VMN102021

Оптика атмосферы и метан просачивается в эти «п­ роталины», с суши, в том числе с прибрежных озер, либо сама тающая мерзлота также может которые, как я сказал, насыщены биотой быть источником эмиссии карбоносодер- и потому выделяют в атмосферу много ме- жащих газов. Но эта версия, пожалуй, се- тана. Может быть, они больше воздейству- годня наименее поддержана научным сооб- ют на Баренцево и Карское моря, так как ществом. на их прибрежных территориях находит- ся огромное количество таких озер. Вблизи Исследования члена-корреспондента РАН восточных морей рельеф гористый и озер И.В. Богоявленского говорят о том, что это значительно меньше. Но это пока одно- скорее всего связано с естественными тек- значно не установлено и еще предстоит вы- тоническими процессами, в результате ко- яснять. торых происходит как таяние многолетней мерзлоты под шельфами арктических мо- — В одном из своих недавних выступле- рей, так и разложение газогидратов с выхо- ний вы говорили, что наши деревья стали дом карбонсодержащих газов. То есть в этой хуже поглощать CO2. С чем это связано? версии нагрев получается вследствие тек- тонических процессов, снизу, а не из-за воз- — Пока наши исследования дают только действия антропогенных факторов. И тог- некоторые основания для таких действи- да это явление может как усиливаться, так тельно тревожных выводов. За 25 лет на- и ослабевать в разные периоды времени. блюдений нами было обнаружено, что так называемая минимальная концентра- Есть версия о том, что это биота, обитаю- ция СО2 над бореальными лесами Сиби- щая в воде, выносится в арктические моря ри до 2005 г. практически не росла, то есть из устьев великих сибирских рек. Вдоль тренд был почти нулевой. Минимальная всего побережья Северного Ледовитого оке- концентрация наблюдается летом, так ана есть многочисленные озера, насыщен- как в этот период леса наиболее активно ные биотой, которые также могут давать эмиссию метана в летнее время. 1 Подытоживая: сегодня пока нет оконча- 2 тельной определенной версии, объясняю- щей повышенное содержание метана над 1.  Самолет-лаборатория «Оптик» с летным отрядом. морями российской Арктики. Существуют 2.  Члены летного отряда во время стоянки в Архангельске. разные гипотезы. И, конечно, это большой вызов для научного сообщества. Узнать причину очень важно. — Метан распределяется над всеми шестью морями равномерно или над какими-то из них концентрация выше? — По данным И.П. Семилетова, обнару- жившего «сипы» в ходе судовых экспеди- ций, максимальная концентрация метана наблюдается над Восточно-Сибирским мо- рем и морем Лаптевых. По нашим самолет- ным данным, наибольшая концентрация метана была зарегистрирована над Кар- ским и Баренцевым морями: почти до 7% выше, чем фоновое содержание. Над други- ми морями превышение над фоном помень- ше — 4–5%. Но над всеми морями зафикси- ровано повышенное содержание в нижних нескольких километрах над уровнем моря, которое потом быстро спадает. На высо- те около 1–2 км концентрация уменьшает- ся уже почти до фоновой, кроме Карского моря, где метановый шлейф тянется до не- скольких километров. — А какое есть объяснение подобному распределению? — Это тоже пока непонятно. Может быть, дело в частичном выносе воздушных масс w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 49

Оптика атмосферы ­поглощают углекислый газ; соответственно, — Наш летный отряд состоит из 25 чело- зимой концентрация СО2 над лесами увели- век. Упомянутая экспедиция по всем ше- чивается. Так вот, если до 2004 г. эти мини- сти морям заняла 42 часа летного време- мальные (летние) концентрации в среднем ни, около полутора недель. Мы стараемся почти не изменялись, то начиная с 2005 г. летать каждый месяц, но обходится это до- наблюдается их рост. Очевиден устойчивый рого и, конечно, регулярность полетов за- тренд — рост углекислого газа из года в год, висит от финансирования. Один час поле- если не брать в расчет небольшие от года та на Ту-134 «Оптик» стоит более 370 тыс. к году флуктуации. Причем скорость этого рублей, и это только расходы на горючее. роста существенно больше, чем рост эмис- К счастью, нам помогают французские сии диоксида углерода в мире, то есть сред- и японские коллеги, которые заинтересо- неглобальный рост. Поэтому складывается ваны в изучении климатических процес- впечатление, что уменьшилось именно по- сов, происходящих над Сибирью, ведь Си- глощение CO2 лесами. Но, может быть, это бирь — это крупный климатообразующий связано с подстилкой в лесах, где тоже свое регион. биоразнообразие, на активность которого могут влиять, например, участившиеся по- Нынешнее воздушное судно Институт оп- жары. Хотя прямой корреляции с пожарами тики атмосферы арендует уже десять лет; мы не обнаружили. ранее оно принадлежало другому владель- цу. Наш самолет рассчитан на 40 лет рабо- Почему это произошло, почему экосисте- ты, и этот срок, к сожалению, уже подошел ма, связанная с бореальными лесами, ста- к концу, с 2020 г. самолет должен ежегодно ла меньше поглощать СО2 в самый вегета- проходить аттестацию для продления по- тивно активный период, то есть летом, — летов. В любой момент он может не пройти это пока загадка. Для ее решения нужно сертификацию — и этот многолетний про- привлекать лесоведов и почвоведов, про- ект остановится. Чтобы продолжать иссле- должать мониторинг, выяснять, почему дования, нам, конечно, нужен новый лета- происходит такой рост. Сегодня мы уже тельный аппарат. проверили корреляцию с лесными пожара- ми, вырубками, засухой, но явной взаимо­ — Как пандемия COVID-19 отразилась связи ни с одним из этих факторов не обна- на работе ученых? ружили. Поэтому пока остается гипотеза, что это связано все-таки со снижением по- — Наша экспедиция проходила в труд- глощательной способности лесов. ных условиях, потому что это был сентябрь 2020 г., самый разгар пандемии. У отря- — Расскажите подробнее о самом са- да возникли трудности организационно- молете Ту-134 «Оптик». Сколько человек го характера, которые, надо сказать, были на борту во время экспедиций, сколько успешно преодолены летным коллективом. длится полет? Добавилась необходимость постоянно сда- вать ПЦР-тесты, и иногда это приходилось 400 делать в самых неожиданных местах, в са- 0,5 км (1997–2004) мых разных аэропортах. Кроме того, север- 0,5 км (2004–2015) ные аэропорты, как правило, работают «по регламенту»: начинают принимать самоле- 390 7,0 км (1997–2015) ты с девяти утра и заканчивают в пять ве- чера. Суббота и воскресенье — выходные. СО2 ppm 380 Поскольку наш полет по морям проходил с запада на восток, к полетному времени 370 добавлялась поясная разница в часах и это сокращало полетный рабочий день. В не- 360 которых аэропортах не было горючего, что- бы заправиться. В общем, мы столкнулись 350 с целым рядом организационных сложно- Годы 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 стей, но оно того стоило — ведь сам полет оказался очень интересным и совершенно Резкое увеличение скорости роста СО2 над лесами Западной особенным. ­Сибири после 2004 г. — Какие еще параметры, кроме кон- центрации двуокиси углерода и метана, мониторит команда во время полета? — Мы измеряем профили концентраций нескольких газов, как я уже упоминал, это 50 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Оптика атмосферы г­ азов. В результате антропогенного влия- ния углекислый газ вырос с 300 ppm (мил- лионных долей в воздухе) до 400 ppm за по- следние 30 лет. И это один из основных факторов, который обусловливает глобаль- ное потепление. Но атмосфера в отдельных городах, например, Сибири, стала заметно грязнее. Это другая сторона вопроса, и тут нужно принимать серьезные меры. — Возможно ли четко разделить антро- погенный и природный факторы, влия- ющие на рост того или иного газа? Как не перепутать одно с другим? — В отдельных случаях это возможно. Есть газы, которые на 70–80% однозначно Фотолюк для лидарных наблюдений антропогенные. Это прекрасно известно, и в естественном состоянии в природе их H2O, СО2, СH4, СО, SO2, NO, NO2 и O3. Изме- очень мало: например, фтор, хлор‑ и бром- ряются также параметры аэрозоля, кон- содержащие фреоны, угарный газ и т.д. центрации трех фракций аэрозоля от 3 нм Хлорсодержащие фреоны и вообще хлор до 30 мкм, проверяем химический состав в атмосфере на 80% имеют антропогенное органической и неорганической состав- происхождение. ляющей аэрозоля, сажу. ГНЦ «Вектор» ре- — Что насчет метана и углекислого гистрирует в пробах биоаэрозоль. В ходе газа? Здесь мы тоже можем отличить экспедиции было показано, например, природный газ от антропогенного? что концентрация аэрозоля уменьшается — Конечно, метан и СО2 как содержат- в среднем с запада на восток, что соответ- ся в атмосфере естественным образом, ствует норме, поскольку основные источ- так и выделяются человеком. Но антро- ники находятся на западе. Было зафикси- погенный углекислый газ и метан имеют, ровано также, что содержание углекислого как правило, другой изотопный состав, газа падает у поверхности моря, и это хо- он более легкий. Не вдаваясь в подробно- рошо: наши северные моря по-прежнему сти, скажу, что при сжигании природных поглощают СО2, как, в общем, и должно ископаемых (торфа, каменного угля, неф- быть. ти, газа) образуется основной, легкий изо- Кроме того, измерялись метеопараме- топ СО2 и по изменению соотношения в ат- тры на разных высотах: температура, дав- мосфере легкого и тяжелого изотопа можно ление, влажность и т.д. Измерялось радиационное излучение от поверх- ности Земли. Этот параметр может служить источником информации, например, о вегетационном индексе. С помощью специального флуорес- центного лидара фиксировалось на- личие планктона в поверхностном слое морей. — Наша атмосфера со временем становится грязнее или нет? Что говорят ваши исследования о за- грязнении воздуха? — Тут два аспекта, которые нуж- но различать. Если говорить о «фо- новой» атмосфере на Земле, то есть вдали от промышленных центров, то я думаю, что благодаря «экологи- ческой революции» 1970-х гг. в боль- шинстве развитых стран атмосфера становится в целом чище, за исклю- Маршрут полета самолета-лаборатории «Оптик» над морями чением роста эмиссии парниковых Арктики в сентябре 2020 г. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 51

