует на изменения его физи-
ческого состояния.
Поднятая на поверхность ко-
лонка озерных отложений дли-
ной 9.2 м включала фрагменты
ПРИРОДА • No 1 • 2000
73
a
$
i
растительности, смытой в воду
во время бурь и проливных дож-
дей. Слои, отложившиеся с 1800
по 1967 г., четко совпадают по
времени с наступлением уме-
ренных и сильных Эль-Ниньо.
За указанный период в 11 из 17
случаев этого циклического яв-
ления резкие седиментологиче-
ские изменения произошли в
течение всего двух лет, в одном
случае — в трехлетний отрезок
времени. За последние 100 лет
весьма интенсивные Эль-Ниньо
отмечались 8 раз, и отложения
обломочных пород на дне эква-
дорского озера точно коррели-
руют со временем их развития.
Earth System Monitor. 1999- V. 9. № 3 Р. 3
(США).И
Археолг гия
Египетская
"Долина мумий"
На протяжении последних
четырех лет египетские архео-
логи из Высшего совета по древ-
ностям ведут раскопки греко-
римского некрополя в оазисе
Бахария, расположенном в 400
км к юго-западу от Каира.
Существование некрополя от-
носится к периоду между 330 г. до
н.э. и 400 г. н.э. Археологами об-
наружено 200 мумий, плотно уло-
женных друг к другу. Часть из них
облачена в роскошные золоче
ные одеяния; на лица некоторых
наложены маски. Помимо пыш-
ных одеяний, внимание специа-
листов привлекла исключитель-
ная тщательность бальзамирова-
ния тел, что позволяет говорить о
захоронении важных персон.
По мнению З.Хавваса
(Z.Hawwas), директора Отдела
древностей Каира и Гизы,это —
первый случай погребения в не-
крополе столь большого числа
мумий почти у самой поверхно-
сти земли.
Для завершения раскопок по
всей территории некрополя по-
требуется еще много времени.
Учитывая ее протяженность в не-
сколько километров, можно по-
лагать, что общее число захоро-
нений составляет не одну тысячу.
Это древнее место погребе-
ыний археологи назвали “Доли-
ной мумий”.
Sciences et Avenir 1999 № 630. Р. 9 (Фран-
ция).
Из доклада, опубликован-
ного Институтом наблюдения
за миром (World Watch
Institute), следует, что на ми-
ровом рынке энсргоносите
лей все более значимое место
в 1990—1998 гг. стали зани
мать возобновляемые источ-
ники энергии — ветровая и
солнечная. За указанный пе-
риод ежегодное использова-
ние ветровой энергии возрос-
ло на 22%, солнечной — на
16%. В это же время доля по-
требляемой нефти выросла
менее чем на 2%, а доля угля не
увеличилась вовсе Такие тен
денции связываются со сни-
жением стоимости произве-
денной электроэнергии аль-
тернативными источниками
если в 1981 г. стоимость вет-
ровой энергоустановки мощ-
ностью 1 квт достигала 2600
долл. США, то в 1998 г. — 800.
Кроме того, отмечается острая
конкуренция между произво-
дителями солнечных батарей.
Environmental Science and Technology.
1999. V.33. №1S. P.3O9 (США).
Точная копия самолета
братьев Райт — первого лета-
тельного аппарата тяжелее
воздуха — создана в Амери-
канском институте аэронав-
тики и астронавтики. Как из-
вестно, этот первый самолет
представлял собой планер с
двигателем внутреннего сго-
рания мощностью 12 л.с 17
декабря 1903 г. братья Уилбер
и Орвил Райт в штате Север-
ная Каролина (США) совер-
шили первый пилотируемый
полет продолжительностью
59 с и дальностью 260 м.
Сейчас копия этого само-
лета для проведения всесто-
ронних испытаний помещена
в аэродинамическую трубу
Исследовательского центра
НАСА в Калифорнии. Пилот
Ф.Калик (F.Culick) 17 декабря
2003 г., в день столетнего
юбилея полета, намерен под-
няться в воздух в том же Кит-
ти-Хоке и повторить полет
братьев Райт, но несколько
измененным по продолжи-
тельности и дальности.
National Geographic 1999. V. 196. №2.
(США).
После того как оборудова-
ние на искусственном спутни-
ке Земли “ROSAT”, запущенном
несколько лет назад западное-
вропейскими государствами
для изучения космического
рентгеновского излучения,
“выработало свой ресурс’}>|не-
мецкий ученый И.Тримпср
(J.Trimper Институт внезем-
ной физики им.М.Планка)
предложил коллегам подарить
этот спутник школьникам в
качестве наглядного пособия.
В нескольких школах будут
построены детские Центры
управления полетом и сбора
научной информации, где уче-
ники под присмотром стар-
ших смогут поработать с уни-
кальной “игрушкой” А в 2000
г., когда в Ганновере состоится
Всемирная выставка, пульт
связи со спутником станет до-
ступным и для ее многочис-
ленных посетителей.
Nature. 1999. V.397. №6721. Р.643 (Вели-
кобритания).
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ФИЗИКА
Лауреаты
Нобелевской премии
за 1999 год
По физике — Г.'т Хофт и М.Велтман
Королевская шведская ака-
демия наук присудила в
1999 г. Нобелевскую пре-
мию по физике профессорам Ге-
рарду ’т Хофту и Мартинусу
Дж.Г.Велтману. В работах этих
голландских исследователей в
начале 70-х годов была впервые
доказана перенормир) емость’
калибровочной теории электро-
слабого взаимодействия и разра-
ботаны конкретные рецепты,
позволившие в дальнейшем про-
вести расчеты петлевых- фейн-
мановских диаграмм в этой тео-
рии. Результаты выполненных
расчетов позднее были под-
тверждены в экспериментах на
ускорителях в Европе и США.
Герард ’т Хофт (Gerardus’t
Hooft) родился в 1946 г. в Нидер-
1 Перепормируемость — свойство ’'хоро-
шей" квантовой теории поля, позволяющее
устранить из окончательных результатов
расчетов расходящиеся выражения. Сово-
купности бесконечных членов имеют в та-
кой теории структуру основных констант
— .масс и констант взаимодействия (т.е. об-
ладают гой же размерностью и занимают
соответствующие места в уравнениях).
Объявив эти бесконечные совокупности
реально наблюдаемыми физическими ве-
личинами. те. произведя, как говорят, их
перенормировку, можно выразить резуль-
таты расчетов через значения этих масс и
констант.
- Петлевые диаграммы описывают вклады
высших порядков теории возмущения в
рассматриваемые процессы; распростра-
няющиеся в "петле" частицы называются
виртуальными "Шуба" из виртуальных час-
тиц окружает каждую реальную элементар-
ную частицу
Г.’т Хофт
лайдах. Докторскую степень по
физике получил в Утрехтском
университете (1972). С 1977 г. ’т
Хофт — профессор физики этого
университета; с 1982 г. — член
Нидерландской Королевской ака-
демии паук.
Мартинус Велтман (Martinus
J.G. Veltman), 1931 года рожде-
ния, тоже остается Нидерланд-
ским подданным. Получив док-
торскую степень по физике в Ут-
рехтском университете (1963),
он был профессором физики там
в 1966—1981 гг., а с 1981 г. — в
Мичиганском университете
(Анн-Арбор, США). В настоящее
время вышел на пенсию. Стал
членом Нидерландской Королев-
ской академии наук на год рань-
ше своего младшего коллеги.
М.Велтман
Выдающиеся работы ’т Хофта
и Велтмана хорошо известны уз-
кому кругу теоретиков, работа-
ющих в квантовой теории поля,
и заслуженность ими получен-
ной награды не вызывает сомне-
ния. Для более широкой аудито-
рии кратко опишем ситуацию в
физике частиц до получения до-
казательства перенормируемос-
ти электрослабой теории.
В те годы слабые взаимодей-
ствия описывались неперенор-
мируемой четырехфермионной
теорией. В ней последователь-
ное вычисление по теории воз-
мущений невозможно, так как
петлевые диаграммы приводят к
неустранимым бесконечностям.
Особняком стояла квантовая
электродинамика электронов и
ПРИРОДА • № 1 • 2000
75
ФИЗИКА
фотонов, перенормируемость
которой,установленная в конце
40-х годов, позволяла делать са-
мосогласованные расчеты с
практически любой требуемой
точностью. В 1967—1968 гг.
С.Вайнберг и А.Салам предложи-
ли качественно новую, так назы-
ваемую электрослабую теорию,
основанную на группе симмет-
рии5 St7(2)L®t/(l) и объединяю-
щую электромагнитное и слабое
взаимодействия.
Переход от феноменологиче-
ской четырехфермионной тео-
рии слабых взаимодействий к
новой модели требовал введе-
ния дополнительной частицы —
заряженного векторного бозо-
на. К этому моменту уже была
построена теория Янга—Миллса,
описывающая взаимодействие
безмассовых векторных бозонов
на основе неабелевой калибро-
вочной симметрии. Наконец, в
ряде работ обсуждался меха-
низм генерации масс этих бозо-
нов без нарушения калибровоч-
ной симметрии (механизм
Хиггса; спонтанное нарушение
калибровочной симметрии). Эти
идеи и были соединены в рабо-
тах Вайнберга и Салама. Они
предложили модели слабых вза-
имодействий, основанные на
спонтанно нарушенных неабе-
левых симметриях (Нобелевская
премия 1979 г.). Однако фор-
мальное доказательство пере-
нормируемости этих моделей
отсутствовало (неформальные
аргументы в пользу перенорми-
руемости приводились, в част-
ности, в работе Салама).
В конце 60-х годов Л.Д.Фад-
деев и В.Н.Попов сформулиро-
вали правила Фейнмана для не-
абелевой теории в лоренц-кова-
риантных калибровках, позво-
ляющие проводить анализ и вы-
числение многопетлевых диа-
грамм, чем и занялись будущие
лауреаты.
Весной 1969 г. 22-летний сту-
' О группах симметрии, калибровочной
симметрии, а также бозоне Хиггса, спон-
танном нарушении симметрии и других
связанных вопросах см.: Казаков Д.И.
>Кдем новых открытий в физике элемен-
тарных частиц! // Природа. 1999. №9.
С. 14-25.
дент ’т Хофт стал работать с
профессором Утрехтского уни-
верситета Велтманом. В качест-
ве темы диссертации Велтман
предложил ему анализ перенор-
мируемости неабелевых калиб-
ровочных теорий. Первая рабо-
та ’т Хофта касалась теории с
безмассовыми векторными бо-
зонами; затем в его самостоя-
тельной публикации и в совме-
стных работах с Велтманом бы-
ла рассмотрена теория со спон-
танно нарушенной симметрией
(масса векторных бозонов воз-
никала за счет механизма
Хиггса).
Успеху анализа способство-
вали изобретенные ’т Хофтом
Я5-калибровки, зависящие от па-
раметра Для того чтобы найти
пропагатор'1 векторной частицы,
необходимо ввести в лагранжи-
ан член, фиксирующий калиб-
ровку. При этом калибровочная
симметрия теории оказывается
нарушенной, и в дальнейшем
требуется доказать, что ампли-
туды физических процессов не
зависят от введенного члена.
Придуманный 'т Хофтом член,
фиксирующий калибровку век-
торных полей, приводит к тому,
что пропагатор векторной час-
тицы падает при больших им-
пульсах k как 1 /k1, аналогично
пропагатору фотона в кванто-
вой электродинамике, обеспе-
чивая тем самым перенормируе-
мость теории. В пределе
пропагатор векторной частицы
становится пропагатором мас-
сивного векторного поля, не па-
дающим с ростом k1. Такая кали-
бровка называется унитарной,
так как в ней ясны значения
масс частиц в теории — это и
есть массы W- и Z-бозонов. Од-
нако для доказательства пере-
нормируемости теории необхо-
димо вернуться в калибровки с
конечным £ (калибровка с £=1
называется теперь калибровкой
’т Хофта—Фейнмана, с £=0 — ка-
либровкой ’т Хофта—Ландау).
При этом нужно доказать неза-
висимость физических ампли-
' Пропагатор — функция, описывающая
распространение виртуальных элементар-
ных частиц.