Оптика атмосферы ­оценивать антропогенную эмиссию диок- з­ атоплению определенной части суши. сида углерода в атмосферу, обусловленную Но парадокс в том, что это будет хоть и отно- сжиганием природных ископаемых. сительно небольшая, но жизненно важная для жителей бедных стран часть суши, по- — Можно сказать, что мониторинг, ко- скольку это те самые несколько процентов торый вы ведете на территории Арктики суши, где получают наибольший урожай и Сибири, ставит диагноз. А как лечить риса и других культур, и с этого урожая кор- болезнь? мятся около 50% населения Земли. Поэто- му последствия изменения климата ударят — «Лечение» было предложено междуна- в первую очередь по наиболее бедным стра- родным сообществом еще несколько лет нам, а ресурсов, чтобы справиться с этими назад и закреплено в Парижском соглаше- последствиями, у них нет. нии об изменении климата. Этот небезыз- вестный документ был подписан подавля- — Насколько Россия вписывается в ми- ющим числом стран. Основные действия, ровой тренд декарбонизации? которые в этом плане может предпринять человечество, — это уменьшать долю угле- — Не секрет, что наша страна живет в ос- родной энергетики, то есть сокращать ис- новном за счет нефти и газа. Исторически пользование любых источников энергии, так сложилось, что углеводородное топливо которые приводят к значительному выделе- стало нашим основным источником энер- нию углекислого газа и метана в атмосфе- гии. Мы его и экспортируем, и сами актив- ру. Было наглядно показано, что эти меры но используем. Поэтому, конечно, в вопро- реально могут снизить объем выделения сах декарбонизации Россия пока сильно от- вредных газов, соответственно, уменьшить стает от других развитых стран мира. скорость роста температуры и, возможно, не допустить рост средней глобальной тем- Нам нужно совершенствовать технологии пературы до двух градусов по сравнению безуглеродной энергетики, и здесь особое с преиндустриальным периодом. Но удаст- внимание стоит обратить на атомную энер- ся ли это сделать? Пока что есть сомнения. гию, в освоении которой Россия уже имеет большой опыт. Конечно, аварии в Чернобы- Важно понимать, что увеличение сред- ле и Фукусиме в какой-то степени постави- ней глобальной температуры на два граду- ли под удар доверие мирового сообщества са по сравнению с преиндустриальным пе- к атомной энергетике. Тем не менее специ- риодом может серьезно повлиять на десят- алисты, которые вплотную занимаются ки миллионов людских жизней. Причем этим вопросом, в один голос говорят, что се- по иронии судьбы будут страдать жители годня атомная энергетика уже в значитель- малоразвитых регионов, таких, например, ной степени безопасна и поэтому ставку как Африка, которые меньше всего ответ- стоит делать именно на атомные станции. ственны за этот антропогенный рост угле- кислого газа в атмосфере. Глобальное поте- Кроме того, есть еще ветряная энерге- пление ведет к повышению уровня ­океана, тика, которая в нашей стране пока совер- шенно не развита. Есть также солнечные На борту самолета-лаборатории «Оптик» 52 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Оптика атмосферы ­батареи, и за последние 10–15 лет в Европе произошел значительный прорыв в их развитии и использо- вании. Сейчас солнечными бата- реями в Европе обставляется все начиная от домов и заканчивая административными учреждения- ми. Эффективность солнечных ба- тарей выросла, а цена упала, так что на это направление обязатель- но стоит обратить внимание. Ну и есть надежда, конечно, на термо- ядерную энергетику, то есть термо- ядерный синтез. — Говорят, что Мировой океан изучен очень плохо. А как обсто- ят дела с атмосферой? — Я полагаю, что атмосфера Зем- ли все же изучена гораздо лучше, чем океан, хотя, возможно, специ- Вид на Чукотское море с борта самолета Ту-134 «Оптик» алисты по атмосфере с этим не со- гласятся. Здесь мы уже на достаточном — А какие еще есть неизученные явле- уровне освоили измерения, да и сама ат- ния в атмосфере? мосфера более доступна для нашего изуче- — Мне на ум сразу приходят шаровые ния, чем океан с его глубинами и огромным молнии, которые считались загадочным давлением на этих глубинах. атмосферным явлением еще в моем дет- Сегодня мы знаем много о нашей атмосфе- стве. Они и остаются таковыми по сей день. ре. Есть специальные программы, которые Общепризнанной теории о природе шаро- моделируют ее глобальную циркуляцию, вых молний в мире до сих пор нет. учитывая все больше и больше факторов, та- — Игорь Васильевич, подводя итоги, ких как поглощение солнечной радиации, пе- расскажите, пожалуйста, что ждет ат- ренос тепла, перенос воздушных масс, вли- мосферу Земли в будущем? яние океана и т.д. Есть большой массив из- — Это во многом зависит от человечества. мерений. Однако нерешенные вопросы Если не брать в расчет такие возможные остаются и здесь: например, аэрозоль, ком- катаклизмы, как суперизвержение вулка- понент атмосферы, который присутствует на, крупный астероид или какие-то другие везде, но по-прежнему остается самым се- космические факторы, то в остальном все рьезным фактором неопределенности при зависит исключительно от нас. Если мы расчете теплового баланса атмосферы. остановим наше губительное воздействие Сотрудники нашего института совмест- на атмосферу парниковыми газами, затор- но с коллегами из Финляндии сейчас иссле- мозим рост глобального потепления, ко- дуют новую гипотезу о том, что биогенные торое ничего хорошего нам не сулит, то, я выделения растений — фитонциды — мо- думаю, мы вполне сможем еще тысячи лет гут влиять на процесс аэрозолеобразова- жить в той прекрасной атмосфере, которую ния. Во многих регионах, в том числе в Си- пока еще имеем сегодня. бири, зарегистрированы периодические Наша атмосфера уникальна, она способ- всплески внезапного аэрозолеобразования на очищаться от парниковых газов благо- (нуклеации): это частицы размером в де- даря лесам и морям. Эта регенеративная сятки-сотни нанометров. И есть предпо- способность очень ценна, особенно если мы ложение, что это может быть обусловлено говорим о будущем. Но на нынешнем этапе фитонцидами, которые выделяются рас- развития человечества его способности за- тениями, и что процесс становится более грязнять атмосферу, да и биосферу вооб- и более активным в связи с ростом объемов ще, настолько выросли, что атмо­сфера уже СО2. Это аэрозолеобразование, в свою оче- не успевает регенерировать сама. Очень редь, влияет на облакообразование и, со- важно учитывать это, когда мы строим ответственно, на климат. Есть и другие во- планы на будущее. просы по аэрозолеобразованию и образова- Беседовала Янина Хужина нию некоторых типов облаков. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 53

Почвоведение ПОЧВОВЕДЕНИЕ 54 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Почвоведение Наша почва — это целая вселенная: она содержит несметное количество уникальных микроорганизмов и веществ, влияет на атмосферу планеты, дает пропитание, формирует мировоззрение и уклад жизни человека. Между тем в мире до сих пор спорят о систематике почв и единой классификации за все годы существования почвоведения как науки так и не появилось. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 55

Почвоведение Член-корреспондент РАН В.А. Рожков ти и многие другие темы мы обсудили с членом-корреспонден- том РАН, главным научным сотрудником Почвенного института им. В.В. Докучаева Вячеславом Александровичем Рожковым. — Вячеслав Александрович, как почва Бокль писал, что существует весьма тес- связана с нашим менталитетом? ная связь между климатом страны и про- израстающей в ней пищей, пища же сама — Почва была предметом исследования зависит от производящей ее почвы, а так- еще с древних времен. Этими вопросами же от возвышения и понижения местно- люди стали интересоваться, когда начали сти, состояния атмосферы — одним словом, вести оседлый образ жизни и заниматься от всех тех условий, совокупности которых земледелием, то есть более 600 лет ­назад. обыкновенно дается название физической Точнее даже будет говорить не о почве, географии в ее обширном смысле. а о земле в целом. Впервые почвоведение как наука появилось в России, всем нам хо- Интересную мысль мы находим и у фран- рошо известны пионерские работы В.В. До- цузского просветителя Шарля Луи де Мон- кучаева в этой области. Наша наука почво- тескье: «Бесплодие земли делает людей изо- ведение охватила весь мир с момента зна- бретательными, воздержанными, закален- менитого выступления В.В. Докучаева, ными в труде, мужественными, готовыми посвященного русскому чернозему, в 1893 г. к войне; они ведь должны добывать себе то, в чем им отказывает почва. Плодородие Что такое плодородие? Это сочета- страны приносит им вместе с довольством ние природных климатических условий, изнеженность и некоторое нежелание ри- и от этих условий зависят жизнестойкость сковать жизнью». нации и ее менталитет. Скажем так: в ре- гионах с суровыми климатическими усло- — В.В. Докучаев в свое время говорил, виями люди становятся более выдержан- что чернозем дороже золота. А правда ными, стрессоустойчивыми и способными ли, что до сих пор точно не установле- к выживанию. Климат, пища и почва от- но, как появился наш уникальный чер- разились самыми важными последствия- нозем? ми в общей организации общества и поро- дили многие из тех важных черт различия — Да, вопрос о том, как сформировался между народами, которые часто приписы- чернозем, остается открытым. Как и во- ваются коренному различию человеческих прос о том, как возникла жизнь на Зем- пород. Английский историк Генри Томас ле. Есть разные предположения — вот так и с черноземом: то ли это осадки морского 56 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Почвоведение дна, то ли результат тысячелетней деятель- и­ нституте им. В.В. Докучаева. По мнению ности степной растительности. Мы сегод- ня склоняемся, конечно, к степной версии. ее специалистов, чернозем уникален тем, В степях в силу особых условий влажности и температурного режима мог сформиро- что за время формирования накопил такое ваться уникальный тип вещества. Черно- зем богат питательным гумусом, но, надо плодородие в виде гумуса и структуры, ко- сказать, и гумус для нас по-прежнему еще остается «вещью в себе». Считается, что торое мы не можем истратить и разрушить это одно из сложнейших веществ на Земле. Нагрузка на гумусный слой почвы сейчас за века, используя в земледелии постоян- очень велика, и именно гумус дает значи- тельную часть всего урожая, который во- ные обработки. Сейчас мы просто проеда- обще существует в мире. ем то, что накопил чернозем. Но это возоб- Недаром немецко-фашистские захватчи- ки тратили огромные средства и вагонами новляемый ресурс, и если климатические вывозили нашу землю, наш чернозем к себе в страну, ведь у них нет такого органиче- условия не изменятся катастрофически, ского вещества, которое было бы столь же питательным. то его еще хватит надолго. Однако черно- Настоящий русский чернозем мы нахо- зем местами уже требует особых минераль- дим прежде всего на степных территори- ях. В целом чернозем на Кавказе и, скажем, но-органических вложений (известкования в Забайкалье будут отличаться друг от дру- га, везде он разный. Но золотой фонд наше- и удобрений). го чернозема составляют, безусловно, Став- рополье и Дагестан. — Вы занимаетесь цифровой классифи- В России черноземы протянулись непре- кацией почв. Что это за направление? рывным поясом от Курска до  Забайкалья общей площадью 80 млн га. В Дагестане — Для начала хочу отметить одну важ- и Ставрополье они служат эталоном про- дуктивности. Однако интенсивное исполь- ную вещь: в мире нет классификации зование привело к их существенной де- градации. В послевоенный период и более почв, а есть только списки и корреляции, позднее время было организовано в боль- ших масштабах орошение без дренажа — но создавать их нужно целенаправленно, мол, кашу маслом не испортишь. Погода в те годы стояла теплая, вода была в избыт- а не сгребая все, простите, в одну кучу. ке, вот и решили наши аграрии поливать все, что видят. И что в итоге? Через год-два Сейчас присутствует разнобой в система- такого полива из-под грунта начали под- ниматься воды и вместе с ними соли. Соот- тике. Скажем, у американцев своя класси- ветственно, почвы выходили из строя, и это была большая трагедия. Как говорилось фикация, у англичан другая, а у нас в Рос- на одной конференции, вчерашние герои социалистического труда плакали и про- сии третья. Классификацию почв нуж- сились перевести их от стыда в другие хо- зяйства. Из-за подкисления стало необхо- но свести к цифровым значениям, и здесь димым известкование, применение удобре- ний. В периоды влажных лет на плакорах без математики никуда. Когда вы, описы- часто образуются мочары — локальные пе- реувлажненные участки, исключающие об- вая определенный тип почвы, говорите, работку земли. что он имеет светло-коричневый оттенок, — Чернозем — возобновляемый ре- сурс? то нужно иметь в виду, что есть люди, кото- — К счастью, да. В нашей стране дей- рым этот цвет кажется темно-коричневым, ствует Рабочая группа по исследованию черноземов, организованная в Почвенном а есть и те, кто страдает дальтонизмом и не может различать цвета. И как тогда быть? Поэтому и нужен единый стандарт, соз- данный не на основе впечатлений, а та- кой, где все будет досконально просчитано и не останется места для субъективности. Цифровая классификация — это и есть та работа с цифровыми значениями, которой мы сейчас занимае­ мся. Мы хотим описать почву в чис- ловых показателях. Наша цель — не просто набор цифр, а возможность опре- делить значение признака, взятого за основание де- ления. У меня есть статья, которая называется «Клас- сификация — не место для дискуссии». Может быть, это наиболее четкое опре- деление современного со- стояния дел в почвенной систематике. Василий Васильевич Докучаев Любая классификация (1846–1903) — русский геолог и почвовед, основоположник должна иметь конкрет- школы научного почвоведения ную цель, а сейчас пытают- ся вложить в нее генезис, и географии почв w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 57