туд от — на этом формальное
доказательство перенормируе-
мости неабелевых калибровоч-
ных теорий, в которых масса бо-
зонов возникает по механизму
Хиггса, будет завершено.
Для оперирования с петлевы-
ми амплитудами необходим ме-
тод регуляризации, делающий
их конечными, — оперирование
с бесконечными выражениями
опасно, так как может привести
к ошибочным результатам. Дело
в том, что амплитуды процессов,
описываемых петлями, выража-
ются через интегралы по всему
четырехмерному пространству
импульсов виртуальных частиц
(эту размерность дают три про-
екции импульса и энергия). Тра-
диционно применяемый метод
ограничения области интегри-
рования — ультрафиолетовое
обрезание по модулю импульса
интегрирования — непригоден,
так как явно нарушается локаль-
ная калибровочная инвариант-
ность на расстояниях, меньших
обратного импульса обрезания.
Лауреатами изобретен метод
размерной регуляризации, в ко-
тором интегрирование по им-
пульсу проводится в простран-
стве размерности d#4 (точнее,
d=4-e). При этом расходящиеся
при d=4 интегралы становятся
сходящимися (одновременно
размерная регуляризация была
предложена в квантовой теории
поля в работах К.Боллини,
Дж.Джамбиаджи и Дж.Ашмора).
Имея в руках адекватную ре-
гуляризацию, ’т Хофт и Велтман
доказали независимость физи-
ческих амплитуд от параметра
т.е. полученные вычислением в
/?5-калибровке выражения для
амплитуд справедливы в физи-
чески прозрачной унитарной
калибровке. Перенормируе-
мость калибровочных теорий
электрослабого взаимодействия
с хиггсовским механизмом гене-
рации масс векторных бозонов
была доказана.
В своих дальнейших работах
Велтман получил ряд ярких ре-
зультатов, анализируя “петле-
вые” поправки в электрослабой
теории. В 1977 г. он заметил, что
76
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
ФИЗИКА
петли с виртуальными кварками
приводят к поправкам, пропор-
циональным квадрату массы на-
иболее тяжелого кварка. Точные
измерения параметров проме-
жуточных Z- и W-бозонов на ус-
корителях LEP-I в ЦЕРНе, SLC и
Тэватрон в США, которые были
проведены в начале 90-х годов,
позволили экспериментально
определить величины петлевых
поправок; при этом сильная ква-
дратичная зависимость попра-
вок от массы t-кварка позволила
предсказать с неплохой точнос-
тью в 20—40 ГэВ его массу на ос-
нове формулы, полученной
Велтманом. Это предсказание
подтвердилось, когда в 1994 —
1995 гг. t-кварк был обнаружен
на Тэватроне. В настоящее время
из анализа спектров продуктов
распада t-кварка получено
те,= 175±5 ГэВ.
Последней не открытой до
сегодняшнего времени части-
цей Стандартной Модели оста-
ется бозон Хиггса. Измерение
его массы очень важно, так как,
если он легкий, тен^140 ГэВ, то
наличие тяжелого t-кварка де-
лает за счет петлевых поправок
хиггсовский потенциал неста-
бильным. Для стабилизации по-
тенциала нужны новые тяжелые
бозоны; они естественным об-
разом возникают в суперсимме-
тричных обобщениях Стан-
дартной Модели. Согласно еще
одному велтмановскому резуль-
тату, зависимость однопетле-
вых электрослабых поправок от
массы бозона Хиггса логариф-
мическая, поэтому, несмотря на
высокую точность эксперимен-
тальных данных, мы не можем
найти по ним массу бозона
Хиггса с требуемой точностью.
Вот что мы имеем сегодня:
'т„=92_*;? ГэВ, тен<245 ГэВ с 95%-м
уровнем достоверности. Пря-
мые поиски на ускорителе LEP-
II дают: теи>95 ГэВ с 95%-м уров-
нем достоверности. Если
хиггсовский бозон легче
110 ГэВ, то в течение ближай-
шего года он будет обнаружен
на ускорителе LEP-II, работаю-
щем на пределе своих возмож-
ностей, и это станет сильным
аргументом в пользу суперсим-
метрии. Если же он тяжелее, то
можно ожидать его открытия
после 2005 г. на строящемся ус-
корителе LHC.
Много замечательных ре-
зультатов было получено и
’т Хофтом после доказательства
перенормируемости электро-
слабой теории. Перечислим не-
которые из них. Он был среди
первых исследователей на Запа-
де, установивших в 1972—1973
гг., что с ростом переданного
импульса константа взаимодей-
ствия в теориях Янга—Миллса
падает’. Это открытие позже
привело к созданию современ-
ной теории сильного взаимо-
действия, основанной на группе
5Ц(3)с.
В 1974 г. ’т Хофт одновремен-
но с А.М.Поляковым нашел ре-
шение классических уравнений
Янга—Миллса с хиггсовским ме-
ханизмом генерации масс, опи-
сывающее магнитный монополь.
Вскоре после этого, в 1975 г., в
работе А.А.Белавина, А.М.Поля-
кова, А.С.Шварца и Ю.С.Тюпкина
было получено решение класси-
ческих уравнений Янга—Милл-
са, локализованное в четырех-
мерном пространстве. В 1976 г.
’т Хофт рассмотрел поведение
фермионов с учетом этого ре-
шения (названного им инстан-
тоном — общеупотребительное
теперь название). Установлено,
’ В СССР это впервые обнаружили для элек-
трического заряда векторного бозона
В.СВаняшин и М.ВТерентьев в 1965 г., а в
1968 г. И.Б.Хриплович получил правильное
выражение для этой зависимости.
что инстантоны генерируют
знаменитое эффективное взаи-
модействие кварков, пропорци-
ональное детерминанту матри-
цы полей кварков.В электросла-
бой теории это взаимодействие
приводит к несохранению бари-
онного и лептонного чисел по
отдельно сти, что влечет
за собой важные космологичес-
кие следствия. Амплитуды вызы-
ваемых инстантонами процес-
сов пропорциональны
exp(-l/g2), гДе g ~~ константа
связи. В задаче о массах адронов
g не мала и инстантонные амп-
литуды не подавлены. Это поз-
воляет разгадать одну из зага-
док физики элементарных час-
тиц - большое значение массы
П'-мезона, наблюдаемое в экспе-
рименте. Малость заряда в элек-
трослабой теории делает ин-
стантонные эффекты ненаблю-
даемыми в настоящее время.
Вместе с тем в ранней Вселен-
ной существовали условия, ког-
да переходы с нарушением ба-
рионного и лептонного чисел
не были подавлены6.
Даже такое конспективное
перечисление основных резуль-
татов показывает, насколько су-
ществен вклад лауреатов в со-
здание современной калибро-
вочной теории квантованных
полей и какую роль играют эти
проблемы в нашем познании
Вселенной.
О М.И.Высоцкий,
доктор физико-
математических наук
Институт теоретической и
экспериментальной физики
Москва
6 О новых экспериментах, планирующихся
для прояснения тайны барионной асимме-
трии, см.: Галактионов Ю.В.,
Тинг С., Черноплеков Н . А. //
Поиски антивещества в космосе: экспери-
мент АМС Ц Природа. 1999. № 12. С.3-11.
ПРИРОДА
№ 1
2 000
77
химия
По химии — А.Зевейл
Нобелевская премия по хи-
мии за 1999 г. присужде-
на А.Зевейлу за “изучение
переходных состояний химичес-
ких реакций с помощью фемто-
секундной спектроскопии”.
Ахмед Зевейл (Ahmed
H.Zewail) родился 26 февраля
1946 г. в Египте, учился в Алек-
сандрийском университете и по-
сле его окончания перебрался в
США, где в 1974 г. защитил канди-
датскую диссертацию в Пенсиль-
ванском университете. В 1976 г.
он появился в Калтехе, через два
года получил там постоянное ме-
сто и в 1982 г. стал профессором.
Сейчас он профессор химии и
физики Калифорнийского техно-
логического института.
Имя нового нобелевского ла-
уреата пользуется большим меж-
дународным признанием. Зевейл
— почетный профессор ряда
американских и европейских
университетов, член Националь-
ной академии наук США и мно-
гих академий других стран; име-
ет множество наград, медалей и
премий. На своей исторической
родине — в Египте — Зевейл на-
гражден орденом “За заслуги”
I степени,здесь его чтут как на-
ционального героя, в 1998 г. с
его портретами выпущены поч-
товые марки.
В основе всех химических ре-
акций лежат элементарные пре-
вращения, которые заключаются
в разрыве старых или образова-
нии новых химических связей.
Во всех элементарных реакциях
между реагентами и продуктами
существует некое промежуточ-
ное образование — так называе-
мое переходное состояние, или
переходный (активированный)
комплекс, в котором некоторые
связи ослаблены (а некоторые
могут быть усилены) по сравне-
нию с реагентами.
Изучением элементарных ре-
акций занимается специальный
раздел химии — химическая ди-
намика, основная задача кото-
рой — определить структуру
переходного состояния и про-
следить динамику его образова-
ния и распада в реальном мас-
штабе времени. Это все равно,
что заснять химическую реак-
цию на кинопленку. Каждый
кадр на ней — это определенная
конфигурация ядер. Особый ин-
терес для химической динамики
представляют те “кадры”, кото-
рые содержат информацию о
наиболее активных конфигура-
циях, те. о переходном ком-
плексе. Но для полного описа-
ния химической реакции важна
вся пленка — весь процесс пере-
хода от реагентов к продуктам.
Основная трудность в изуче-
нии элементарных химических
реакций — в их невероятной бы-
строте. Поскольку происходят
они главным образом за счет ко-
лебаний ядер около положения
равновесия в молекуле(двигают-
ся они очень быстро: так, за одну
секунду в молекуле иода L про-
исходит около 10'* колебаний
ядер), то, чтобы разорвать хими-
ческую связь, ее нужно сначала
“раскачать”, т.е. возбудить опре-
А.Зевейл
Элементарная реакция
щелочного гидролиза
метил бромида.
7в
ПРИРОДА • № 1 • 2000
химия
деленное колебание. Самые быс-
трые из элементарных реакций,
для которых достаточно одного
колебания, могут происходить
за время 10 й с. Существуют и
более медленные реакции, в ко-
торых сначала возбуждается од-
но колебание, затем возбужде-
ние постепенно передается дру-
гому колебанию и наконец раз-
рывается связь. Такие элемен-
тарные реакции могут продол-
жаться довольно “долго”: ~10’"с.
Столь малые промежутки
времени измеряются фемтосе-
кундами (фс): 1 фс = 10_|,с. В та-
ком масштабе время протекания
элементарных реакций состав-
ляет 10+104 фс. Реакции в ниж-
ней части этого диапазона счи-
тают быстрыми, в верхней —
“медленными”.
Так, например, реакция фо-
тодиссоциации иодциана
ICN + hv -> I + CN
происходит за 200 фс, фотодис-
социация циклобутана
С4Н8 + hv -> 2С;Н<
длится около 700 фс, бимолеку-
лярная реакция
Н + СО; -> ОН + СО
проходит за 1000 фс, а диссоци-
ация тетрафтордииодэтана на
тетрафторэтилен и два атома
иода
CzFJ; + hv -> C;Ffl + 21
имеет два временных масштаба:
первый атом иода отщепляется
быстро, за 200 фс, а второй — за
время, в 100 раз большее. Все эти
результаты получены Зевейлом.
Для изучения столь быстрых
процессов необходимо иметь
измерительное устройство с со-
ответствующим временным раз-
решением. Это напоминает
съемку быстро движущегося
объекта: устанавливается на-
столько малое время экспози-
ции, что объект кажется непо-
движным, иначе изображение
будет размазанным, причем тем
сильнее, чем больше время экс-
позиции (вспомните фотогра-
фии ночной Москвы, на которых
фары движущихся машин остав-
ляют следы в виде сплошных яр-
ких линий). То же самое спра-
ведливо для химической реак-
ции: время измерения положе-
ния ядер должно быть столь ма-
ло, чтобы их движение оказа-
лось как бы замороженным.
Возможность осуществлять
эксперименты фемтосекундной
длительности появилась только
в конце 80-х годов, когда был
изобретен способ временного
сжатия лазерных световых им-
пульсов до 6 фс (рекорд на ко-
нец 1998 г. составляет 4 фс). А до
этого структуру переходных со-
стояний и динамику элементар-
ных реакций определяли кос-
венными методами.