Почвоведение ­плодородие, экономику. Так, в генетиче- м­ етодов зондирования Земли, сменивших скую классификацию по природным свой- аэрофотосъемку, существуют и вышки ствам включают антропогенно-преобразо- с оборудованием для наблюдения за газо- ванные, городские почвы и др., а это ведет вым режимом над почвой. Совершенствует- к нарушению логики, к неопределенности. ся приборное оснащение. В последние годы как за рубежом, так и в отечественном по- Наш выдающийся ученый Н.М. Сибир- чвоведении все чаще и шире применяет- цев, один из учеников В.В. Докучаева, дал ся метод рентгеновской компьютерной то- три разных классификации почвы: есте- мографии, позволяющий визуализировать ственно-историческую, техническую (при- и количественно характеризовать внутрен- кладную) и экономическую. Мы стараемся нее строение почвы в образцах ненарушен- придерживаться такого подхода. ного сложения. Классификация, основанная на общих — В своих выступлениях вы часто го- представлениях, не годится. Нужно учиты- ворите о таком понятии, как память по- вать самые разные характеристики, то есть чвы. Что это значит? должен быть комплекс показателей. В рам- ках нашей работы это будут решения, ко- — Память почв — это широкое понятие, торые принимаются на основе критериев, включающее в себя главным образом след обоснованных многомерной статистикой от биосферно-геосферно-антропосферных и кластерным анализом. взаимодействий на землю. Есть характери- стики почвы, которые сохраняются на про- — Сегодня мы располагаем большим тяжении десятилетий, например ее меха- выбором методов изучения почвы. А как нический состав (почва-память), а есть те, вообще развиваются сейчас современ- что исчезают очень быстро, скажем, в те- ные методы мониторинга и исследова- чение дня (так называемый почва-момент), ний? например кислотность. Разделены и харак- терные времена учета этих показателей. — Почвоведение, безусловно, наращива- ет приборную базу. Кроме ­дистанционных Пожар в кедровом стланике, Сахалинский хребет, 1952–1958 гг. Фото предоставлено В.А. Рожковым. 58 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Почвоведение Что нам дает знание о памяти почвы? число таких хозяйств сократилось в разы. В целом, возможно, не будет преувели- В целом начиная с 2000-х гг. мы потеряли чением сказать, что концепция памяти более 20 тыс. лесников. почв позволяет выявить еще одну глобаль- ную функцию почв в природе и обществе, В 2000 г. были фактически упразднены а именно информационную функцию почв. Государственный комитет по охране окру- жающей среды и Федеральная служба лес- Перспективным представляется также ного хозяйства, а в 2006 г. вышел новый развитие количественных подходов в изу- Лесной кодекс. Итогом стало то, что уход чении информационной роли почв. В буду- за лесом передали в руки частных аренда- щем, после завершения начального этапа торов территории, а государство (и лесни- в развитии концепции памяти почв, можно чие в его структуре) взяло на себя контроль ожидать появления количественных раз- над соблюдением законодательства, то есть работок проблемы информационных функ- только инспекцию территорий. Так лесни- ций почв и педосферы (почвенной оболочки чий, главный хранитель леса, стал просто Земли. — Примеч. ред.) в целом, где основ- инспектором. При этом огромное количе- ные понятия и подходы будут тождествен- ство лесных территорий в России остаются ны базовым понятиям и подходам инфор- вообще бесхозными: они не принадлежат матики. арендаторам, не входят в зону их интереса, за этой землей попросту некому ухаживать. — Какой максимальной глубины мо- жет достигать самый плодородный, пи- Многие мои знакомые и друзья вышли тательный слой почвы? из семей лесников. В 1960-е гг., например, на Камчатке и на Сахалине выпускники — Сложно ответить однозначно, это зави- Лесотехнической академии им. С.М. Киро- сит опять же от природных условий. Любые ва (Ленинград) и других лесных вузов мог- почвы отличаются друг от друга по мине- ли претендовать на должности не выше ралогии: состав минералов там существен- помощника лесничего. Видимо, как след- но разнится. Так, например, дерново-под- ствие, сократилась потребность в этих спе- золистые почвы Подмосковья весьма силь- циалистах, что привело к уменьшению но отличаются от почв Кировской области. числа лесных учреждений: реорганизова- Питательный слой курского или рязанско- ны ДальНИИЛХ (Хабаровск), а сейчас и Мо- го чернозема может достигать полутора сковский государственный университет метров. Один из моих аспирантов, работая леса (МГУЛ). Закрыты все лесные опытные в Армении, фиксировал питательный слой станции (ЛОС). Специальность стала не- с 4% содержания гумуса на уровне двух ме- востребованной, и это тоже сыграло свою тров. А вот в Забайкалье плодородный слой роль. совсем маленький, не составляет и полуме- тра. Наши леса — не только защита от водной и ветровой эрозии почв и посевов, но и ин- — Вячеслав Александрович, вы не толь­ дикатор состояния атмосферы, окружа- ко известный почвовед, но и лесовод. Ка- ющей среды в целом. Раньше ведь счита- кие последствия, на ваш взгляд, име- лось, что на здоровье нашей планеты, если ло сокращение лесничества в нашей мы говорим о лесах, влияют только тро- с­ тране? пики. Но затем в работах Н.И. Базилевич, в 1980‑х гг., было впервые показано, что это — Сокращение полномочий лесничих не так: наши бореальные леса также опре- в начале нулевых — это трагедия, послед- деляют экологию территории. ствия которой сейчас выражаются глав- ным образом в многочисленности и обшир- — Грядет ли глобальное потепление, ности лесных пожаров. Многие лесники- как вы считаете? обходчики жили в лесу или близко к нему, а значит, могли всегда своевременно оста- — Возможны разные сценарии. Мне, на- новить возгорание, буквально затоптав его. пример, больше импонирует теория кван- В распоряжении государственных лесни- титативной компенсации Н.В. Тимофеева- чих были свои средства пожаротушения, Ресовского, согласно которой потепление свои пожаро-химические станции, но са- в одних регионах земного шара непремен- мое главное — возможность потушить по- но влечет за собой похолодание в других. жар еще в зачатке. Они занимались так- же заготовкой дров, санитарной обработ- Конечно, нельзя исключать наше влия- кой леса, охраной лесных территорий и т.д. ние, антропогенное воздействие, которое Лесники работали на лесные хозяйства, где способствует вредному побочному выделе- был большой штат сотрудников, а сейчас нию газа. Однако только распашка целины в 1954–1965 гг. отразилась на некотором w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 59

Почвоведение Глобальное изменение климата — увеличении парниковых газов в атмосфе- а грядет ли оно? ре, то есть это лишь мизерная доля общего влияния, все остальное связано с космосом. Графики температур менялись слабо, как и погода Каждые 500 лет мы наблюдаем таяние сне- га в Арктике. В начале 1960-х гг. инженер График 1 Прогноз П.М. Борисов выступал в Географическом обществе Ленинграда и Ленинградском °C Геохронологическое датирование университете с идеей постройки плотины через Берингов пролив для холодного те- 15 чения. Тогда стала бы таять ледяная шап- ка Арктики. Или если засыпать ее золой — 10 климат Севера стал бы теплым, и это было бы прекрасно! Теперь об этом не вспомина- 5 ют. Наоборот. Забывают о том, что климат 0 станет теплым, но почва не изменится так -5 быстро! И в Сибири не стали бы расти ба- наны. -10 Последнее значительное потепление -15 мы наблюдали относительно недавно, Тыс. лет -300 -200 -100 0 +100 в 1929– 1930-е гг. Многие номера журна- ла «Вокруг света» тех лет были посвящены График 2 350 Изменение средних глобальных температур 0 потеплению и строительству города Пе- Изменение средних континентальных температур 0 века. В те годы оттаял лед Северного мор- 300 ского пути, стали усиленно возводить го- 280 300 250 200 150 100 50 рода, а теперь многие из них пустуют. Ни- 260 кто не вспоминает о том потеплении, а оно 240 было — и, по моему мнению, повторится 220 еще не раз. 200 180 Если глобальное потепление действи- 160 тельно грядет, то для почвы это не сулит ничего хорошего: поймы рек где-то пе- Тыс. лет ресохнут, а где-то, наоборот, будут зали- ты водой. Помню, как на 25-й съезд КПСС График 3 в 1976 г. из Коми присылали делегата-по- чвоведа с протестом против переброски рек 4 с севера на юг. Тогда были бы залиты водой самые плодородные пойменные почвы ре- 2 спублики. В общем, это сложный вопрос. 0 Мы с вами говорили еще о лесе, и здесь тоже есть еще одна проблема, которая вно- -2 сит свой вклад в потепление, — это валеж- ник. За счет разложения подстилки, ва- -4 лежника, сухостоя в атмосферу выделяется углекислота. А как много этого валежника -6 лежит по всей территории наших лесов! Он гниет, и достаточно сильно, то же самое ка- -8 сается и кустарников. Эту проблему тоже могли бы частично решить лесники, но, как -10 Тыс. лет 350 300 250 200 150 100 50 я уже говорил, их практически не осталось. График 4 Бабушка моей жены, испокон веков жив- шая на берегу Волги в Тверской области 0 в деревне Креве, рассказывала, как в до- 5 военные годы к ним в деревню приезжал 10 председатель ЦИК СССР М.И. Калинин — 15 вручал медаль за доблестный труд. Бабуш- 20 ка тогда его попросила: «Разрешите нам ва- 25 лежник брать из леса», на что Калинин ко- ротко ответил: «Позабочусь». Но ­только Годы 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1.  Изменение средних глобальных и континентальных температур. 2.  КОотнкцлеоннтернаицеитяеCмOп2 еврааттмуорсыфоетрен(омрлмна-1)лзьанопгоослзнедачнеинеи4я0(0ºСт).ыс. лет. 3.  Источник: Станция «Восток», Антарктида. 4.  Влияние планет Юпитера, Земли, Венеры и Меркурия на деятельность Солнца. Верхняя кривая — констелляция планет. Нижняя кривая — деятельность Солнца (по Филиппу Мальбурэ). 60 В мире науkи | [10] октябрь 2021

1.  Типичный подзол Карелии. Фото Почвоведение предоставлено В.А. Рожковым. 2.  Существуют разные гипотезы 1 происхождения чернозема: морская, болотная, версия о растительно- наземном происхождении и др. Фото: https://ru.123rf.com. 2 в 2019 г. местному населению разрешили даже на ровных черноземах, например бесплатно собирать валежник! А ведь здесь в Рязанской и Курской областях, появля- дело не только в выделении углекислоты ются так называемые воронки — скопления из валежника, но и в том, что очистка леса воды. В результате появления таких водя- от сухостоя и пней снижает вероятность ных воронок большие площади земли ухо- лесных пожаров и поражения деревьев вре- дят из оборота. дителями. Еще одна проблема — засоленные почвы, — Состояние земельных ресурсов се- от Поволжья и восточнее. Засоленные по- годня вызывает тревогу? чвы мы видим также в Средней Азии, Яку- тии, и, если их полив сделан неправиль- — Несомненно. Повсюду на территории но, без дренажа, есть риск лишиться этих России мы наблюдаем неуклонное сниже- почв. ние естественного плодородия земли и де- градацию земель. Причины тому — эрозия В Почвенном институте им. В.В. Докучае- почвы, засоление и, конечно, техногенный ва проводились опыты по мелиорации почв фактор. В среднем по стране, как отмечал и в целом по изучению и сохранению по- мой коллега Д.С. Орлов, за последние 25 лет чвенного покрова. Наш институт воспитал на 0,5% уменьшилось содержание гумуса в Средней Азии мощную когорту ученых, в почвах. По-прежнему сохраняется дефи- докторов наук, которые там управляются цит фосфора, калия, кальция и других эле- довольно хорошо, но ведь многое зависит ментов. Сегодня пустуют 76 млн га пашни. от конкретных природных условий. — Какие регионы России наиболее уяз- Беседовала Янина Хужина вимы, если мы говорим о почве? — Любая почва в той или иной степени может быть уязвимой, да и вообще это до- вольно условное понятие. Например, по- ловина нашей средней полосы России от- носится к промерзающим почвам. Другие земли, на юге, в Предкавказье и Поволжье, подвержены пересыханиям — аридная зона. Поэтому к каждому типу почвы нужен свой отдельный подход. Многое зависит от условий того или ино- го конкретного года. Примерно каждые во- семь лет мы наблюдаем то сухой период, то период повышенной влажности, ­когда w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 61

Астрономия 62 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия сзовеНвсзеедмыАСТРОНОМИЯ Коричневые карлики располагаются где-то посередине между звездами и планетами и поэтому способны помочь нам разгадать загадки и тех и других Кейтлин Аллерс Illustration by Mark Ross w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 63

Астрономия ОБ АВТОРЕ Кейтлин Аллерс (Katelyn Allers) — астроном, область исследований которой — звезды малой массы и корич- невые карлики. До недавнего времени была профессо- ром Бакнеллского университета. В настоящее время вы- пускает цифровые обучающие материалы в компании Northwest Registered Agent. ыши, дыши», — повторяла я про себя, как мантру. На высоте 5,6 тыс. м мой организм жаждал кислоро- да, и мне пришлось сосредоточиться на том, чтобы доставить в легкие достаточно воздуха. Я находилась на вершине Серро-Токо, стратовулкана, с которого от- крывается вид на чилийское плато Чахнантор, где се- годня расположилась Атакамская большая антенная решетка миллиметрового/субмиллиметрового диапа- зона — один из ведущих в мире радиотелескопов. Раз- реженный воздух и бесплодная красная поверхность горы создавали впечатление, что я на Марсе. Мы с коллегами изучали атмосферные условия на Серро-Токо. Если бы они оказались достаточно хорошими, можно было бы обосновать строительство обсерватории на столь отдаленной высокогорной пло- щадке, даже учитывая значительные связанные с этим технические проблемы. Атмосфера Земли — серьезная помеха для из ­наблюдаемых нами объектов. Один из клас- астрономов, а облака и подавно расстраива- сов объектов, лучше всего заметных в инфра- ют наблюдателей. Атмосферная турбулент- красном диапазоне, — коричневые карлики. ность «размазывает» свет от звезды, и, когда В начале 2000-х гг., когда я училась в аспиран- звезды видны вблизи горизонта, нам кажется, туре, они были только что обнаружены и при- что они «танцуют» и мерцают. Содержащиеся несли с собой много удивительных загадок. Я в атмосфере молекулы, такие как водяной пар была очарована этими поразительными не- и углекислый газ, поглощают излучение звез- бесными телами, которые в астрономиче- ды, особенно инфракрасное. Поскольку больше ской классификации занимают промежуточ- половины воздуха атмосферы Земли находит- ное положение между звездами и планетами. ся ниже вершины Серро‑Токо (момент, на ко- Мне было любопытно, где и как они образова- торый неоднократно обращали внимание мои лись и на что похожи. В ходе своих исследова- пылающие легкие), мы надеялись, что с помо- ний я узнала, что коричневые карлики не толь- щью специального инфракрасного телескопа ко интересны сами по себе, но и служат важ- наверху можно будет сделать множество новых ным мостом к нашему пониманию как планет, потрясающих открытий. так и звезд, поскольку их температуры и мас- сы занимают промежуточное положение в этом Жажда приключений, приведшая меня ряду небесных тел. Сейчас я и другие астроно- к этой вершине, зажгла искру и моего увлече- мы, занимающиеся изучением коричневых ния инфракрасной астрономией — областью, карликов, работаем в одной из самых перспек- в которой ученые исследуют космос в све- тивных областей исследований — еще мно- те, слишком красном для человеческого гла- го коричневых карликов ожидают своего об- за. Инфракрасное излучение большей частью наружения, при этом, чтобы раскрыть новые исходит от самых тусклых и самых далеких 64 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия детали ­физических процессов, идущих в этих мы могли взглянуть на них вблизи, они, веро- объектах, мы можем опираться на богатство ятно, имели бы тусклый оранжево-красный материалов предыдущих исследований. У нас или пурпурный оттенок. наконец‑то появились приборы для изучения, например, атмосферы коричневых карликов, За более чем два десятилетия, прошедшие дующих на них ветров и скорости их враще- с тех пор, как астрономы начали изучать ко- ния, а также для того, чтобы попытаться выяс- ричневые карлики, сложилась достаточно чет- нить, есть ли у них собственные планеты. кая картина их основных характеристик. Как и наше Солнце, коричневые карлики почти Промежуточные объекты полностью состоят из водорода. Однако темпе- ратура в верхних слоях их атмосферы доволь- Большинство звезд получают энергию за счет но низкая, поэтому могут образовываться раз- реакции синтеза, превращающей водород в ге- личные молекулы. Признаки водяного пара на- лий, — удивительно стабильного процесса, блюдаются почти у всех коричневых карликов. благодаря которому горение звезды происхо- По мере дальнейшего охлаждения химический дит при одинаковой температуре и светимости состав их атмосферы изменяется и начинают в течение миллиардов лет. Но если формирую- преобладать другие молекулы и облака. Эво- щаяся звезда не достигает достаточно высокой люция атмосферы коричневого карлика зави- температуры или давления, чтобы поддержи- сит от его массы и возраста. Представьте, на- вать синтез водорода, рождается коричневый пример, коричневый карлик, масса которо- карлик, чья максимальная масса составляет го в 40 раз больше массы Юпитера. В течение 8% от массы нашего Солнца, то есть примерно первых 100 млн лет состав его атмосферы схож в 80 раз больше массы Юпитера. с составом атмосферы красного карлика, в ко- торой присутствуют окись титана и закись Недавние исследования показывают, что ко- углерода. В промежутке между 100 и 500 млн ричневые карлики распространены почти так лет атмосфера остынет и образуются пыле- же, как и звезды, они есть повсюду. Коричне- вые облака из таких минералов, как энстатит вые карлики обнаружены в звездных яслях вме- и кварц. Спустя примерно миллиард лет по- сте с молодыми протозвездами. Они найдены сле этого облака распадутся и осядут, а преоб- в двойных системах в паре с белыми карлика- ладающим типом молекул в верхних слоях ат- ми, где избежали опасности поглощения крас- мосферы станет метан. Самый холодный из из- ным гигантом — предшествующей формой бе- вестных коричневых карликов демонстрирует лого карлика. (Наше Солнце, желтый карлик, свидетельства присутствия в его атмосфере однажды превратится в раздувшийся красный облаков из кристаллов воды, а также водяного гигант, а после того как тот умрет, станет бе- пара и метана. Мы полагаем, что его атмосфера лым карликом.) Некоторые из соседних с нашим содержит значительное количество аммиака, Солнцем звездных систем — коричневые кар- подобно тому, что мы наблюдаем на Юпитере. лики, это третья и четвертая ближайшие к нам звездные системы, находящиеся соответствен- Однако за исключением перечисленных но на расстоянии 6,5 и 7,3 светового года (а са- свойств мы еще мало что знаем о коричневых мые близкие — это Альфа Кентавра и звезда карликах. Загадочная природа этих небесных Барнарда). И все же, несмотря на вездесущесть тел породила ряд ярких идей. Например, одно коричневых карликов, большинство людей ни- время коричневые карлики считались возмож- когда о них не слышали. ным резервуаром темной материи, хотя от этой идеи быстро отказались, когда стало ясно, что Хотя в недрах коричневых карликов термо- коричневые карлики излучают свет (то есть ядерная реакция синтеза не идет, они светят- они не темные) и что их вклад в общую мас- ся — излучают в инфракрасной области бла- су нашей Галактики не очень велик. А недав- годаря теплу внутри них. Сначала они от- но ученые предположили, что в прохладных носительно горячие (около 3 тыс. градусов верхних областях атмосферы коричневых кар- Кельвина), а в течение последующих миллиар- ликов может зародиться жизнь, — идея, кото- дов лет остывают и меркнут. Коричневые кар- рую эксперты по коричневым карликам быстро лики не умирают, они уходят в вечность, осты- похоронили, потому что динамика атмосферы вая и все больше тускнея. Самый холодный такова, что любая форма жизни перемещалась из известных коричневых карликов показыва- бы в ее более глубокие слои — а они горячие ет температуру ниже точки замерзания воды. и непригодны для жизни. Поскольку они настолько холодны, б льшая часть испускаемого ими излучения лежит в ин- А еще раньше, в 1995 г., родился миф о «ката- фракрасной области. Они слишком тусклые, клизме Нибиру»: липовое пророчество, предре- чтобы невооруженным глазом можно было раз- кавшее неминуемую катастрофу от столкнове- глядеть их на нашем ночном небе, но, если бы ния Земли с коричневым карликом. А­ строномы w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 65