Экспериментальные косвен-
ные измерения основаны на сле-
дующей идее: если известны со-
стояния молекул (или атомов)
до и после реакции, то, сравни-
вая их, иногда удается сделать
выводы о времени жизни и
структуре переходного состоя-
ния. Например, если создать пу-
чок молекул СН}1, ориентиро-
ванных в одном направлении, и
подействовать на них поляризо-
ванным лазерным излучением,
то связь С—I разорвется и про-
изойдет реакция мономолеку-
лярного распада:
СН,1 + hv->[CH,—I]’ -> CH, + I
(квадратные скобки обозначают
переходное состояние). Если
молекула распадается быстро
(по сравнению с ее вращением),
все атомы иода после реакции
будут двигаться в одном направ-
лении, поскольку за время реак-
ции исходная молекула не успе-
ет повернуться. Но при медлен-
ном распаде атомы иода за счет
вращения молекулы будут разле-
таться во все стороны. Это похо-
же на стрельбу из автомата с
вращающейся платформы: если
очередь короткая, все пули (т.е.
атомы иода) полетят почти в од-
ном направлении, а если длин-
ная — то веером. Оказывается,
все атомы иода, образующиеся в
реакции мономолекулярного
распада, двигаются примерно в
одном направлении. Это означа-
ет, что распад возбужденной мо-
лекулы происходит намного бы-
стрее, чем ее вращение, т.е. вре-
мя жизни переходного состоя-
ния не превышает 1000 фс.
Для оценки информативнос-
ти такого рода экспериментов
удобно привести спортивную
аналогию. Например, мы узнали,
какие команды играли в фут-
больном матче, когда он состо-
ялся и с каким счетом закончил-
ся. “Кто играл” — это аналог ис-
ходных веществ, “конечный
счет” — аналог продуктов реак-
ции. Какова же цена такой ин-
формации? По счету можно при-
мерно предположить, кто лучше
играл, т.е. сделать некоторые
выводы о течении реакции. Од-
нако этого совершенно недоста-
точно, чтобы подробно предста-
вить ход матча (т.е. реакции).
Любой болельщик захочет знать,
как проходила игра в решающие
моменты, кто забивал голы и, са-
мое главное, на каких минутах
(это — аналог информации о пе-
реходном состоянии). В перево-
де на язык химической динами-
ки, это означает, что нужно по-
лучить информацию об измене-
ниях в положении ядер в каждый
момент времени, а следователь-
но, необходимо иметь измери-
тельную технику с высоким вре-
менным разрешением,которое в
случае элементарных реакций
имеет порядок фемтосекунд.
Зевейл и его сотрудники до-
стигли в этом успеха — разрабо-
тали методы временного анали-
за элементарных реакций с по-
мощью последовательности ла-
зерных импульсов фемтосекунд-
ной длительности.
В простейшей схеме фемто-
секундного эксперимента на
реагенты, приготовленные в ви-
де молекулярных пучков, дейст-
вуют два световых импульса:
первый (импульс накачки) ини-
циирует элементарную реак-
цию, а второй (зондирующий),
стартующий с некоторой за-
держкой относительно первого,
ПРИРОДА
№ 1
2 000
79
химия
Диаграмма потенциальной
энергии молекулы ICN (в в е р-
х у) и зависимость сигнала
флуоресценции CN’ от време-
ни при разных длинах волн
зондирующего импульса. R —
расстояние между атомом I и
центром масс фрагмента CN.
V0(R), V,(R) и V2(R) — потенци-
альные энергии молекулы и
активированного комплекса в
различных возбужденных со-
стояниях. X, — длина волны
лазерного импульса накачки.
Зондирующий импульс с дли-
ной волны ‘к’, возбуждает
(“фотографирует”) только
переходное состояние
[I-CN]', в котором межъядер-
ное расстояние равно R". Зон-
дирующий импульс с длиной
волны Х~2 возбуждает только
продукты реакции. (Bernstein
R.B., Zewail А.Н. // J. Chem. Phys.
1989. V.90. Р.829-836.)
считывает информацию о стро-
ении переходного комплекса в
момент воздействия на него.
Второй импульс как бы фото-
графирует переходный ком-
плекс с очень короткой “экспо-
зицией”. Варьируя время за-
держки между двумя импульса-
ми, можно получить подробную
“покадровую” информацию о
протекании химической реак-
ции (с точностью до несколь-
ких фемтосекунд).
Поясним эту схему на приме-
ре реакции фотодиссоциации
иодциана:
ICN + hv -> [I—CN]‘ -> I + CN.
Пусть потенциальная энергия
молекулы в обычном связанном
состоянии — Va(R), в возбужден-
ном неустойчивом состоянии
переходного комплекса — Vt(R),
в переходном состоянии, но с
возбужденным компонентом CN"
— Vt(R). Координата R — рассто-
яние между атомом иода и цент-
ром масс фрагмента CN. Если
сначала молекула находится в
основном состоянии (отмечен-
ном на рисунке вблизи дна по-
тенциальной ямы), то после ее
облучения световым импульсом
с правильно подобранной дли-
ной волны А,, она перейдет в пе-
реходное состояние с потенци-
альной энергией Vt(R). В этом
состоянии молекула неустойчи-
ва и начинает распадаться на
фрагменты I и CN, что сопро-
вождается удалением их друг от
друга. Облучая активированный
комплекс зондирующим импуль-
сом С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ Х’г, МОЖНО
перевести фрагмент CN в воз-
бужденное состояние CN’, кото-
рое самопроизвольно излучает
свет (флуоресцирует). Интен-
сивность сигнала флуоресцен-
ции CN‘ и есть эксперименталь-
но измеряемая величина.
Самое главное заключается в
том, что за время действия све-
товых импульсов ядра практи-
чески заморожены и межъядер-
ное расстояние не изменяется;
при этом импульс с большой
вероятностью возбуждает фраг-
мент CN только в тот момент,
когда расстояние R обеспечива-
ет разность энергий V2(R) -
И,(/?) равную частоте, которая
соответствует длине волны Х‘2:
VdR) - У,(7Г) = hc/\\,
где h — постоянная Планка, с —
скорость света. Это — одно из
ао
ПРИ РОДА
№ 1
2 000
химия
Кривые потенциальной энер-
гии молекулы Nal и переходно-
го комплекса [Na...I]' (показа-
на цветом). В возбужденном
состоянии атомы натрия и
иода, колеблясь, могут уда-
ляться друг от друга на боль-
шие расстояния и тогда связь
— ионная; когда они сближе-
ны, — связь ковалентная. При
прохождении (слева направо)
расстояния 6.9 А переходный
комплекс может с заметной
вероятностью перейти либо в
состояние обычной молекулы,
либо остаться в активиро-
ванном. В последнем случае
(вероятность которого около
20%) молекула распадется на
отдельные атомы.
проявлений принципа Франка-
Кондона для электронных пере-
ходов в молекуле. Таким обра-
зом, максимум сигнала при дли-
не волны зондирующего им-
пульса V. показывает, в какой
момент времени длина пере-
ходного комплекса равна R'. Ес-
ли зондирующий импульс имеет
длину волны Х"2, которая соот-
ветствует разности между пре-
дельными (асимптотическими)
значениями потенциалов V, и У2
Х-. = />с/[К,(«) - v,(-)],
то такой импульс может возбу-
дить молекулу CN только после
окончания реакции распада, т.е.
'он зондирует только продукт ре-
акции и таким образом фикси-
рует момент ее окончания. Из-
менение длины волны зондиру-
ющего импульса от АЛ до А.". поз-
воляет просканировать анало-
гичным образом всю шкалу из-
менения R от R‘ до /?—><» и найти
зависимость R(t) в процессе ре-
акции, т.е. определить динамику
реакции распада.
Этот эксперимент вошел в
историю науки как первое ис-
следование химической реак-
ции в реальном масштабе време-
ни с фемтосекундным разреше-
нием и стал началом большой
серии работ, принесших Зевей-
лу в 1999 г. Нобелевскую пре-
мию. Интересно, что рецензент
его первой статьи1 (она написа-
на в соавторстве и в переводе на
русский называется “Фемтосе-
кундное зондирование переход-
ных состояний химических ре-
акций в реальном времени”), по-
видимому, имел хорошее науч-
ное чутье. Он написал в своем
отзыве: “Похоже, что авторы по-
пали на чрезвычайно захватыва-
ющий путь... Статья может стать
классической. Ее необходимо
опубликовать со всей возмож-
ной быстротой”2.
Другой, ставший знамени-
тым, эксперимент был проведен
1 Dantus М., Rosker M.J.,
Z е w a i 1 А. Н . //J. Chem. Phys. 1987. V.87.
Р.2395-2397.
'Цитируется по: Z е w a i 1 А . Н . //J. Phys.
Chem. 1993. V.97. Р. 12427-12446.
спустя год1. В нем изучалась ди-
намика разрыва связи в молеку-
ле йодистого натрия Nal:
Nal -> [Na—I]‘ -> Na + I
Импульс накачки, действуя
на молекулу, находящуюся в ос-
новном, ионном, состоянии
NaT, переводит ее в возбужден-
ное ковалентное состояние Nal.
В возбужденной молекуле
ядра Na и I начинают двигаться
относительно друг друга и,
когда расстояние становится
равным примерно 6.9 А, потен-
циальные энергии ионного и
ковалентного состояний вы-
равниваются. После этого мо-
лекула имеет две возможности:
остаться в неустойчивом кова-
лентном состоянии и вскоре
распасться на нейтральные
атомы Na и I или перейти об-
ратно в устойчивое ионное со-
стояние, в котором будут про-
должаться колебания ядер. При
1 Rose T.S., Rosker M.J.,
Z е w a i 1 А. Н . // J. Chem. Phys. 1988. V.88.
P.6672-6681.
6 П Р И Р О Д А • № 1 • 2000
• 1
химия
Динамика распада активиро-
ванного комплекса [Na-I]'.
Ступенчатое увеличение ин-
тенсивности флуоресценции
Na‘, наблюдаемое при возбуж-
дении продукта реакции —
свободного атома натрия,
отражает накопление этих
атомов при периодической
диссоциации переходных ком-
плексов. Последовательное
уменьшение амплитуд всплес-
ков при возбуждении активи-
рованного комплекса свиде-
тельствует о понижении кон-
центрации возбужденных мо-
лекул Nal за счет их периоди-
ческого распада. (Rose T.S.,
Rosker MJ., Zewail A.H., 1988.)
каждом сближении атомов на
критическое расстояние часть
молекул распадается на атомы,
а часть остается в связанном
виде.
Если второй, зондирующий,
импульс возбуждает продукт ре-
акции — свободные атомы на-
трия, — последующий затем сиг-
нал флуоресценции имеет сту-
пенчатую форму: при каждом
критическом сближении фраг-
ментов он возрастает за счет
распада молекул и появления
новых атомов натрия. Если же
зондирующий импульс возбуж-
дает переходный комплекс, т.е.
колеблющуюся молекулу, сигнал
флуоресценции приобретает
вид затухающей последователь-
ности всплесков, каждый из ко-
торых соответствует критичес-
кому сближению ядер при коле-
баниях. Уменьшение высоты
всплесков при каждой последу-
ющей бифуркации позволяет
определить вероятность распа-
да активированного комплекса.
Она составляет около 20%. Кро-
ме того, расстояние между пика-
ми-всплесками показывает пе-
риод (он составляет около 1.25
пс) колебаний и распадов этого
комплекса. Наконец, можно рас-
считать и время жизни колеб-
лющейся молекулы: она сущест-
вует примерно в течение 10 ко-
лебаний. Таким образом, меняя
время задержки между импуль-
сами и длину волны зондирую-
щего импульса, удается в реаль-
ном времени наблюдать перехо-
ды между ионным и ковалент-
ным состояниями молекулы Na-I
и образование атомов натрия
при ее диссоциации.
Главный результат работ Зе-
вейла — возможность следить
за протеканием элементарных
химических реакций в реаль-
ном масштабе времени. По су-
ти, им создан новый раздел хи-
мии — фемтохимия, которая
изучает химические процессы в
фемтосекундном временном
диапазоне.