Астрономия СОЛНЦЕ, ЖЕЛТЫЙ КАРЛИК Путеводитель по коричневым карликам Радиус: 696 тыс. км Масса: 1050 масс Юпитера Разбросанные по всему космосу коричневые карлики — это тусклые и компактные объекты, отчасти похожие ПРОКСИМА КЕНТАВРА, на звезды, отчасти на планеты. С массой как минимум КРАСНЫЙ КАРЛИК в 13 раз больше Юпитера, но менее 80 Юпитеров, они за- Радиус: 107 тыс. км нимают свою собственную нишу. Новое исследование Масса: 130 масс Юпитера процессов их формирования, их атмосферы и многого PSO J318.5-22, другого помогает пролить свет на эти странные, занима- КОРИЧНЕВЫЙ КАРЛИК ющие промежуточное положение небесные тела. (спектральный класс L) 1 000 000 × Радиус: 105 тыс. км Масса: 8,3 массы Юпитера 100 000 × Сверхгиганты 10 000 × WISE 0855, КОРИЧНЕВЫЙ КАРЛИК Светимость звезды (по сравнению с Солнцем) 1000 × Гиганты 100 × (спектральный класс Y) Радиус: 72 тыс. км 10 × Масса: 3–10 масс Юпитера Солнце Солнце Звезды главной ЮПИТЕР 0,1 × ­последовательности ПЛАНЕТА — ГАЗОВЫЙ ГИГАНТ 0,01 × Радиус: 71,5 тыс. км 0,001 × Белые Коричневые 0,0001 × карлики карлики 0,00001 × 0,000001 × Illustration by Ron Miller (objects and atmospheres) and Jen Christiansen (H-R diagram) 0,0000001 × 0,00000001 × 0,000000001 × 10000 1000 100 Выше Солнце Ниже Температура поверхности звезды (кельвины) Диаграмма Герцшпрунга — Рассела Этот график зависимости светимости от температуры звезды, называемый диаграммой Герцшпрунга — Рассела, применяется как классический инструмент астрономов для характеристики классов звезд. Справа внизу коричневые карлики, которые пред- ставляют более холодную и тусклую категорию, чем любой другой из показанных типов звезд. 66 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия ВНУТРЕННИЙ АТМОСФЕРА ЖЕЛТЫЙ КАРЛИК (ЗВЕЗДА) ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ У звезд, планет и корич- Наше Солнце — один из желтых карликов. Эти звезды пре- Звезды получают энергию невых карликов свои вращают водород в гелий в течение примерно 10 млрд лет, пока за счет водородного синте- собственные особенно- бóльшая часть водорода не закончится. Затем они раздуваются за, однако коричневые кар- сти атмосферы. Недавно в более крупные и более красные звезды — красные гиганты, лики слишком малы, чтобы ученые выяснили, что которые превращают гелий в углерод и другие более тяжелые поддерживать этот процесс. коричневый карлик про- элементы. В конце концов у них заканчивается топливо для Вместо этого они светятся ходит несколько стадий. ядерного синтеза и они сбрасывают свои внешние газовые слои, за счет остатков тепла, Сначала его атмосфера образуя сияющие планетарные туманности, в то время как их выделившегося при их напоминает атмосферу крас- ядра схлопываются в плотные и горячие белые карлики. образовании. Такие пла- ного карлика. По мере того неты, как Юпитер, в до- как он стареет и остывает, 10 млрд лет полнение к излучению могут образовываться об- за счет собственного лака из минералов, а позднее Эволюция Планетарная туманность тепла отражают в течение его жизни эти излучение своей облака тонут и верхние слои Красный гигант Белый карлик родительской его атмосферы становятся звезды. похожими на атмосферу газового гиганта. Водородный Атмосфера без облаков КРАСНЫЙ КАРЛИК (ЗВЕЗДА) синтез Самый распространенный на сегодня тип звезд в Млечном Облака из титаната Облака из железа Пути — красные карлики. Они тусклее и холоднее, чем звезды, и алюминатов кальция и силиката магния подобные Солнцу. Они тоже превращают водород в гелий, Тие мплпоетрнаотсутрьа но стареют гораздо медленнее, чем желтые карлики, и могут Ниже прожить триллион лет, прежде чем закончится водород. Когда в конце концов они все же исчерпают свое топливо, они тоже становятся белыми карликами. Эволюция 1 трлн лет Водо­ Выше Гелиевый белый карлик родного синтеза нет Газообразная закись углерода (красный) КОРИЧНЕВЫЙ КАРЛИК Облака из кристаллов воды Эти небесные тела — не звезды, потому что их масса слишком Соляные облака мала, чтобы создать давление, достаточное для протекания Сульфидные облака ядерного синтеза. Они сияют остатками тепла, возникшего при рождении, и со временем постепенно остывают и туск- Водо­ неют. Они никогда не умрут и не превратятся в тела другого родного типа, а просто будут становиться все холоднее и темнее. синтеза Эволюция нет 100 млн лет Газообразные метан и аммиак (голубой) ГАЗОВЫЙ ГИГАНТ (ПЛАНЕТА) Водо­ В отличие от звезд и коричневых карликов, которые форми- родного руются в результате конденсации газового облака, планеты синтеза вырастают вблизи недавно родившейся звезды из остатков вещества, образовавших вокруг нее протопланетный диск. нет Газовые гиганты Юпитер и Сатурн — самые большие планеты Поперечное сечение Солнечной системы и состоят в основном из водорода и гелия. показано не в масштабе Как и у коричневых карликов, в ядрах газовых гигантов ядер- ный синтез не протекает. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 67

Астрономия были бы очень рады увидеть коричневый кар- ­наблюдения показали, что коричневый карлик лик вблизи, но никаких научных доказа- обладает примерно таким же размером, как тельств, подтверждающих такого рода сцена- Юпитер, диаметром около 129 тыс. км, но на- рий конца света, не существует, а коричневый много плотнее — его масса в 70 раз больше. карлик был бы замечен за сотни или даже тыся- чи лет до любой близкой встречи. В 2000 г., когда я поступила в аспирантуру, было известно уже больше коричневых карли- Первые коричневые карлики ков, хотя и не так много. Я была занята созда- нием инфракрасных приборов, и мне нужен Существование коричневых карликов ученые был объект для исследований. Мой научный предсказали в 1960-х гг., основываясь на том, руководитель занимался изучением формиро- что было известно о механизмах формирова- вания звезд, поэтому я решила искать корич- ния звезд и планет. Небесные тела этой проме- невые карлики в областях звездообразования. жуточной категории, по всей видимости, долж- В ходе работы над своей диссертацией я обна- ны были существовать, но на небе таких объек- ружила большое количество коричневых кар- тов астрономы не находили. Просто оказалось, ликов, в том числе несколько самых первых что коричневые карлики очень и очень тусклые из тех, у которых масса близка к массе планет. и основная часть их излучения лежит в инфра- В то время мы не имели представления о том, красной области. А инфракрасная техника де- как эти штуковины образовались, и не знали, лала лишь свои первые шаги и еще не была го- существует ли нижний порог их массы, но на- това для решения этой задачи. И вот наступил чали находить все более мелкие объекты. 1995 г., очень значимый для астрономии. В тот год астрономы Мишель Майор (Michel Mayor) В общей сложности моя диссертация содер- и Дидье Кело (Didier Queloz) обнаружили 51 Пе- жала данные менее чем о 20 вновь открытых гас b, первую экзопланету, обращающуюся во- коричневых карликах, но это было значитель- круг обычной звезды. Что еще важнее, по край- ным вкладом в их общее число. С тех пор с по- ней мере для автора этой статьи, — тогда же мощью новых приборов было найдено гораз- были открыты первые коричневые карлики. до больше. Основной вклад внесли программа 2MASS (2 Micron All Sky Survey), работа по кар- Тейде 1 был обнаружен в известном звездном тографированию звездного неба в излучении скоплении Плеяды. Астрономы Рафаэль Лопес с длиной волны 2 мкм, проведенная в начале (Rafael Rebolo L   pez), Мария Роса Сапатеро-Осо- 2000‑х гг., и космический телескоп WISE (Wide- рио (Mar  a Rosa Zapatero-Osorio) и Эдуардо Мар- field Infrared Survey Explorer, Широкоугольный тин (Eduardo L. Mart  n) впервые заметили его инфракрасный обзорный телескоп), запущен- на фотоснимках с 0,80-метрового телескопа об- ный в 2009 г. На сегодня общее число обнару- серватории Тейде на Канарских островах. Объ- женных коричневых карликов — около 3 тыс. ект был молодым и еще слегка светился бла- Однако еще не открытых значительно больше: годаря теплу, возникшему при его рождении. оценки говорят о 25– 100 млрд коричневых кар- Открывшие коричневый карлик ученые на- ликов в Млечном Пути. блюдали в его атмосфере следы нескольких мо- лекул, в том числе лития. Звезды обычно сжи- Сценарии формирования гают литий сразу же, как только рождаются, а значит, это важное открытие доказывало, что Коричневые карлики как продукт звездоо- ядерный синтез там не идет. Они опубликова- бразования наименьшей массы предоставля- ли свои результаты в сентябре 1995 г. ют астрономам уникальный шанс углубить наше понимание основных этапов рождения Спустя два месяца астрономы объявили звезд и планет. Звезды образуются в скопле- об открытии второго коричневого карлика — ниях газа (в основном молекулярного водорода) Глизе 229 B, спутника другой звезды. Группа и пыли, известных как молекулярные облака. астрономов из Калифорнийского технологиче- Если масса молекулярного облака достаточ- ского института и Университета Джонса Хоп- но велика, силы гравитации могут превозмочь кинса впервые увидела объект на инфракрас- давление газа и заставить облако сжимать- ном изображении с телескопа Паломарской ся, или, как говорят, коллапсировать, в звез- обсерватории. Они сразу же поняли, что он ду. Во время коллапса любое небольшое вра- странен. Объект был необычного цвета, и в его щательное движение в облаке усиливается, атмосфере присутствовали признаки метана. подобно тому как фигурист, прижимая руки Для присутствия метана его атмо­сфера долж- к туловищу, начинает вращается быстрее. Это на быть очень холодной, поскольку молекула вращение вещества облака приводит к обра- с высокой реакционной способностью и при зованию околозвездного диска, окружающего более высоких температурах обычно пре- зарождающуюся звезду, который затем стано- вращается в закись углерода. Более поздние вится местом формирования планет. 68 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия Когда коричневые карлики только лишь «Хаббл» находится на орбите, не возникает раз- были обнаружены, астрономы предположили, мытие изображений и поглощение излучения что, возможно, они образовались в ходе про- атмосферой Земли, что делает его идеальным цесса, аналогичного процессу формирования прибором для получения изображений двой- звезд, но были озадачены тем, как гравитации ных систем коричневых карликов. По дан- такой малой массы удалось преодолеть давле- ным этих наблюдений в 2020 г. мы обнаружи- ние газа и вызвать коллапс. При написании ли уникальную систему коричневых карликов, этой статьи я просмотрела некоторые из ста- которая убедительно подтверждает подобный рых предложений грантов и времени на теле- звездному механизм формирования сходных скопах, сделанные в самом начале моей карье- с планетами объектов. По космическим мер- ры, целью большинства из которых было про- кам система Oph 98 AB очень молода (3 млн яснение механизма образования коричневых лет), масса ее компонентов соответственно карликов. В то время существовало несколько в восемь и 15 раз больше массы Юпитера. Эти конкурирующих идей. Некоторые теории пред- объекты весьма малой массы находятся друг полагали нарушение процесса формирования от друга на расстоянии в 200 раз большем, чем звезды до того, как она окончательно нарастит расстояние между Землей и Солнцем. Посколь- свою массу. Может быть, что-то физически уда- ку Oph 98 A и B столь легки и так существенно лило коричневый карлик из его естественного удалены друг от друга, система эта имеет са- окружения или выжгло молекулярное облако, мую низкую гравитационную энергию связи оставив лишь карликовую звезду? из всех известных. Слабая энергия связи оз- начает, что эти небесные тела, скорее всего, Другие гипотезы основывались на умень- сформировались в своей текущей конфигура- шенной версии звездообразования или увели- ции, а не возникли в разных местах и лишь за- ченного масштаба версии образования пла- тем стали парой, а это указывает на звездоо- нет. Это прекрасный пример использования бразный механизм их формирования. А юный множества возможных теорий для получения возраст системы (да, мы полагаем его равным четких и поддающихся проверке результа- 3 млн лет!) означает, что небесные тела планет- тов расчета. Когда мы обнаружили повсемест- ной массы, очевидно, формируются не дольше, ное присутствие вокруг коричневых карликов чем звезды. околозвездных дисков, определили распреде- ление масс звезд и коричневых карликов в ус- Новые идеи ловиях различного окружения и вычислили орбиты коричневых карликов в двойных си- Наука о коричневых карликах сегодня достиг- стемах, стало ясно, что большинство коричне- ла стадии, когда мы можем проводить более вых карликов, по-видимому, сформировались точные измерения и задавать более детальные как звезды более мелкого масштаба — из мень- вопросы, чем когда-либо прежде, касающиеся шего резервуара газа. А факт, что у коричне- этих все еще загадочных объектов. Среди наи- вых карликов образуются околозвездные ди- более интересных открытий последнего вре- ски, повышает вероятность того, что у них есть мени — самые холодные коричневые карлики, планеты. Хотя мы никогда не видели ни одной получившие название «Y-карлики». Температу- из них наверняка, весьма вероятно, что пла- ра этих небесных тел составляет от 450° K до неты формируются в этих дисках, как и око- 250° K. Занимаясь Y-карликами, я люблю шу- ло звезд. Ученые надеются, что в ближайшие тить, что изучаю самые крутые системы в Га- годы мы наконец получим надежное подтверж- лактике! (Здесь игра слов: англ. cool — это дение того, что вокруг коричневых карликов и «холодный», и «крутой» — Примеч. пер.). Эти обращаются планеты. Y-карлики, хотя и не такие холодные, как Юпи- тер (125° K), позволили нам провести первое Недавно ученые обнаружили отдельные ко- объективное сравнение коричневых карликов ричневые карлики с массами как у планет-ги- и атмосфер планет-гигантов нашей Солнеч- гантов (примерно в 13 раз больше массы Юпи- ной системы. Y-карлики трудно наблюдать, по- тера), что снова подняло вопрос, как они могли скольку они холодные и очень тусклые. Исходя- образоваться. Могли ли некоторые из этих ко- щее от них излучение лежит преимуществен- ричневых карликов планетной массы возник- но в инфракрасном диапазоне с длиной волны нуть в околозвездных дисках более массивных 3–5 мкм, наблюдения в котором сильно затруд- звезд — другими словами, сформироваться няет атмосфера Земли. точно так же, как планеты? Невзирая на это, мы с коллегами опубликова- Чтобы проверить механизм образования ли спектры нескольких Y-карликов и использо- планетоподобных объектов, мы с коллегами вали теоретические модели, чтобы сделать вы- предложили провести наблюдения с помощью вод о наличии водно-ледяных облаков, а также космического телескопа «Хаббл». ­Поскольку w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 69

Астрономия о значительном вертикальном перемешива- Недавно вопрос одного из студентов побудил нии в атмосфере. В этом же диапазоне длин участников другого проекта исследовать срав- волн Юпитер испускает собственное излуче- нительные характеристики атмосферы корич- ние (а не просто отражает свет нашего Солнца), невых карликов и планет. Когда я читаю вво- а также демонстрирует значительное верти- дный курс астрономии, он включает рассказ кальное перемешивание. Мы надеемся, что, из- о планетах Солнечной системы (и, конечно же, учая Y-карлики, мы сможем отделить свойства я добавляю гору информации о коричневых Юпитера, обусловленные его планетной приро- карликах). Одна любопытная деталь из того, дой, — другими словами, тем, что он сформи- что я рассказываю студентам: продолжитель- ровался в околозвездном диске нашего Солнца ность дня на Юпитере зависит от того, как вы и постоянно освещается солнечным светом, — ее измеряете. Если вы хронометрируете движе- от свойств, которые, возможно, присущи всем ние видимых объектов в экваториальной обла- холодным газовым объектам, будь то планеты, сти Юпитера, период вращения, который вы экзопланеты или коричневые карлики. Пока получите, будет на пять минут короче, чем пе- наши исследования показывают, что в боль- риод вращения, измеренный с помощью радио- шинстве случаев интенсивная динамика ат- сигнала, исследующего динамику его внутрен- мосферы для них норма. них областей. Один из студентов спросил меня, из-за чего возникает такая разница во враще- Эти идеи в отношении атмосферы коричне- нии, и я ответила, что это потому, что на эква- вых карликов привели к появлению в науке но- ториальные области Юпитера воздействуют вой области — экзометеорологии. Хотя корич- сильные зональные ветры. Ветры на Земле вы- невые карлики находятся слишком далеко, что- званы перераспределением солнечной энергии, бы можно было визуально изучать особенности но мы не знаем, в какой степени это примени- их атмосферы, мы можем увидеть ее отпеча- мо к ветрам Юпитера. ток по изменению яркости. Когда облако или какой-либо другой объект вращается — появ- После лекции я продолжила размышлять ляется и исчезает из поля зрения, — характер об этом. Астрономы измерили радиоизлуче- излучения, исходящего от коричневого карли- ние коричневых карликов, механизм которо- ка, изменяется. Астрономы проанализировали го тот же, что и у радиоизлучения Юпитера, модификации яркости коричневых карликов а значит, мы можем измерить период враще- за много оборотов и нарисовали карты их пя- ния их внутренних областей. А наш метод от- тен и полос, которые удивительно похожи на хо- слеживания изменения яркости мы можем ис- рошо знакомые нам полосы и вихри на плане- пользовать для измерения периода вращения тах-гигантах Солнечной системы. Было обна- атмосферы. Так впервые у меня родилась идея ружено, что яркость некоторых коричневых измерить скорость ветра на коричневом кар- карликов за один оборот изменяется на 25%. лике. Лучшим кандидатом, чтобы опробовать Результаты этих исследований позволяют нам этот метод, из имевшихся в нашем распоряже- получить более общие представления об иду- нии был метановый коричневый карлик с под- щих там атмосферных процессах — мы обна- твержденным радиоизлучением. Чтобы опреде- ружили, что коричневые карлики с температу- лить скорость ветра, требовалось измерить оба рами, при которых распадаются облака, демон- периода с ошибкой не более 30 с. Мы с коллега- стрируют значительные колебания яркости, ми внесли предложение использовать космиче- причем молодым объектам, как правило, при- ский телескоп «Спитцер» для измерения коле- суща б   льшая изменчивость яркости. баний яркости коричневого карлика и подали заявку на использование комплекса радиотеле- Ученые выявили также и другие сходные чер- скопов Очень большая антенная решетка им. ты у коричневых карликов и газовых гигантов. Карла Янского в Нью-Мексико для более точно- И у тех и у других, например, присутствуют го измерения периода колебаний радиоизлуче- сильные магнитные поля и происходят поляр- ния. Мне по-прежнему кажется маленьким чу- ные сияния, как показали радионаблюдения дом, что наши измерения показали разницу характеристик движения заряженных частиц, в периодах чуть более одной минуты, что соот- вращающихся в их магнитных полях. Изме- ветствует скорости ветра 2,3 тыс. км/ч. В про- ренные значения напряженности магнитного шлом году мы опубликовали наши результаты поля коричневых карликов в 1 тыс. раз силь- в журнале Science. Такая большая скорость ве- нее, чем у Юпитера и в 10 тыс. раз сильнее, чем тра на изолированном коричневом карлике оз- у Земли. Хотела бы представить, как выглядит начает, что атмосферные ветры не всегда обу- ночное небо на одном из этих коричневых кар- словлены перераспределением солнечной энер- ликов: если учитывать красоту полярного си- гии, оставляя открытым вопрос о том, вызваны яния Земли, это, вероятно, было бы потрясаю- ли ветры на Юпитере излучением Солнца. щим зрелищем. 70 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия Астрономы продолжают поиски коричне- Печально, но мы не смогли добиться выделе- вых карликов. Некоторые программы поиска ния средств для телескопа на Серро‑Токо, он сфокусированы на выявлении больших выбо- так и не построен. Но когда в этом году будет рок коричневых карликов на покрывающих запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», все небо изображениях с высоким разрешени- астрономы получат беспрецедентную возмож- ем, полученных в рамках таких программ, как ность взглянуть на коричневые карлики в ин- 2MASS, WISE и Pan-STARRS (Panoramic Survey фракрасном диапазоне без помех со стороны земной атмосферы. Первый запланирован- Telescope and Rapid Response System — Система ный цикл наблюдений включает программы по изучению химического состава атмосферы телескопов панорамного обзора и быстрого ре- Y-карликов и облаков пыльных коричневых карликов и даже по поиску планетных систем агирования, автоматическая система из двух вокруг коричневых карликов. Вне всяких со- мнений, тех, кто изучает одни из самых недо- телескопов, предназначенная для регистрации оцененных небесных тел, ожидают захватыва- ющие времена. объектов до 24-й звездной величины. — При- меч. пер.). Любители астрономии также вовле- Перевод: А.П. Кузнецов чены в поиски благодаря таким проектам, как Backyard Worlds («Миры по соседству»), который ИЗ НАШИХ АРХИВОВ позволяет любому использовать данные, полу- ченные в рамках программы WISE, в целях по- The Discovery of Brown Dwarfs. Gibor Basri; April 2000. иска признаков коричневых карликов и других движущихся объектов. Мы ожидаем, что пред- стоящая программа масштабных исследова- ний с помощью Обсерватории им. Веры Рубин (наблюдения должны начаться в начале следу- ющего года) и космического телескопа «Нэнси Грейс Роман» (запуск которого запланирован на 2025 г.) поможет расширить наш каталог ко- ричневых карликов. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 71

Неврология НЕВРОЛОГИЯ НОВОЕ ПОНИМАНИЕ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА Иммунные клетки, которые называются микроглией, оказались перспективным объектом для исследователей, занимающихся поиском способов лечения этого нейродегенеративного заболевания Джейсон Ульрих и Дэвид Холцман В 1907 г. немецкий психиатр Алоис Альцгеймер опубликовал описание случая не- обычного заболевания, поражающего кору головного мозга. У 51-летней пациентки психиатрической клиники во Франкфурте-на-Майне появились симптомы, хоро- шо знакомые миллионам семей, где живут люди, страдающие от болезни Альцгей- мера, как мы сейчас называем этот недуг: потеря памяти, спутанность сознания и дезориентация. Illustration by Ruaida Mannaa После смерти пациентки Альцгеймер обследо- эти два патологических белка — тау-белок и ами- вал ее мозг и сделал ряд важных наблюдений. лоид — оказались в центре внимания при исследо- Во-первых, размер органа был меньше среднего, вании причины болезни. то есть он атрофировался, потеряв нейроны. Во- вторых, внутри нейронов имелись клубки из бел- Однако, проведя вскрытие, Альцгеймер сделал ковых волокон, а снаружи — отложения в виде бля- еще одно наблюдение, про которое часто забыва- шек другого белка. В течение следующего столетия ют. Он увидел под микроскопом структурные из- менения и в некоторых клетках, не относящихся 72 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 73