Работы Зевейла привели к
настоящему взрыву исследова-
ний динамики химических реак-
ций. Вот перечень некоторых
основных типов реакций, иллю-
стрирующий возможности фем-
тосекундной импульсной спект-
роскопии в исследовании хими-
ческой динамики:
реакции фотодиссоциации
(Hgl2, СНД, Nal);
бимолекулярные реакции
(Вг + 12-> Вг! + I);
реакции изомеризации (цис-
С(,Н,СН=СНС(,Н5-> тр«нсСбН,СН=
= СНС6Н5);
реакции элиминирования
(CFJCFJ -> C2F4 + I2);
реакции Дильса—Альдера;
реакции с переносом заряда;
реакции внутримолекулярно-
го и межмолекулярного перено-
са протона (кислотно-основные
реакции);
реакции таутомеризации.
Во всех этих случаях удалось
полностью описать динамику
образования и распада переход-
ного комплекса в реальном мас-
штабе времени.
Современные достижения
фемтохимии уже подробно из-
12
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
ФИЗИОЛОГИЯ. МЕДИЦИНА
ложены в обзорных моногра-
фиях1.
Сжатие лазерных импульсов
до 4 фс означает, что в исследо-
вании химических процессов
достигнут нижний временной
предел. Дальше укорачивать им-
пульсы бессмысленно, так как
даже самые быстрые элементар-
ные реакции длятся не меньше
10 фс. Поэтому развитие метода
фемтосекундной спектроскопии
будет происходить не вглубь, а
путем расширения круга изучае-
мых объектов.
Созданный Зевейлом метод
исследования сверхбыстрых
процессов может быть исполь-
зован не только для анализа ре-
акций в газовой фазе и в молеку-
лярных пучках, но и для изуче-
ния процессов в растворах и на
межфазных границах. Выясне-
ние механизмов перераспреде-
1 Femtosecond Chemistry / Ed. J.Manz and
L.Woste. Weinheim, 1995; Femtochemistry:
Ultrafast Chemical and Physical Processes in
Molecular Systems / Ed. M.Chergui. Singapore,
1996; Femtochemistry and Femtobiology / Ed.
VSundstrom. Singapore, 1997.
ления энергии в сложных моле-
кулах позволит предсказывать
их реакционную способность и
создавать новые синтетические
методы. Анализ динамики реак-
ций на поверхности может про-
яснить многое в механизмах
действия гетерогенных катали-
заторов, а применение фемтосе-
кундных импульсов в биохимии
— выявить тонкие детали меха-
низмов действия биологически
активных молекул.
Другой важный аспект изуче-
ния сверхбыстрых процессов
связан с возможностью управле-
ния ими. Уже первые успехи в
изучении динамики реакций в
реальном времени навели на
мысль, что можно пускать хими-
ческую реакцию по заранее за-
планированному пути и с задан-
ной скоростью. Расчеты дали
обнадеживающие результаты:
подбирая в сложных последова-
тельностях лазерных импульсов
длины их волн и времена задер-
жек, можно концентрировать
элементарное возбуждение в
любой части молекулы. В неко-
торых простых случаях удалось
экспериментально осуществить
селективный разрыв химичес-
кой связи. Это означает, что в
химической динамике появи-
лось новое направление — хи-
мия отдельных связей.
Прежде чем техника селек-
тивного разрыва или образова-
ния отдельных связей найдет
применение в практическом хи-
мическом синтезе, пройдет еще
много времени. Но есть надежда,
что лазерное управление хими-
ческой динамикой когда-нибудь
станет общедоступной техникой
синтеза, с помощью которой
можно будет “вытворять хими-
ческие чудеса”, недоступные
обычным препаративным мето-
дам. И химики, пользуясь своей
самой быстрой в мире фемтосе-
кундной “камерой”, смогут сни-
мать неординарные “химичес-
кие фильмы”.
© В.В.Еремин,
кандидат физико-
математических наук
химический факультет
Московского государственного
университета им.М.В.Ломоносоваи
По физиологии и медицине — Г.Блобель
Нобелевская премия по
физиологии и медицине
за 1999 г. присуждена
Г.Блобелю за открытие “у белков
внутренних.сигналов, которые
определяют их транспорт и ло-
кализацию в клетке”.
Гюнтер Блобель (Giinter
Blobel) родился 21 мая 1936 г. в
Вальтерсдорфе (Германия). В
I960 г. он закончил университет
в Тюбингене и получил звание
врача, а свою научную карьеру
сделал в США. Несколько лет
Блобель занимался онкологией
в Висконсинском университете
(г.Мадисон), здесь защитил кан-
дидатскую диссертацию. С
1967 г. и по настоящее время ра-
ботает в Рокфеллеровском уни-
верситете в Нью-Йорке.
Труды Блобеля высоко оцене-
ны и американским, и междуна-
родным научным сообществом:
он — член Национальной акаде-
мии наук США и ряда престиж-
ных обществ; имеет множество
наград, в том числе медаль Вар-
бурга, премии Макса Планка,
Альберта Ласкера, короля Фей-
сала. Блобель прославился также
меценатством в Германии — по-
могает восстанавливать архи-
тектуру и искусство Дрездена.
В конце 60-х годов Блобель
работал в Рокфеллеровском ин-
ституте — в знаменитой лабора-
тории Дж.Палладе, где изучались
Г.Блобель
6’ ПРИРОДА • № 1 • 2000
83
ФИЗИОЛОГИЯ. МЕДИЦИНА
Два варианта транспортных сигналов.
структура клетки и механизмы
секреции вновь синтезирован-
ных белков. (Дж.Палладе, А.Клод
и К.де Дюв в 1974 г. удостоены
Нобелевской премии за откры-
тия, касающиеся структурной и
функциональной организации
клетки.) Так что исследования
Блобеля соответствовали тради-
ционному направлению лабора-
тории: он изучал, как только что
образовавшийся белок, предназ-
наченный для выведения (секре-
ции) из клетки, связывается со
специализированной внутрикле-
точной органеллой — эндоплаз-
матическим ретикулумом. И в
1971 г. сформулировал первую
версию “сигнальной гипотезы”. В
ней он высказал мысль, что сек-
ретируемые белки содержат вну-
тренний сигнал, который на-
правляет их к мембранам и спо-
собствует проникновению через
них.
В 1975 г. Блобель описывает
разные стадии этого процесса и
в элегантных биохимических
экспериментах подтверждает,
что белки действительно пере-
мещаются через мембрану эндо-
плазматического ретикулума
(проникая в его полость через
канал) благодаря сигналу. Этот
сигнал представляет собой не-
отъемлемую часть белковой мо-
лекулы, особую аминокислот-
ную последовательность.
В течение 20 лет Блобель и
его коллеги шаг за шагом иссле-
довали молекулярные механиз-
мы транспорта белков и в конце
концов доказали не только вер-
ность “сигнальной гипотезы”,
но и ее универсальность: меха-
низм переноса белков одинаков
у всех эвкариот — дрожжей, рас-
тений, животных.
Уже давно известно, что бел-
ковая молекула — это цепочка
соединенных между собой ами-
нокислотных остатков, длина
которой может быть очень раз-
ной — от немногих десятков до
нескольких тысяч остатков. Лю-
бой белок синтезируется рибо-
сомами, которые локализованы в
цитоплазме, а свои функции он
может выполнять или тут же, в
цитоплазме, или в определенной
органелле, или за пределами
клетки. Только цитоплазматиче-
ские белки не встречают препят-
ствий, так как после окончания-
синтеза сразу оказываются в кле-
точном пространстве. Для всех
прочих существуют казалось бы
непреодолимые барьеры — мем-
браны, которыми окружена лю-
бая органелла и сама клетка.
Каким образом крупная белковая
молекула проходит через тон-
чайший слой мембраны^ не по-
вредив его? Благодаря чему каж-
дый белок попадает в предназна-
ченное ему место? Блобель в сво-
их экспериментах нашел ответ
на оба этих вопроса.
В содружестве с исследовате-
лями других лабораторий он вы-
явил весь механизм транспорта
и в 1980 г. сформулировал об-
щий принцип сортировки бел-
ков и их доставки в клеточные
органеллы или за пределы клет-
ки. Теперь “сигнальная гипотеза”
Блобеля прочно вошла в учебни-
ки молекулярной биологии.
Как же транспортируются
вновь синтезированные белки в
клетках эвкариот?
Именно сигнальная последо-
вательность определяет, будет
ли белок проникать через мемб-
рану определенной органеллы и
проходить внутрь ее, останется
ли встроенным в мембрану (ее
каналы, как известно, формиру-
ются белками), или ему предсто-
ит экспортироваться из клетки
(такова судьба секреторных бел-
ков, многие из которых облада-
ют гормональной активностью).
Этот сигнальный участок выпол-
няет две функции: как почтовый
адрес на конверте, указывает
точное место назначения белка
и, подобно застежке-молнии,
скрепляет его с рецептором на
мембране органеллы. Адрес-за-
стежка состоит из 10—30 амино-
кислотных остатков и может
располагаться как на конце по-
липептидной цепи, так и внутри
ее в виде линейно удаленных
друг от друга фрагментов (в гло-
булярном белке они простран-
ственно сближены и потому об-
разуют единую часть).
Синтез белковой молекулы
начинается с сигнального участ-
ка, посредством которого рибо-
сома прикрепляется к рецептору
на мембране эндоплазматичес-
кого ретикулума и проходит че-
рез ее канал, затягивая посте-
пенно удлиняющуюся цепь бел-
ка в полость ретикулума. Уже не-
нужный сигнальный участок от-
щепляется специальным фер-
ментом, а белок может остаться
здесь же, если имеет в своей
структуре стоп-сигнал — не-
большой фрагмент на другом
конце цепи. Дальше, если это не
конечная станция, на противо-
положной мембране ретикулума
возникает выпячивание, посте-
пенно образуется пузырек, со-
держащий транспортируемый
84
ПРИРОДА • № 1 • 2000
ФИЗИОЛОГИЯ. МЕДИЦИНА
белок. Пузырек, везикула, отры-
вается от мембраны ретикулума
и сливается с ближайшей цис-
терной аппарата Гольджи. По-
скольку везикула и цистерна
сливаются своими мембранами,
на этом отрезке пути белку уже
не приходится преодолевать
мембранный барьер. Так после-
довательным переносом в
транспортных везикулах белок
добирается до места своего на-
значения и удерживается там,
как и в полости эндоплазмати-
ческого ретикулума, с помощью
короткого сигнального пептида,
находящегося в С-концевом уча-
стке белковой молекулы.
По этой схеме образуется ин-
сулин, широко известный гор-
мон белковой природы, состоя-
щий из двух небольших цепей,
соединенных между собою ди-
сульфидными мостиками. Но
синтезируется он в поджелудоч-
ной железе (на мембранах эндо-
плазматического ретикулума бе-
* та-островков Лангерганса) ри-
босомами в виде предшествен-
ника — препроинсулина. Его
единственная полипептидная
цепь образована 109 аминокис-
лотными остатками, причем 23
из них, расположенных на N-
конце цепи, представляют собой
именно тот сигнальный пептид,
который и определяет начало
пути. По завершении синтеза
препроинсулин оказывается
внутри эндоплазматического
ретикулума, где гидрофобный
сигнальный фрагмент отщепля-
ется и остается проинсулин (с
первого по 86-й остаток, если не
считать сигнальный пептид), в
молекуле которого все сульфги-
дрильные группы уже замкнуты
так же, как в зрелом инсулине.
Везикулы с проинсулином пере-
'носятся в аппарат Гольджи, и
там мембранная протеиназа вы-
щепляет из его молекулы фраг-
мент 31—65. В результате обра-
зуется инсулин: две цепи — А и
Б, соединенные между собой S-
S-мостиками. Везикулы, форми-
руемые аппаратом Гольджи, за-
хватывают готовый инсулин,
пептид 31—65, часть проинсули-
на (около 5% от количества ин-
Схема белкового биосинтеза.
Перенос секреторных белков. В процессе биосинтеза белок сра-
зу попадает в полость эндоплазматического ретикулума (ЭР),
откуда в транспортных пузырьках, которые отшнуровывают-
ся от этой органеллы, достигают ближайшего структурного
элемента аппарата Гольджи. В нем в свою очередь формиру-
ются такие же пузырьки, которые несут белок дальше — через
цитоплазму к клеточной стенке.