Неврология ОБ АВТОРАХ Джейсон Ульрих (Jason Ulrich) — адъюнкт-профессор ­неврологии в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. Дэвид Холцман (David M. Holtzman) — профессор и глава отделения неврологии, ­директор по научным исследованиям Центра неврологических заболеваний Hope при Университете Вашингтона в Сент-Луисе и заместитель директора Центра Найта по изучению болезни Альцгеймера. Кроме того, он соучредитель компании C2N Diagnostics, занимается консультированием других организаций и участвует в ис- следовательских работах по грантам от разных компаний. к нейронам. Они называются глией и составляют Бляшки, клубки и гены примерно половину от всех клеток мозга. С тех пор глиальными клетками занимались лишь немногие Болезнь Альцгеймера — основная причина демен- ученые. ции во всем мире. Вызываемые ею множественные нарушения за несколько десятилетий накаплива- Сейчас открытие Альцгеймера об изменениях ются и достигают предельного уровня. У болезни в глиальных клетках оказалось в центре внима- есть два отличительных молекулярных признака. ния. Один тип таких клеток называется микрогли- Первый — это бляшки из одного вида амилоидов, ей. Это главные иммунные клетки в мозге, способ- а именно бета-амилоида. Эти пептиды (короткие ные по-разному влиять на развитие заболевания белки) находятся в межклеточном пространстве. как на ранних, так и на поздних стадиях. От ак- Второй — деформированные, неверно свернутые тивности микроглии также зависят сложные отно- формы тау-белка, к которому во множестве при- шения между тау-белком и амилоидом — теми па- соединены фосфатные группы вследствие процес- тологическими белками, которые приводят к гибе- са гиперфосфорилирования. Интенсивное фосфо- ли нейронов и потере памяти. рилирование приводит к увеличению токсично- сти и слипанию белка. Тау-белок образует внутри За последнее десятилетие исследователи выяви- тел нервных клеток переплетенные комки, кото- ли новые молекулярные факторы риска, от кото- рые называют нейрофибриллярными клубками. рых зависит влияние этих иммунных клеток моз- Некоторые молекулы тау-белка можно обнаружить га на развитие болезни Альцгеймера. С помощью рядом с амилоидными бляшками в раздутых по- мощных методов секвенирования генов мы начи- врежденных аксонах — длинных отростках, отхо- наем разбираться в специфике микроглии, а так- дящих от тела клетки. Такие образования называ- же роли иммунной системы и ее воспалительных ются «нейритические бляшки с тау-белком». реакций в процессах, связанных с болезнью Аль- цгеймера. И тау-белок, и белок — предшественник амилои- да выполняют в здоровой клетке свои нормальные Несмотря на то что мы уже много знаем как функции, которые нарушаются у пациентов при о биохимии тау-белка и амилоида, так и о гене- развитии болезни Альцгеймера. Благодаря интен- тических или средовых факторах, повышающих сивным исследованиям патологических форм ами- риск болезни Альцгеймера для отдельных людей, лоида и тау-белка ученые пришли к выводу, что у нас все еще нет способов остановить или замед- в болезни Альцгеймера следует выделать две ста- лить развитие заболевания. Управление по сани- дии. Первая, предсимптоматическая, стадия длит- тарному надзору за качеством пищевых продуктов ся 15–25 лет, в течение которых амилоид накапли- и медикаментов (FDA) США 7 июня одобрило новый вается в самом верхнем слое мозга — коре, не вы- препарат адуканумаб, который убирает амилоид- зывая когнитивных нарушений. На второй стадии ные бляшки из мозга. Однако неясно, насколько в коре образуются тау-клубки, начинается процесс это поможет восстановить утраченные когнитив- нейродегенерации и по мере гибели нейронов про- ные навыки пациентов. По-прежнему требуются являются когнитивные нарушения. и другие процедуры. Недавние открытия, касаю- щиеся микроглии, позволяют создавать новые по- Исследователи, изучающие болезнь Альцгеймера, тенциальные лекарства от этой болезни. Сейчас уже несколько десятилетий знают, что существу- разрабатываются несколько препаратов, и неко- ют генетические факторы, повышающие риск раз- торые уже проходят клинические испытания. вития заболевания у отдельных людей, и эти гены 74 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология Поиск генетических механизмов Многие исследователи болезни Альцгеймера, разочаровавшись из-за неудачных поисков новых методов лечения, обратили свое внимание на такие гены, как TREM2, кодирующий защитный белок, и APOE4, самый главный генетический ф­ актор риска для этого заболевания. Понимание работы данных генов подсказывает новые идеи о том, как помочь более чем 6 млн чело- век в США, живущим с этим трагическим диагнозом. Отличительные признаки болезни Альцгеймера в мозге E Хорошо известные признаки болезни Альцгеймера — это амилоидные бляшки A , тау-клубки B и нейритические бляшки с тау-белком C . Относительно новый подозреваемый — клетки микроглии D , которые вна- чале помогают защитить нейроны, окружая и разрушая амилоидные бляшки. Однако на более поздних стадиях микроглия может создать проблемы, запу- ская воспалительную реакцию, приводящую к накоплению тау-белка, гибели нейронов и когнитивным нарушениям. Еще один тип клеток — астроциты E , которые также отвечают за очистку мозга. Микроглия Астроцит Белок TREM2 D Нейрон A B Амилоидные бляшки Тау-клубки C Нейритические бляшки с тау-белком Illustration by AXS Biomedical Animation Studio Старый Здоровый На 19-й хромосо- Новый подозре­ Ген расположен знакомый: APOE4 Атрофированный ме расположен ваемый: TREM2 на шестой хромо- ген, отвечающий соме. Если в нем APOE4 — аллель гена, за производство TREM2 — генетический есть мутация отвечающего за ме- белка APOE4. Этот фактор риска для бо- R47H, то у получа- таболизм липидов. белок побуждает лезни Альцгеймера, ко- емого белка уже Он кодирует белок, пептиды бета-ами- торый работает в клет- нет такого полез- который выделяют лоида слипаться ках микроглии, где ного действия, клетки микроглии и образовывать кодирует мембранный как в норме. и астроциты. APOE4 — бляшки. Недавние рецептор. У данного Его активность главный генетический исследования по- белка парадоксальное приводит к об- фактор риска для бо- казали, что APOE4 действие, зависящее разованию нейри- лезни Альцгеймера, играет важную от стадии развития тических бляшек развивающейся роль в патологии, заболевания. В на- с тау-белком, в позднем возрас- связанной с болез- чале болезни активация а затем к сильной те. Хотя впервые он нью Альцгеймера, этого сигнального пути нейродегенера- описан в 1993 г., до сих и способствует помогает снизить по- ции и атрофии пор его роль в раз- накоплению опас- вреждения от амилоида мозга. Открытие витии патологии при ного тау-белка, и распространение тау- мутации R47H болезни Альцгеймера что приводит белка. Однако на более пробудило ин- остается не до конца к атрофии мозга поздних стадиях его терес к участию понятной. Новые (показано на по- активация может при- клеток микроглии исследования по- перечном срезе). вести к повреждению в развитии болез- степенно проясняют нейронов и в конечном ни Альцгеймера. ситуацию. счете к их гибели. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 75

Неврология дают полезную информацию о механизмах его раз- ­мембранный клеточный рецептор в микроглии, вития. В первую очередь, с риском развития болез- сильно увеличивает риск болезни Альцгеймера. ни Альцгеймера связан ген APOE. Он кодирует бе- лок аполипопротеин E (APOE), который участвует Благодаря данным, полученным в результате в метаболизме жиров и холестерина. В 1993 г. впер- секвенирования, был обнаружен вариант, в кото- вые выяснилось, что развитие болезни Альцгейме- ром произошла замена аминокислоты гистидина ра может быть связано с одним вариантом (алле- на аргинин. Показано, что эта мутация ухудшает лью) этого гена, который значительно увеличивает функционирование микроглии и повышает риск риск заболевания. У человечества распростране- развития болезни Альцгеймера приблизитель- ны три аллели гена APOE: APOE2, APOE3 и APOE4. но в два-четыре раза. Интересно, что TREM2, как Чаще всего встречается APOE3, в популяции его и несколько других недавно открытых генетиче- доля составляет примерно 78%, затем идут APOE4 ских факторов риска, в мозге работает исключи- (примерно 14%) и APOE2 (примерно 8%). У каждого тельно в микроглиальных клетках. Это позволяет человека есть две аллели APOE, и примерно у 25% предположить, что микроглия может активно уча- людей имеется хотя бы одна аллель APOE4. Однако ствовать в развитии болезни. Но как именно? среди пациентов с болезнью Альцгеймера носители хотя бы одной копии APOE4 составляют 60%. Патрульная служба У людей с одной копией аллели APOE4 риск раз- Микроглия находится в родстве с макрофагами вития болезни Альцгеймера вырастает в два-три иммунной системы, патрулирующими организм, раза, а если этот вариант представлен двумя ко- чтобы бороться с патогенами или помогать рас- пиями, то в 12 раз по сравнению с теми, у кого обе чищать поврежденные ткани. Исследователи вы- копии представлены аллелью APOE3. У носите- яснили, что эти клетки участвуют в очень многих лей APOE4 амилоидные бляшки начинают обра- процессах начиная от борьбы с инфекцией и за- зовываться раньше и более интенсивно, потому канчивая обрезкой в развивающемся мозге лиш- что данный вариант аполипопротеина E ухудша- них синапсов — мест соединения нейронов между ет удаление из мозга бета-амилоида и способству- собой. В нормальных условиях у клеток микроглии ет слипанию белка. И наоборот: аллель APOE2 сни- небольшие тела с похожими на ветви выроста- жает риск развития болезни Альцгеймера и веро- ми, распространяющимися по всей ткани мозга. ятность образования амилоидных патологий. Эти защитные клетки поглощают, или, говоря бо- лее формально, фагоцитируют ненужные синап- Несмотря на то что APOE4 оказывает сильное сы и отходы, а также ищут признаки повреждения влияние, им не объясняется вся генетическая или проникновения патогенов. предрасположенность к болезни Альцгеймера. Ге- нетики не покладая рук искали другие факторы Если повреждение случается, то микроглия ме- риска, которые могли бы объяснить «потерянную няет форму и начинает действовать по-другому. наследуемость». Они использовали достижения Тела клеток увеличиваются, а отходящие от них в технологии генетического секвенирования, что- отростки укорачиваются и уменьшаются в числе. бы проверить тысячи людей и выяснить, какие из- Клетки микроглии мигрируют к месту поврежде- менения в ДНК связаны с большим или меньшим ния и запускают там воспалительную реакцию. риском развития болезни Альцгеймера. На протяжении десятилетий исследователи на- блюдали, как микроглия окружает амилоидные Такой крупномасштабный скрининг выявил бляшки, однако было непонятно, помогает ли она те участки и гены, которые, по-видимому, влия- остановить накопление амилоида или же вызыва- ют на риск развития болезни. Среди прочих это ет вредоносное воспаление. Связь между микро- гены CD33, BIN1, CR1 и MS4A6A, кодирующие бел- глией и тау-белком также не до конца ясна. ки с разными функциями. Например, гены CD33 и CR1 несут информацию для синтеза расположен- В некоторых работах было показано, что микро- ных на поверхности клетки рецепторов, которые глия может повреждать аксоны и синапсы, созда- воспринимают сигналы от других клеток. Данные вая помехи передаче сигналов, в результате чего гены, обнаруженные благодаря скринингу среди в клетках накапливался тау-белок. населения, немного влияют на риск развития за- болевания. Другие исследователи выявили, что воспали- тельные белки цитокины, которые выделяет ми- Исследователи также секвенировали геномы кроглия, значительно усиливают опасный процесс тысяч пациентов с болезнью Альцгеймера, что- гиперфосфорилирования. Открытие таких генети- бы найти редкие аллели, способные оказывать ческих факторов риска, как TREM2 и CD33, указы- сильное влияние на риск заболевания. Некото- вает на конкретные вещества в микроглии, могу- рые из этих генов работают преимущественно щие участвовать в развитии болезни Альцгеймера. в микроглии — главных иммунных клетках моз- Исследователи надеются, что понимание функций га. В 2013 г. два исследования показали, что ред- этих белков позволит глубже разобраться в том, кий генетический вариант TREM2, кодирующий какую роль играет микроглия в патологическом процессе. 76 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология Ценный способ изучения влияния генетических В этой работе найдено еще одно доказательство факторов на изменения в мозге при болезни Альц­ предполагаемой роли микроглии в защите от вре- геймера — эксперименты на мышах. Сегодня су- доносного действия амилоида в небольшой обла- ществуют животные, у которых воспроизведены сти вокруг бляшки. Выяснилось, что микроглия все аспекты этого заболевания (например, есть взаимодействует с концами тонких амилоидных грызуны, в чьем мозге образуются амилоидные волокон, вероятно, останавливая их рост или же бляшки с последующим распространением пата- ограждая окружающие нейроны от пагубного дей- логического тау-белка и сопутствующей нейроде- ствия амилоида. генерацией). Однако исследователи создали не- сколько десятков линий генетически модифици- Вредоносная затравка рованных мышей, у которых присутствуют либо только амилоидные бляшки, либо только клубки Если микроглия не позволяет амилоидным бляш- тау-белка. кам повреждать аксоны, может ли она также за- щитить от тау-белка? Если да, то такие опасные Скрещивая таких трансгенных животных с мы- мутации в гене TREM2, как R47H, должны усу­ шами, сконструированными для изучения гене- гублять патологические проявления болезни Альц­ тических факторов риска болезни Альгеймера, ис- геймера, способствуя образованию нейритических следователи могут определить, с какими именно бляшек с тау-белком. Проверка данной гипотезы характерными для заболевания патологиями свя- пока проблематична, но некоторое подтвержде- заны те или иные аллели. Например, около двух ние этому можно получить из исследований, где десятилетий назад было показано, что у мышей показано, что патологичная форма тау-белка мо- со встроенным человеческим геном APOE4 разви- жет распространяться так же, как аномальные вается больше амилоидных бляшек, чем у мышей, белки при прионных заболеваниях, таких как бо- которым встроили аллели APOE3 или APOE2. Не- лезнь Крейтцфельдта — Якоба, одна из форм кото- давно исследователи определили роль человече- рой вызывает коровье бешенство. ского белка TREM2 в болезни Альцгеймера, удалив ген TREM2 у мышей из линии, моделирующей ами- В течение последних десяти лет исследователи лоидную патологию. В нескольких лаборатори- обнаружили, что и тау-белок, и амилоид прини- ях у таких грызунов неизменно наблюдалось зна- мают аномальную форму так же, как это делают чительное уменьшение количества клеток микро- прионы, под действием «затравки», которая пре- глии вокруг бляшек. вращает нормально свернутый белок в патоло- гичный. Таким образом по мере развития болез- В серии исследований, проведенных в лабо- ни Альцгеймера патологическая форма тау-белка ратории Марко Колонны (Marco Colonna) в Уни- распространяется по связанным областям моз- верситете Вашингтона в Сент-Луисе, было пока- га. В серии исследований, выполненных в лабо- зано, что у мышей, лишенных гена TREM2, ми- ратории Вирджинии Мань-Е Ли (Virginia Man-Yee кроглия не способна правильно ускорить свой Lee) в Пенсильванском университете, было пока- метаболизм. В находящейся рядом с амилоид- зано, что введение в мозг здоровой мыши затрав- ными бляшками микроглии не образовывалось ки в виде слипшихся тау-белков, взятых из мозга достаточное количество аденозинтрифосфата пациента с болезнью Альцгеймера, приводит к не- (АТФ) — вещества, которое обеспечивает энерги- правильному сворачиванию тау-белков и образо- ей клеточную активность. Из-за нехватки энер- ванию нейрофибриллярных клубков. А если у жи- гии клетки микроглии не могли окружить амило- вотных уже имелись амилоидные бляшки, то у них идную бляшку. Затем ученые заметили увеличе- образовывались нейритические бляшки с тау-бел- ние числа вздутых, поврежденных от амилоида ком, повреждающие аксоны. Это напоминало про- аксонов, так называемых дистрофических ней- цесс развития болезни Альцгеймера. И хотя у этих ритов. мышей не наблюдалось значительной нейродеге- нерации, такой подход с введением затравки счи- Такие ключевые изменения — уменьшение чис- тается эффективным методом изучения патоло- ла окружающих бляшки клеток микроглии и уве- гий, связанных и с амилоидом, и с тау-белком. личение повреждения аксонов — были отмечены и при посмертном анализе срезов мозга пациентов В норме тау-белок не участвует в развитии па- с болезнью Альцгеймера, у которых в гене TREM2 тологий, а находится в аксоне, где стабилизирует была редкая мутация R47H, описанная в 2013 г. белковую структуру микротрубочек, которые слу- Это позволило убедиться, что сделанные на мы- жат для транспорта веществ из одной части нейро- шах наблюдения отражают то, как работает ген на в другую. Коллектив под руководством Ли обна- TREM2 у людей. Кроме того, группа ученых под ру- ружил, что в раздутых аксонах около амилоидных ководством Хайме Груцендлера (Jaime Grutzendler) бляшек тау-белок отделяется от микротрубочек, из Йельского университета показала, что чем что делает их потенциально более склонным к ис- меньше микроглии окружило бляшку, тем сильнее кривлению. По сути, эти деформированные аксо- будут повреждены аксоны. ны превращались в плодородную почву, где среди w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 77