сулина) и ионы Zn2* (они, взаи-
модействуя с инсулином, изме-
няют его пространственную
структуру и препятствуют рас-
творению). После присоедине-
ния инсулиновых гранул к плаз-
матическим мембранам в меж-
клеточное пространство высво-
бождается весь секрет везикул.
Синтез препроинсулина и
его превращение в проинсулин
происходит за одну-две минуты,
транспорт последнего от эндо-
плазматического ретикулума до
аппарата Гольджи занимает 10—
20 мин. “Созревание” везикул,
несущих инсулин дальше к плаз-
матической мембране, протека-
ПРИРОДА
№ 1
2 000
15
ФИЗИОЛОГИЯ. МЕДИЦИНА
Схема биосинтеза инсулина.
случаев служит АТФ; участия
ферментов для модификации,
часто необходимой белку, что-
бы он выполнял свои функции;
иногда — и модификации само-
го сигнального пептида; опре-
деленного электрохимического
градиента на внутренней мемб-
ране митохондрий, если белок
поступает в эти органеллы; сам
сигнальный участок должен со-
держать не только точный ад-
рес доставки, но и фрагмент,
распознаваемый специальным
ферментом (так называемой
сигнальной пептидазой), кото-
рый отщепляет его, пептид, от
белковой молекулы. Если белок
должен быть встроен в мембра-
ну, у него имеется (в простей-
шем случае) еще и стоп-пептид,
с помощью которого молекула
заякоривается в липидном слое
мембраны так, что одна ее часть
переносится через мембрану, а
другая остается снаружи. Быва-
ет и не по одному старт- и стоп-
сигналу, если белковая молеку-
ла прошивает мембрану не-
сколько раз.
Перенос белков в клеточное
ядро принципиально отличает-
ся от механизмов их доставки в
другие органеллы. Белки, а их
множество (среди них есть и
очень крупные, например гро-
мадные молекулы ферментов,
состоящие из нескольких субъе-
диниц), попадают из цитоплаз-
мы в ядро не через липидные
слои его оболочки, а через вод-
ные поры. В клеточном ядре
млекопитающих их число со-
ставляет три —четыре тысячи,
они пронизывают его двойную
мембрану и окружены поровыми
ет в течение одного-двух часов.
При действии глюкозы на бета-
клетки поджелудочной железы
стимулируется главным образом
слияние инсулиновых везикул с
плазматическими мембранами,
что приводит к усиленной сек-
реции этого гормона. Таким об-
разом, от начала синтеза секре-
тируемых белков до момента их
появления в местах секреции
проходит один—три часа.
Итак, сигнальные фрагменты
есть у каждого синтезируемого
белка (если не нарушен процесс
синтеза). Размер и структура
фрагмента специфичны не для
вида белковых молекул (хотя
аминокислотная последователь-
ность сигнала может и разли-
чаться), а для места их назначе-
ния. Иными словами, белки, на-
правляемые, например, в лизо-
сомы, имеют сигнальный фраг-
мент (его принято называть то-
погенетическим сигналом), от-
личный от того, который управ-
ляет движением белков в перок-
сисомы, а тем более — в ядро.
Транспорт белков совсем не
так прост, как может показать-
ся. Он требует энергии, источ-
ником которой в большинстве
Примеры белкового транспорта, управляемого сигнальными
фрагментами (показаны цветом). Видно, что белок направля-
ется в определенную органеллу благодаря наличию у него сиг-
нальной структуры, специфичной именно для этой органеллы.
•6
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
ФИЗИОЛОГИЯ. МЕДИЦИНА
ядерная
мембрана
комплекс ядерной поры
гранулы комплекса центральная гранула
ядерной поры комплекса ядерной поры
Трехмерная модель ядра в поперечном срезе (слева) и схема небольшого участка ядерной обо-
лочки. Водные поры, по периметру которых находятся крупные белковые гранулы, насквозь про-
низывают двойную мембрану ядра и служат как для экспорта, так и для импорта белков и бел-
ково-нуклеиновых комплексов.
•комплексами из набора больших
белковых гранул. Эти поры ра-
ботают, подобно клапану, т.е.
способны открываться по сигна-
лу транспортируемого белка и
закрываться, когда он достигает
ядерной плазмы (нуклеоплаз-
мы). Сигнальные участки у од-
них ядерных белков могут рас-
полагаться на N-конце их цепи,
у других — внутри нее.
В лаборатории Блобеля про-
должается изучение транспор-
та белков в митохондрии и хло-
ропласты, исследуются меха-
низмы ядерного экспорта и им-
порта белков и нуклеопротеи-
дов (белковых комплексов с
РНК или ДНК). В последние го-
ды удалось выяснить, что
транспортируемые в ядро бел-
ки распознаются и присоединя-
'ютсяк комплексу переносчиков
кариоферином-бета-2. Более
того, уже установлена его тре-
тичная структура. Блобель по-
лагает, что и экспорт, и импорт
белков опосредованы одними и
теми же сигналами. На экспе-
риментальных доказательствах
этого и сосредоточены усилия
нового нобелевского лауреата
и его коллег.
Важность расшифровки
транспортного механизма для
понимания жизнедеятельности
клетки неоспорима. Но за этим
кроются и медицинские аспек-
ты. Из примера синтеза инсули-
на ясна роль сигнального пепти-
да в образовании столь необхо-
димого медицинской практике
гормона. А в здравоохранении
применяются и многие другие
препараты белковой природы,
например гормон роста, интер-
ферон, эритропоэтин, которые
пока производятся не совсем
идеальными для этого бактерия-
ми. Новая стратегия получения
таких препаратов может быть
основана на знании структуры
кодирующего сортировочный
сигнал генного участка и ис-
пользования методов генной
инженерии.
Результаты исследований
Блобеля помогают понять и мо-
лекулярные механизмы различ-
ных наследственных заболева-
ний. Они могут быть обусловле-
ны доставкой белка в ошибоч-
ное место из-за того, что сиг-
нальный пептид не отщепляется
от белка, а остается связанным с
ним, как при первичной ги-
пероксалурии, вызывающей об-
разование камней в почках че-
ловека в раннем возрасте. Неко-
торые формы гиперхолестери-
немии (т.е. повышенного содер-
жания в крови холестерина)
обусловлены несовершенством
транспортных сигналов. Еще од-
на наследственная болезнь —
муковисцидоз (фиброзно-кис-
тозная дегенерация) — связана с
тем, что белки не достигают ме-
ста своего назначения.
Исследования, начатые около
30 лет назад и продолжающиеся
до сих пор, принесли Блобелю
самую престижную научную на-
граду. Кто знает, не пополнится
ли сонм нобелевских лауреатов
новыми именами за работы в
этой удивительной области зна-
ний о живом — клеточной био-
логии.
© Член-корреспондент РАН
В.А. Ткачук
Российский кардиологический
научно-производственный комплекс
Минздрава РФ
Л.П.Белякова,
кандидат химических наук
Москваи
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
7
4'-'CtyCiijiLU
Творцы
ядерного века
В.Ю.Баранов, С.Д.Лазарев
Российский научный центр
«Курчатовский институт*
Два года назад исполни-
лось 90 лет со дня рож-
дения выдающегося
го нашей страны ака-
демика Исаака Константино-
вича Кикоина (1908—1984).
И хотя его уже давно нет
среди нас, память о нем жи-
ва. В вышедшей книге его
коллеги, многочисленные
ученики и родственники де-
лятся своими воспоминания-
ми, раскрывая образ учено-
го, руководителя, человека.
Кикоин относился к той
когорте ученых, которые
своими трудами позволили
советской науке занять ли-
дирующее положение в ми-
ре. С его именем связаны
многие замечательные до-
стижения как в области фун-
даментальной физики, так и
в решении атомной пробле-
мы в нашей стране.
На формирование лично-
сти И.К.Кикоина как ученого-
физика большое влияние
оказал руководитель Ленин-
градского физико-техничес-
кого института академик
А.Ф.Иоффе — один из созда-
телей школы советской фи-
зики. После окончания По-
литехнического института в
Ленинграде Кикоин начал
работу в Физтехе. Одной из
первых его научных работ
© В.Ю.Баранов. СДДазарев
было исследование эффекта
Холла и магнитосопротивле-
ния в жидких металлах. По-
лученные результаты доказа-
ли применимость развитой
незадолго до этого кванто-
вой теории электропровод-
ности жидких металлов, из
которой следовало, что по-
стоянная Холла определяет-
ся лишь плотностью элек-
тронов проводимости неза-
висимо от характера распо-
ложения ионов. Кикоин оп-
роверг выводы, сделанные
такими крупными физиками,
как Вальтер Нернст и Пауль
Друде, что эффект Холла в
жидких металлах отсутству-
ет. Широкое признание при-
шло в 1933 г. после открытия
им (совместно с М.М.Носко-
вым) фотомагнитоэлектри-
ческого эффекта в полупро- .
водниках, который вошел в
литературу как эффект Кико-
ина-Носкова. Из работ, вы-
полненных Кикоиным в дово-
енные годы, следует отметить
те, что посвящены исследова-
нию эффекта Холла в магне-
тиках и измерению гиромаг-
нитного отношения в сверх-
проводниках. Кикоин^пока-
зал, что в ферромагнетиках,
наряду с обычным эффектом
Холла, связанным с магнит-
ным полем, существует ано-
мальный эффект, который
определяется намагниченно-
Исаак Константинович
Кикоин Воспоминания
современников
Отв. ред. Н И.Пономарев-
Степной.
М.: Паука, 1998. 255 с.
•а
ПРИРОДА • № 1 • 2000
стью образца (аномальный
эффект Холла —Кикоина). В
блестящих по эксперимен-
тальному мастерству иссле-
дованиях Кикоиным (совме-
стно с С.В.Губарем) было
впервые измерено гиромаг-
нитное отношение в сверх-
проводниках и показано, что
магнетизм сверхпроводников
связан с электронным током.
Этот результат был весьма ва-
жен для понимания микро-
скопической природы сверх-
проводимости.
Уже в довоенные годы имя
Кикоина как видного учено-
го в области физики твердо-
го тела было известно как в
нашей стране, так и за рубе-
жом. Однако начавшаяся в
1941 г. война круто изменила
все жизненные планы. Кико-
ин переключает свою дея-
тельность на решение при-
кладных задач, важных для
повышения обороноспособ-
ности нашей страны. В
1941 —1942 гг. руководимая
им лаборатория на Урале со-
здала новый тип амперметра
для измерения больших то-
ков, который нашел свое
применение в электролиз-
ных процессах при выплавке
алюминия. За эту работу Ки-
коин получил свою первую
Государственную премию.
В 1942 г. по приглашению
И.В.Курчатова Кикоин начи-
нает работы, направленные
на создание атомного ору-
жия в Советском Союзе. Ему
была поручена одна из важ-
ных и сложных проблем
атомного проекта — разде-
ление изотопов урана, — ко-
торая и была блестяще реше-
на в чрезвычайно сжатые
Сроки. Под научным руко-
водством Кикоина создава-
лась отечественная промыш-
- ленная газодиффузионная
технология разделения изо-
топов урана. Это позволило в
1951 г. провести успешное
испытание советской урано-
вой атомной бомбы.
Кикоин был одним из ор-
ганизаторов Института атом-
ной энергии (ныне — Рос-
сийский научный центр
«Курчатовский институт»), в
котором он работал замести-
телем директора до конца
своих дней. Усилиями Кикои-
на и возглавляемых им кол-
лективов технология разде-
ления изотопов была в по-
следующие годы радикально
изменена — в промышленно-
сти используется центробеж-
ная технология разделения
изотопов урана, что позволя-
ет в десятки раз уменьшить
расход электроэнергии.
В работе над атомным
проектом проявились выда-
ющиеся качества Кикоина
как ученого, организатора,
руководителя. Его авторитет
основывался не на админист-
ративной власти, а на высо-
чайших профессиональных
и человеческих качествах.
Работал Кикоин самозабвен-
но, его рабочий день продол-
жался 12 — 14 часов в сутки, и
так в течение многих лет.
За успешное решение по-
ставленных правительством
задач по атомной проблеме
деятельность Кикоина была
отмечена наградами. Он —
дважды Герой Социалистиче-
ского Труда, кавалер семи
орденов Ленина,лауреат Ле-
нинской и шести Государст-
венных премий СССР.
В 50-е годы наряду с рабо-
той по атомной проблеме
Кикоин продолжил исследо-
вания по физике твердого
тела. Совместно с Ю.А.Бы-
ковским и одним из авторов
этой рецензии (С.Д.Лазаре-
вым) была открыта анизо-
тропия четного и нечетного
фотомагнитных эффектов в
монокристаллах германия и
кремния, в экспериментах с
фотомагнитным эффектом в
антимониде и арсениде ин-
дия при гелиевых температу-
рах обнаружены квантовые
осцилляции сигнала с маг-
нитным полем. Кикоин (сов-
местно с С.Д.Лазаревым) об-
наруживает новый эффект,
названный фотопьезоэлект-
рическим, — возникновение
разности потенциалов в ос-
вещенном полупроводнике,
подвергнутом одноосной де-
формации. В 80-е годы груп-
пой Кикоина были изучены
радиационные электромаг-
нитный и пьезоэлектричес-
кий эффекты в кристаллах
германия, когда вместо света
источником первичного
рождения электронов и ды-
рок в полупроводнике явля-
ется поток заряженных час-
тиц (а-частицы, протоны).
Работы Кикоина с сотрудни-
ками внесли новую страницу
в физику полупроводников.
Они стали классическими и
вошли во все современные
учебники.
Хотелось бы специально
остановиться на следующем.
При проведении научных
исследований Кикоин сам
проводил измерения. Если
же на этой стадии экспери-
мента он не принимал учас-
тия, хотя и был безусловным
руководителем работы, то
всегда отказывался войти в
авторский коллектив. Более
того, до последних дней
жизни Кикоин непосредст-
венно своими руками в про-
водимых им экспериментах
осуществлял стеклодувные
операции и тонкую распайку
исследуемых образцов.
Нравственный аспект такого
отношения к науке имел ог-
ромное значение для окру-
жающих.
Наряду с научной дея-
тельностью Кикоин уделял
большое внимание воспита-
нию молодой научной сме-
ны. Он читал лекции в Ле-
нинградском политехничес-
ком институте, Свердлов-
ском и Московском универ-
ситетах, Московском инже-
нерно-физическом институ-
те, руководил аспирантами
и вел физические кружки
для студентов. Его лекции
способствовали выработке
научного мышления у цело-
го поколения, своей любо-
вью к физике он заражал ау-
ПРИРОДА • № 1 • 2000
9
$
$
•*.
$
За работой.
Многие
материалы
удалось
опубликовать
только сейчас,
когда снят
гриф
секретности.
90
диторию, делая слушателей
своими единомышленника-
ми. Кикоин совместно с бра-
том написал прекрасный
учебник для вузов '-Молеку-
лярная физика». Интерес Ки-
коина к преподаванию не
случаен. Его отец был учите-
лем. Исаак Кикоин окончил
Псковскую школу №1
им.Л.М.Поземского, где пре-
подавал его отец. У этой
школы богатые традиции, в
ней учились известные в бу-
дущем выпускники Акаде-
мии медицинских наук ака-
демики Л.А.Зильбер и А.А.Ле-
таветт, видный деятель здра-
воохранения В.А.Обух, мате-
матик В.М.Брадис, писатели
Ю.Н.Тынянов, В.А.Каверин.
Кикоин присутствовал на
180-летнем юбилее школы,
помогал созданию музея. В
честь 90-летия со дня рож-
дения ученого на ее стене
была открыта мемориальная
доска, где сообщается, что
академик И.К.Кикоин окон-
чил эту школу в 1923 г. На
торжественной церемонии
присутствовала и делегация
из Курчатовского института.
Ученого глубоко волно-
вали проблемы народного
образования. Несмотря на
большую занятость, он ак-
тивно включился в работу
по составлению новой про-
граммы обучения физике.
Он понимал, что главное в
этом деле — хороший учеб-
ник для школьников. И
вместе с братом А.К.Кикои-
ным он написал учебник по
физике для 8 класса, кото-
рый был рекомендован Ми-
нистерством просвещения в
качестве базового. Кикоин-
заботился о выявлении-мо-
лодых талантов,он создавал
физико-математические
школы, много лет возглав-
лял Комитет по школьным
олимпиадам. Кикоин (сов-
местно с А.Н.Колмогоро-
вым) организовал уникаль-
ный физико-математичес-
кий журнал «Квант» для
юношества, который поль-
зуется до сего времени ог-
ромной популярностью не
только среди школьников и
студентов, но и среди широ-
кого круга читателей всех
возрастов.
ПРИРОДА • № 1 • 2000
Кикоина очень беспокои-
ло, что значительная часть
научной продукции в период
работы по атомному проекту
оставалась закрытой для ис-
следователей. Он считал это
положение временным. По
мере сил поддерживал прове-
дение научных конференций
по различным проблемам
физики и сам принимал учас-
тие в их работе. Подготов-
ленный под его руководст-
вом доклад на конференции в
Женеве в 1965 г. о методах
обнаружения ядерных взры-
вов способствовал подписа-
нию соглашения о запреще-
нии испытания ядерных
взрывов в атмосфере. В Кур-
чатовском институте ежегод-
но 28 марта (день рождения
Кикоина) проводятся Кико-
инские чтения, на которых
видные российские ученые,
многие из которых были зна-
комы с ним лично, выступают
<? докладами о последних до-
стижениях науки и техники.
Кикоин обладал редкими
душевными качествами. Он
был всегда открыт для всех.
К нему шли не только за на-
учными консультациями, но
и за помощью в личных де-
лах. Энциклопедически об-
разованный, своими знания-
ми в различных областях он
охотно делился с коллегами.
Считал, что человек, умею-
щий хорошо работать, дол-
жен хорошо отдыхать, и был
инициатором многочислен-
ных капустников, Дня физи-
ка в Курчатовском институте
и других увеселительных ме-
роприятий в коллективах,
которыми он руководил. О
различных сторонах этой
многогранной личности
рассказывается в книге.
Многие материалы удалось
-опубликовать только сейчас,
когда снят гриф секретности
с колоссальной работы по
созданию советского ядер-
ного оружия. Читатель с
большим интересом прочи-
тает воспоминания о совме-
стной работе с Кикоиным по
решению атомной проблемы
в нашей стране руководите-
лей крупнейших заводов,
связанных с атомной промы-
шленностью: А.М.Петросьян-
ца, А.П.Александрова, И.С.Из-
раилевича, Ю.Л.Голина,
Ю.П.Забелина, И.Н.Фридлян-
дера и др. О своих контактах
с Кикоиным рассказывают
известные академики и про-
фессора Л.А.Арцимович,
Ю.М.Каган, Н.А.Черноплеков,
Я.А.Смородинский, С.В.Вон-
совский. И конечно, ближай-
шие сотрудники и ученики
по Курчатовскому институту,
многие из которых стали се-
годня известными учеными,
делятся воспоминаниями о
своем руководителе и о го-
дах совместного труда. Ин-
тересны воспоминания о Ки-
коине работников школьно-
го просвещения М.А.Проко-
фьева, В.Г.Разумовского,
М.Н.Максимовского, Л.Г.Рот-
генгера. Открывается книга
статьями брата и сестры А.К.
и Е.К.Кикоиных. Предисло-
вие написал вице-президент
Российского научного цент-
ра «Курчатовский институт»
академик Н.Н.Пономарев-
Степной.
Одно из величайших до-
стижений уходящего столе-
тия — использование чело-
веком энергии атома. Неда-
ром XX век называют иногда
ядерным веком. Люди, стоя-
щие у истоков этой научно-
технической революции,
усилиями которых главным
образом совершен такой
грандиозный прорыв в науке
и технике, — творцы ядерно-
го века — привлекают к себе
пристальное внимание и ин-
терес общества. Книга вос-
поминаний об академике
И.К.Кикоине поможет боль-
шому кругу читателей хотя
бы частично этот интерес
удовлетворить. Она будет
полезна также для ответа на
вопрос о роли личности и
формирующейся вокруг нее
школы для развития науки в
нашей стране.
Мгтемстика
МЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФУНКЦИЙ
И СМЕЖНЫЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА
/ Иод ред. С М Никольского М:
АФЦ. 1090. 272 с.
Выход книги приурочен к
70-летию выдающегося россий-
ского математика. члена- коррс.
спондента Российской акаде-
мии наук, профессора МГУ им.
М.В.Ломоносова Петра Лаврен-
тьевича Ульянова
В статьях, представленных в
сборнике, исследуются направ-
ления математического анализа,
в которых фундаментальные ре-
зультаты получены самим Улья-
новым, — теория ортогональ-
ных рядов, аппроксимации и
аналитических функций,теоре-
мы вложения.
Охрана природы
Л.И.Маковкин. ДИКИЙ ПЯТНИС-
ТЫЙ ОЛЕНЬ ЛАЗОВСКОГО ЗАПО-
ВЕДНИКА. Владивосток: Русский
Остров. 1999. 15.3 с.
В силу причин историческо-
го, климатического, биоценоти-
ческого характера участок меж-
ду реками Черная и Киевка на
берегу Японского моря является
единственным местом в стране,
где сохранилась наиболее круп-
ная популяция аборигенного
дикого пятнистого оленя Для
сохранения этого уникального
животного в 1935 г. был создан
Судззхинский (с 1970 г. Лазов-
ский) государственный заповед-
ник им.Л.Г Капланова. Основные
задачи — сохранение и нзучс
пне природного комплекса юж
но-уссуринекой тайги, охрана и
восстановление численности
редких и ценных видов.
Специальная задача Лазов-
ского заповедника — охрана
единственного участка в При-
морье, где еще встречаются ди
кие пятнистые олени и горалы.
Работа в условиях заповедника
принципиально отвер: ает отст-
рел животных, поэтому в книге
нет материалов по морфологии
и гельмнптофаупе.
О4*
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
Автор работает в заповедни-
ке с 196е) г., в течение 15 лет изу-
чает пятнистого оленя числен-
ность, размещение, половую и
возрастную структуру популя-
ции, питание, влияние на среду
обитания, факторы смертности.
Флористика. Геоботаника
ФЛОРА И РАСТИТЕЛЬНОСТЬ ЯКУ-
ТИИ СБОРНИК НАУЧНЫХ СТАТЕЙ
/ Под ред. П.А Тимофеева М:
ФИПС, 1999. 168 с.
Книга посвящена памяти из-
вестного исследователя флоры
Якутии, старейшего члена Рус-
ского ботанического общества
Валентины Ивановны Перфиль-
евой (1928—1997).
Сборник состоит из четырех
разделов. В первом собраны
многолетние результаты флори-
стических, геоботанических,
лесных и ресурсоведческих ис-
следований с давних времен до
наших дней с указанием библи-
ографических сведений. Во вто-
ром включены статьи молодых
ботаников работавших в 90-е
годы. Здесь анализируются дан-
ные о флоре сосудистых споро-
вых растений и грибов Якутии.
В третий раздел вошли статьи
по фитоценологии. Последний
содержит результаты исследова
ний видового состава, эколого-
биологических особенностей,
запасов сырья дикорастущих ле-
карственных, пищевых и кормо-
вых растений Якутии.
Ландшафтная экология
Б.В.Виноградов. |О( 'ОВЫ ЛАНД-
ШАФТНОЙ ЭКОЛОГИИ. М.: ГЕОС,
1998. 418 с.
Новое научное направление
- ландшафтная экология — воз-
никло в недрах географических
и биологических дисциплин как
необходимость в решении гло-
бальных и региональных эколо-
гических проблем. Объектами
исследования служат локаль-
ные, региональные, зональные и
глобальные экосистемы
Термин “ландшафтная эко-
логия" ввел немецкий ученый,
специалист по воздушной гео-
графической разведке и ланд-
шафтно-экологическому деши-
фрированию аэрофотоснимков
К.Троль. В нашей стране основы
этой науки были заложены тру
дамп русских ботаников, почво-
ведов и зоогеографов, таких как
В В.Докучаев, Г.И.Танфильев,
Е.П.Коровин, Д И.Кашкаров и др.
Концепция ландшафтной эко-
логии в России исходит от ака-
демика В Б.Сочава, который су-
мел объединить подходы фито
ценологии. экологии и ланд-
шафтоведенпя
Структура книги традицион-
на Первый раздел — функцио-
нальный — раскрывает взаимо-
связи между различными харак-
теристиками экосистем в верти-
кальном направлении, от геоло
гического строения до верхней
тропосферы, и завершается ба-
лансовыми и математическими
моделями. Второй — хроноло-
гический — описывает прост
ранет венные структуры экосис-
тем разных морфогенетических
классов в горизонтальном на-
правлении, от элементарных
экосистем до биосферы в це-
лом в нем даны модели всей пи
рамиды экосистем разного ие-
рархического уровня — гло-
бального, локального, регио-
нального. Третий раздел — ди-
намический — показывает мно-
голетние изменения экосистем,
решает проблемы их прогнози-
рования и управления. Четвер-
тый раздел — прикладной —
включает основные области
применения ландшафтно-эко-
логической концепции, и в пер
вую очередь — биомониторинг.
История на уки
ПИТР СИМОН ПАЛЛАС. НАрДЮДЕ
НИЯ, СДЕЛАННЫЕ ВО ВРЕМЯ ПУ-
ТЕШЕСТВИЯ ПО ЮЖНЫМ НАМЕ-
СТНИЧЕСТВАМ РУССКОГО ГОСУ-
ДАРСТВА В 1793-1794 ГОДАХ /
Пер. с нем.; Отв. ред. Б.В.Левшин;
Сост. Н. .Ткачева. М Наука, 1999.
246 с. (Научное наследство)
Выдающееся место в славной
когорте российских и пригла-
шенных зарубежных ученых-ес-
тествоиспытателей, членов Ака-
демии создателей новых гео-
графических карт, исследовате
лей фауны и флоры, полезных
ископаемых России, этногра-
фии и истории населяющих ее
народов занимает академик
Берлинской и Санкт-Петербург-
ской академий профессор “на-
туральной истории” Петр Си-
мон Паллас (1741 — 1811).
Свои последние экспедици-
онные работы Паллас провел в
южных районах России и завер-
шил их изданием на немецком
языке двухтомника “Наблюде-
ния, сделанные во время путе
шествия по южным наместниче-
ствам Русского государства в
179.3—1794 годах” На русском
языке этот труд оставался неиз-
вестным все 19-е столетие. В
1881 и 1883 гг. в “Записках
Одесского общества истории и
древностей” появились лишь
два его фрагмента. Авторы пере
водов — члены Таврической
ученой архивной комиссии — в
основу положили сокращенное
издание подлинника 1803 г.
Полный перевод с немецкого
сделал в 1918 г. вице-президент
Одесского общества истории и
древностей А.Л.Бертье-Дела-
гард. Он подготовил серию из
даний по истории Крыма, в том
числе и “Наблюдения...” П С.Пал-
ласа. Во втором томе его труда,
посвященном землям Северного
Причерноморья, содержатся
уникальные сведения о природе
Крымского полуострова, нацио-
нальном составе и образе жизни
населения, административном
устройстве древней истории
Крыма. Тогда издание не вышло
в свет.
Спустя 80 лет, к юбилею Рос-
сийской академии наук, сочине-
ние опубликовали. Оно отлича-
ется подробностью и точностью
наблюдений живостью и образ-
ностью языка и сохраняет свое
научное значение до пастояще
го времен),
92
ПРИРОДА • № 1 • 2000
Принц А.П.Ольденбургский
в истории российской
медицины
С.Э.Шноль,
доктор биологических наук
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН
Пущино
Причудливы траектории
судьбы. Герцоги Голш-
тинские или принцы
Ольденбургские появились в
России в 1725 г. Голштинский
герцог Карл Фридрих, супруг до-
чери Петра I Анны, стал отцом
Карла Петра Ульриха — будуще-
го императора Петра III. Петр III
вызвал в Россию своего двою-
родного дядю Георга Людвига.
Один из его сыновей, Петр, слу-
жил в российской армии,участ-
вовал в войне с Турцией.
Принц Петр Георг (1812 —
1881), отец нашего героя
А.П.Ольденбургского, воспиты-
вался бабкой — вдовствующей
императрицей Марией Федоров-
ной. Он был очень заметен в
российской жизни XIX в. В
1834 г. стал сенатором, затем —
членом Государственного совета
(1836), председателем Департа-
мента гражданских и духовных
дел (1842), был председателем
Опекунского совета, президен-
том Вольного экономического
общества (1841 — 1859). В 1845 г.
— председатель вновь учрежден-
ного Главного совета женских
учебных заведений, а с I860 г. —
- управляющий всеми учреждени-
ями Ведомства императрицы
Марии Федоровны, главноуправ-
ляющий IV отделением Собст-
венной Его Величества канцеля-
рии. Под его руководством на-
С С.Э.Шноль
ходилось 104 воспитательных
учреждения, были созданы
Женский институт принцессы
Терезии (супруги П.Г.Ольден-
бургского) и первая в России
Свято-Троицкая община сестер
милосердия (1844), детский
приют и Училище правоведе-
ния (1835), где учились выдаю-
щиеся люди — не только буду-
щие юристы, но и композито-
ры А.Н. Серов и П.И.Чайков-
ский, поэты А.М.Жемчужников
и А.Н.Апухтин, писатель К.С.Ак-
саков, критик В.В.Стасов, зоо-
лог В.О.Ковалевский. Кроме то-
го, с 1843 г. Петр Георг был по-
печителем Александровского
лицея.
Рассказывали, что он не мог
присутствовать при зверских на-
казаниях, принятых в россий-
ской армии, и однажды, когда ве-
ли сквозь строй солдата, он, ге-
нерал, ушел с плаца. После смер-
ти ему поставили памятник пе-
ред зданием Мариинской боль-
ницы в Петербурге с надписью:
“Просвещенному благотворите-
лю принцу Петру Георгиевичу
Ольденбургскому”. Памятник
был снесен в советское время.
Его сын, принц Александр
Петрович Ольденбургский
(1844—1932), с самого рожде-
ния был зачислен прапорщиком
лейб-гвардейского Преобра-
женского полка. Фактическую
службу в этом полку начал в
1864 г., а в 1870-м стал его ко-
Принц А.П.Ольденбургский.
мандиром. В 1876 г. командовал
1-й Гвардейской пехотной диви-
зией. Участвовал в русско-ту-
рецкой войне 1877—1878 гг. В
1885—1889 гг. был командиром
Гвардейского корпуса. Унасле-
довал от отца обязанности по-
печителя Императорского учи-
лища правоведения, Приюта
призрения принца Петра Геор-
гиевича Ольденбургского, Дома
призрения душевнобольных,
Свято-Троицкой общины сестер
милосердия. В 1897-м стал
председателем Противочумной
комиссии. А еще А.П.Ольден-
бургскому обязан своим обли-
ком абхазский курорт Гагра. До
благоустройства из-за обилия
болот это было крайне нездоро-
$
*
л
$
£
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
93
вое место. Служивший там в
Черноморском батальоне писа-
тель-декабрист А.А.Бестужев-
Марлинский писал: “Есть на бе-
регу Черного моря в Абхазии
впадина между огромных гор
<...>. Туда не залетает ветер, жар
там от раскаленных скал не-
стерпим <...> лихорадка свиреп-
ствует до того, что полтора ком-
плекта в год умирает из гарни-
зона <...>. Там стоит пятый Чер-
номорский батальон, который
не иначе может сообщаться с
другими местами, как морем, и,
не имея ни пяди земли для выго-
нов, круглый год питается гни-
лью солонины. Одним словом,
имя Гагры <...> однозначаще со
смертным приговором”. В
1901 г. А.П.Ольденбургский
“принял на себя заботу” о
Гагрской климатической стан-
ции. К началу первой мировой
войны в Гагре были построены:
Климатическая станция, Дворец
принца Ольденбургского (в со-
ветское время дом отдыха “Чай-
ка”), четыре гостиницы. На бе-
регу моря заложен парк, устрое-
ны телеграф, магазины, ресто-
раны, больница, две школы, эле-
ктрическое освещение, водо-
провод.
Но главное дело его жизни —
Императорский институт экспе-
риментальной медицины (ИЭМ),
первый научный институт в Рос-
сии.
История его создания весьма
примечательна.
“В ноябре 1885 г. своей взбе-
сившейся собакой был укушен
гвардейский офицер Д. По рас-
поряжению А.П.Ольденбургско-
го (командира Гвардейского
корпуса) его направили в сопро-
вождении военного врача
Н.А.Круглевского в Париж для
лечения. Круглевскому было
также поручено ознакомиться с
приемами приготовления “яда
бешенства”. <...> Тогда же с це-
лью распространения в России
открытого Пастером способа
борьбы с водобоязнью Ольден-
бургский поручил ветеринарно-
му врачу К.Я.Гельману — выпуск-
нику Дерптского ветеринарного
института — осуществить опыты
прививки от бешенства офице-
ру, укушенному собакой, и при-
ступить к пассивированию “яда”,
как тогда назывался вирус бе-
шенства, на кроликах.
Лаборатория для проведения
научных исследований была ор-
ганизована при ветеринарном
лазарете лейб-гвардии конного
полка, размещавшемся в здании
на углу Конногвардейского буль-
вара и Благовещенской площади.
<...> Первое заражение кро-
лика вирусом бешенства было
осуществлено Гельманом 20 ноя-
бря 1885 г., а к моменту возвра-
щения Круглевского из Парижа в
лаборатории имелся вирус девя-
ти генераций. Для ускорения
подготовительных работ и от-
крытия станции Пастер передал
Гельману двух кроликов с 115 и
116 генерациями вирусов и на-
правил в Петербург препаратора
А.Лоара и химика Пердри”1.
Очень интересны приведен-
ные выше даты событий.
Первые “в истории человече-
ства” прививки против бешенст-
ва были проведены лишь не-
сколько месяцев до этого. 4 ию-
ля 1885 г. в лабораторию Пасте-
ра привезли девятилетнего
мальчика Жозефа Мейстера с
многочисленными укусами бе-
шеной собаки — ему была сдела-
на первая прививка в Париже.
Доклад Пастера о двух успешных
случаях на заседании Француз-
ской академии и Академии меди-
цинских наук состоялся 27 октя-
бря 1885 г. 1 марта 1886 г. он
сделал доклад об успешном ле-
чении 350 больных. Еще далеко-
не полностью были разработа-
ны методы прививки. Но рос-
сийские исследователи были
инициативны и деятельны.
Речь шла не только о борьбе
с бешенством, но о борьбе с ин-
фекционными болезнями вооб-
ще. Для этого Ольденбургский
считал нужным создать специ- ,
альный научный институт. Но
сначала нужно было наладить
работу по борьбе с бешенством.
' Первый в России исследовательский центр
в области биологии и медицины: К столетию
Института экспериментальной медицины.
1890-1990. Л.: Наука, 1990.
Работа по пассивированию
полученного из Парижа вируса
началась 13 июня 1886 г., а спус-
тя месяц станция была офици-
ально открыта.
Она была создана на средст-
ва Ольденбургского. Сначала
было всего два сотрудника —
Гельман и Круглевский. С 1886
до 1920 г. станцию возглавлял
врач В.А.Краюшкин. К концу
1886 г. сделаны прививки 140
пострадавшим. Годовой бюджет
18 тыс. руб.
Итак, “пастеровская станция”
с самого начала имела задачи
более широкие — не только
борьбу с бешенством.
Необходимость создания
специальных научных институ-
тов стала понятной почти одно-
временно во Франции, Герма-
нии, Англии и России. Была объ-
явлена международная подпис-
ка по сбору средств для созда-
ния Пастеровского института в
Париже. Российское правитель-
ство пожертвовало 100 000
франков (40 000 руб.) Пастеру и
наградило его орденом Анны 1-
й степени. Всего было собрано
более 2 млн франков, и в 1888 г.
Пастеровский институт в Пари-
же был открыт. Вскоре в Герма-
нии создается Гигиенический
институт народного здравия,
руководимый Р.Кохом. Такой же
институт в России и задумал
Ольденбургский.
В 1886 г. при активном со-
действии Пастера в России от-
крыто шесть станций: в Одессе,
Варшаве, Самаре, С.-Петербурге,-
в Москве при Александровской
больнице и при Генеральном во-
енном госпитале. Пастер лично
координировал их деятельность.
Но особенно активным было об-
щение с Ольденбургским и его
сотрудниками.
До конца века в России была
создана наряду с ИЭМ целая сеть
узко специализированных, бак-
териологических институтов.
Так за счет казны учреждены
Бактериологический институт
Московского унирерситета, Бак-
териологическая лаборатория
Женского медицинского инсти-
тута в С.-Петербурге, Военно-
94
ПРИРОДА • № 1 • 2000
медицинская лаборатория Кав-
казского военного округа.
На средства земств — Харь-
ковский бактериологический
институт, Одесская городская
бактериологическая станция,
Екатеринославский институт,
Казанский бактериологический
институт, Томский бактериоло-
гический институт.
На средства частных лиц —
Еленинский Клинический ин-
ститут, Бактериологический ин-
ститут Ф.М.Блюменталя в Моск-
ве, Институт Н.И.Власьевского в
Москве, Институт Белоновского,
Маслаковца и Либермана в
С.-Петербурге. Там же в 1911 г.
Н.Ф.Гамалея на свои средства со-
здал Бактериологический ин-
ститут.
Однако все эти институты не
сравнимы по масштабам с Импе-
раторским институтом экспери-
ментальной медицины. Замысел
Ольденбургского был весьма
широк. На пост директора он
котел пригласить И.И.Мечнико-
ва, но тот предпочел работу в
Париже в институте Пастера, где
возглавил Отдел морфологии
низших организмов и сравни-
тельной микробиологии.
Принц обратился к Александ-
ру III с просьбой разрешить со-
здать институт, подобный Пас-
теровскому в Париже и Гигиени-
ческому в Берлине. Последовала
резолюция, примерно такая:
“Согласен, за твой счет”.
Для определения структуры и
направлений научной деятель-
ности будущего института Оль-
денбургский организовал спе-
циальный комитет. В него вхо-
дили: директор Еленинского ин-
ститута, профессор М.И.Афана-
сьев — бактериолог; профессор
того же института В.К.Анреп —
физиолог и токсиколог, ученый
секретарь, член Медицинского
совета и А.В.Пель — фармацевт и
фармаколог; главный врач
Калинкинской больницы, вне-
штатный сотрудник Пастеров-
ской прививочной станции
Э.Ф.Шперк — дерматолог и си-
филидолог; сотрудники той же
станции доктор медицины
В.А.Краюшкин и магистр ветери-
нарии К.Я.Гельман; профессор
кафедры фармакологии Медико-
хирургической академии
И.П.Павлов.
Не удивительно, чтр они ре-
шили организовать институт бо-
лее широкого профиля, чем ин-
ституты Пастера и Коха. Задачи
такого института — “экспери-
ментальное изучение сущности
производимых болезнетворны-
ми началами изменений в тка-
нях и функциях организма и
изыскание способов борьбы с
ними”2.
Анреп и Павлов не согласи-
лись стать директорами нового
института. Возможно, Анреп от-
казался из-за трагических не-
удач лечения туберкулеза тубер-
кулином, предложенным Кохом’.
Павлов не смог бросить кафедру,
но очень активно участвовал в
создании ИЭМ.
Принц затратил большие
деньги на приобретение земли
на Аптекарском острове и на
строительство. Он еще раз обра-
тился к Александру III. 25 ноября
1890 г. император посетил но-
вое учреждение и повелел “при-
нять в казну”с присвоением на-
именования “Императорский
институт экспериментальной
медицины” и назначением Оль-
денбургского попечителем.В де-
кабре 1890 г. он представил в Го-
сударственный совет штат со-
трудников и научные задачи. Все
прошло, кроме “сметы расхо-
дов”. Министр финансов посчи-
тал нужным сократить расходы,
и в первую очередь — штатные
оклады научного и вспомога-
тельного составов, приравняв
их к окладам профессоров и
преподавателей университетов.
Ольденбургский не согласил-
ся: “...вообще же не подлежит со-
мнению, что профессия ученого
есть одна из самых невыгодных
в нашем отечестве, красноречи-
вым свидетельством чего служат
многие вакантные кафедры в
университетах, и едва ли рус-
ский деятель науки может даже в
отдаленном будущем мечтать о
2 Там же.
'Крюн П . Охотники за микробами. М.,
1987.
такой плате за свой труд, какую
получают его иностранные кол-
леги на поприще даже теорети-
ческой медицины’4.
28 февраля 1891 г. министр
внутренних дел обратился в Го-
сударственный совет: “Ввиду
важности задачи, преследуемой
Императорским институтом
экспериментальной медицины,
состоящей в изыскании и разра-
ботке открытых современной
врачебной наукой новых мето-
дов борьбы с заразными болез-
нями, признавая учреждение на-
званного института явлением
весьма выдающимся и благоде-
тельным для дальнейшего разви-
тия русской медицинской науки,
я, со своей стороны, вполне раз-
деляю вышеизложенное мнение
его высочества принца А.П.Оль-
денбургского, а потому полагал
бы необходимым ходатайство-
вать о высочайшем соизволении
на утверждение у сего прилагае-
мых проектов устава и штата на-
званного института с изменени-
ями в них <...> признанных его
высочеством целесообразными”.
И 16 марта 1891 г. Государствен-
ный совет в присутствии минис-
тра внутренних дел, министра
финансов и принца Ольденбург-
ского рассмотрел и одобрил
предложенный проект. 15 апре-
ля проекты временного устава и
штата Института были “высо-
чайше утверждены”.
Большое впечатление произ-
водит первоначальная структура
и “кадры” ИЭМа: Отдел физиоло-
гии — И.П.Павлов, Отдел патоло-
гической анатомии — Н.В.Усков,
Отдел физиологической химии
— М.В.Ненцкий, Отдел общей
бактериологии — С.Н.Виноград-
ский, Отдел эпизоотий —
К.Я.Гельман, Отдел сифилидоло-
гии — Э.Ф.Шперк. Во главе отде-
лов — выдающиеся исследовате-
ли. Не нуждается в аттестации
Иван Петрович Павлов (1849—
1936). Менее известен Маркел
Вильгельмович Ненцкий (1847 —
1901). В истории биохимии его
имя связано с выяснением стро-
4 См.: Первый в России исследовательский
центр <„>. С.15.
95
ПРИРОДА • № 1 > 2000
4
$
u
$
$0
ения гема в гемоглобине и уста-
новлением его сходства с хло-
рофиллом. Сергей Николаевич
Виноградский (1856—1953) из-
вестен тем, что открыл хемосин-
тез у микроорганизмов'.
В дальнейшем структура ин-
ститута дополнялась новыми от-
делами и новыми выдающимися
сотрудниками. Значение ИЭМ в
жизни нашей науки широко из-
вестно. Произошла Октябрьская
революция. Большевики вполне
понимали необходимость науч-
ного учреждения, разрабатыва-
ющего среди прочих проблемы
борьбы с заразными болезнями.
Понимали. Но изменить свою
природу не могли. Не могли и
преодолеть ужасную разруху, го-
лод и холод в стране после мно-
гих лет войн и революций. Забо-
лел Павлов. Принимались спе-
циальные меры, ч тобы добыть
для него дрова и обеспечить
продовольственным пайком.
Другим было не легче. Ко всему
добавили обыски и аресты.
Прошло несколько лет. На-
ступил “год великого перелома”
с уничтожением крестьянства,
борьбой с “меньшевиствующим
идеализмом”, массовыми арес-
тами. Среди арестованных в
1929—1931 гг. немало крупных
ученых. В ИЭМ были арестова-
ны: А.А.Владимиров, возглавляв-
ший его с перерывами в 1918 —
1927 гг., заведующий химичес-
кой лабораторией Отдела пато-
физиологии И.А.Обергард, мик-
робиолог профессор О.О.Гар-
тох. Правда, вскоре они были
'См.: 3 а в а р з и н ГА. Сергей Николае-
вич Виноградский: К 100-летию открытия
хемосинтеза // Природа. 1986. №2. С.71—85.
освобождены по ходатайству ру-
ководства института.
Однако репрессии усилива-
лись. Освобождение отдельных
ученых не меняло общей ситуа-
ции. В 1930—1932 гг. в печати
возникла активная кампания
против политически нейтраль-
ных и оппозиционно настроен-
ных ученых, начала воплощать-
ся идея “особой пролетарской
науки” и особой социальной
природы передовых научных ка-
дров.
По созвездию выдающихся
исследователей ИЭМ долгие го-
ды занимал особое место в стра-
не. И все это время Институт
подвергался руководящему пар-
тийно-административному дав-
лению. Вместе со всей страной
он претерпел репрессии и тер-
рор 30—40-х годов. Пережил
Отечественную войну и страш-
ную блокаду Ленинграда. На
ИЭМ в значительной мере были
направлены удары “Павловской
сессии” и сессии ВАСХНИЛ. Вы-
дающихся сотрудников увольня-
ли. Иных арестовывали. Однако
возможно самый сильный ущерб
институту был нанесен поста-
новлением правительства о пе-
реводе основной его части в
Москву в статусе Всесоюзного
института экспериментальной
медицины. В Ленинграде остал-
ся лишь филиал — “просто
ИЭМ”.
Учреждение, созданное
принцем Ольденбургским, в тя-
желейших условиях выполнило
самую главную задачу — способ-
ствовало сохранению интеллек--
туального потенциала России в
важнейшей научной отрасли.
jnracp
НАД НОМЕРОМ РАБОТАЛИ
Ответственный секретарь
Ю.К.ДЖИКАЕВ
Научные редакторы
О.О.АСТАХОВА
Л.П.БЕЛЯНОВА
Е.Е.БУШУЕВА
М.Ю.ЗУБРЕВА
Г.В.КОРОТКЕВИЧ
О.Ф.ЛАЗАРЕВА
К.Л.СОРОКИНА
Н.В.УЛЬЯНОВА
Н.В.УСПЕНСКАЯ
О.И.ШУТОВА
Литературный редактор
М.Я.ФИЛЬШТЕЙН
Художественный редактор
Т.К.ТАКТАШОВА
Заведующая редакцией
И.Ф. АЛЕКСАНДРОВА
Младший редактор
Г.С.ДОРОХОВА
Перевод
И.А.ХОМЯКОВ
Набор
Е.Е.ЖУКОВА
Корректоры
В.А.ЕРМОЛАЕВА
Л.М.ФЕДОРОВА
Графика
О.Г.ЧЕКИНА
Макет
Ю А.ВИНЕЦКИЙ,
Д.А.БРАГИН
Верстка
Д.А.БРАГИН
Академиздатцентр «Наука» РАИ
Адрес редакции:
1 17810 Москва. ГСП-1
Мароновский пер.. 26
Тел.: 238-24-56 238- 25-77
Факс: (095У 238-26-33
Подписано в печать 24 12.99
Бумага типографская №1
Офсетная печать
Усл. печ. л. 10,32
Усл. кр -отт. 67,8 тыс.
Уч.-изд. л. 15,1
Заказ 3212
Отпечатано в ППП типографии
«Наука» А^адемиздатцентра
• Наука» РАН, 121099, Москва.
Шубинскип пер., 6
96
ПРИРОДА
№ 1
2 0 0 0
2000 No 2
гпроц^
Открытие подледниковогр озера в Антарктиде, вблизи российской станции
Восток, называют одним из крупнейших географических открытий уходящего
века. Гигантское озеро длиной около 250 км и глубиной до 7-д0 м, существование
которого предсказано еще в бО-е годы, а затем подтверждено геофизическими
исследованиями, располагается под почти четырехкилометровой толщей
движущегося ледника. Однако скважина, пробуренная российскими
специалистами над необычным водоемом, нс так давно остановлена в нескольких
десятках метрах от воды. Таково решение международного научного сообщества,
озабоченного опасностью нестерильного отбора проб, способного нарушить
уникальную экосистему озера.
Зотиков И.А. АНТАРКТИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН - ОЗЕРО ВОСТОК