Неврология многочисленных амилоидных образований в коре патологии тау-белка, активируются различные могла укорениться затравка из патологического гены, многие из которых кодируют белки, отвеча- тау-белка. ющие за утилизацию ненужных веществ в клетке. В этот период в микроглии сильно увеличилась ак- Поскольку мутация R47H приводит к созданию тивность мышиной версии генетического факто- такого белка TREM2 в микроглии, который уве- ра риска APOE4. Видимо, оба гена, APOE и TREM2, личивает повреждение аксонов, мы решили, что играют важную роль в активации микроглиально- обычная форма белка TREM2 поможет этому ба- го ответа, когда нейроны начинают гибнуть и по- рьеру из защитных клеток, окружающих амилоид- являются первые симптомы. ную бляшку, предотвратить образование клубков на основе затравки из тау-белка или остановить Данное открытие подтолкнуло нас скрестить мы- дальнейшее распространение затравки в сосед- шей, у которых работают разные варианты челове- ние области коры мозга. В исследовании под ру- ческого белка APOE, с модельными мышами, у ко- ководством Шерил Лейнс (Cheryl Leyns) и Мод Гра- торых развиваются и патологии тау-белка, и вы- тузе (Maud Gratuze), работавших тогда в нашей раженная нейродегенерация. В исследовании, лаборатории, тау-затравку из мозга пациента с бо- выполненном сотрудницей нашей лаборатории лезнью Альцгеймера вводили в мозг мышей, у ко- в Университете Вашингтона в Сент-Луисе Ян Ши торых либо были гены нормально функциониру- (Yang Shi), было показано, что у животных из мо- ющего белка TREM2, либо их не было. Оказалось, дельной линии с тау-патологией, у которых рабо- что у мышей без этого белка образовывалось боль- тал ген APOE4, процесс нейродегенерации был на- ше нейритических бляшек с тау-белком и разду- много более интенсивным по сравнению с мыша- тых аксонов. По цепочкам связанных между собой ми, у которых работали гены APOE3 или APOE2. нейронов это повреждение распространялось и на Далее мы оценили интенсивность гибели клеток другие области мозга. у людей с болезнью Альцгеймера и другими ней- родегенеративными заболеваниями, связанными Кроме того, мы использовали линии мышей, по- с накоплением тау-белка. Оказалось, что у носите- лученные в лаборатории Колонны, которые со- лей аллели APOE4 повреждения в мозге были вы- держали либо нормальный ген TREM2, либо ген ражены сильнее, чем у носителей других аллелей. с мутацией R47H. И снова у грызунов с мутаци- ей R47H при введении затравки рядом с амилоид- Кроме того, здоровье пациентов с болезнью Альц­ ными бляшками образовалось больше нейрити- геймера, у которых была аллель APOE4, ухудша- ческих бляшек с тау-белком. Для подтверждения лось быстрее, чем у тех, у кого ее не было. Это стало данных, полученных на мышах, мы изучили и че- для нас неожиданностью, потому что долгое вре- ловеческий мозг — и обнаружили, что у пациен- мя считалось, что основной эффект APOE4 состоит тов с вариантом гена TREM2, связанным с болез- в накоплении большого количества амилоида. Од- нью Альцгеймера, было больше нейритических нако исследования указывают, что APOE4 не толь- бляшек с тау-белком. Из этого мы сделали вывод, ко участвует в регуляции амилоидных патологий, что нормальный белок TREM2 и, возможно, микро- но и определяет скорость гибели нейронов в ответ глия в целом предотвращают накопление амило- на развитие патологий тау-белка. Это значит, что ида и распространение паталогического тау-бел- «ген болезни Альцгеймера», как иногда называют ка по мозгу. APOE4, влияет не только на отложение амилоида, но и на повреждения нейронов вследствие нако- По-видимому, на начальной стадии болезни Альц­ пления тау-белка, то есть на обе главные стадии геймера при высоком содержании амилоидных заболевания. бляшек в коре микроглия предотвращает патоло- гии, связанные с тау-белком. Но защищает ли она Такое более полное представление о гене APOE4 и на симптоматической стадии, когда образуют- привело нас к следующему эксперименту на мы- ся нейрофибриллярные клубки и идет нейродеге- шах. Мы показали, что удаление мышиной версии нерация? В двух важнейших исследованиях, одно гена APOE оказывает сильное защитное действие из которых было выполнено лабораторией под ру- против нейродегенерации, замедляет развитие па- ководством Идо Амита (Ido Amit) в Институте им. тологии тау-белка и, что более важно, замедляет Вейцмана в Реховоте в Израиле, а другое Олегом повреждение мозга, вызванное накоплением тау- Бутовским из Женской больницы Бригама, уче- белка. Если удаление гена APOE оказало нейропро- ные оценили изменения в активности генов ми- тективное действие у мышей, возможно, снижение кроглии на мышах, моделирующих разные ней- содержания белка APOE в человеческом мозге смо- родегенеративные заболевания. Оказалось, что жет замедлить нейродегенерацию, особенно у но- наборы активных генов были удивительно схожи сителей аллели APOE4. между ­собой. В другом эксперименте мы использовали ли- Исследователи обнаружили, что в микроглии нию мышей, моделирующую патологию, связан- мозга мышей с нейродегенеративными поврежде- ную с тау-белком. Кроме того, у этих животных ра- ниями, схожими с теми, которые возникают при ботал ген APOE4. Мы решили проверить, будет ли 78 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология снижение уровня данного варианта аполипопро- с ­патологией тау-белка, которые получили препа- теина защищать от нейродегенерации. Мы сотруд- рат, наблюдалось значительное снижение образо- ничали с компанией Ionis Pharmaceuticals, чтобы вания нейрофибриллярных клубков и нейродеге- использовать антисмысловые олигонуклеотиды — нерации. Это означает, что для нейродегенерации, короткие цепочки нуклеотидов, которые приводят связанной с тау-белком, необходима микроглия. к разрушению матричной РНК (молекулы, которая Такие результаты показывают, что активация в клетке несет инструкцию о синтезе конкретного сигнального пути, начинающегося от рецептора белка). Таким образом можно снизить содержание TREM2, приводит к неоднозначному эффекту: он APOE4 в мозге мыши в два раза. Мы обнаружили, может быть либо защитным, либо разрушитель- что снижение уровня APOE4 в период начала раз- ным — в зависимости от стадии развития заболе- вития патологии, связанной с тау-белком, защи- вания. щало нейроны и ослабляло воспалительную реак- цию и активацию микроглии в мышином мозге. По-видимому, активация сигнального пути, на- чинающегося от рецептора TREM2, на предсим- В целом похоже, что микроглия играет две раз- птоматической стадии и, возможно, в начале сим- личные роли в развитии болезни Альцгеймера. птоматической помогает снизить повреждения, У линии мышей, моделирующей амилоидную па- которые амилоидные бляшки могут нанести сосед- тологию, усиление активности микроглии вокруг ним аксонам и синапсам. Микроглия также пре- бляшек, по-видимому, защищало мозг. Однако пятствует распространению тау-белка по коре го- у линии мышей с патологичным тау-белком нали- ловного мозга. Однако как только разовьется па- чие ненормальных скоплений тау-белка заметно тология тау-белка, активность микроглии может усиливало активность генов микроглии, связан- приводить к потере синапсов и гибели нейронов. ных с процессом нейродегенерации, а присутствие APOE4 приводило к еще более сильной воспали- Если повреждающее действие микроглии, вы- тельной реакции в мозге. Все это свидетельству- явленное у мышей с патологией тау-белка, имеет ет о том, что интенсивная защитная реакция ми- место и у людей с болезнью Альцгеймера (а это все кроглии на патологичный тау-белок усиливает по- еще очень большое допущение), то целесообразной вреждение, а не защищает мозг. тактикой лечения было бы направленное влияние на микроглию. На предсимтоматической и ран- Конечно, корреляция — это не причинно-след- ней симптоматической стадиях, возможно, было ственная связь; и на тот момент из наших иссле- бы разумно стимулировать активность клеток ми- дований не было понятно, вызывает ли у мышей кроглии, особенно в области амилоидных бляшек. с патологией тау-белка, у которых работает ген А на более поздних стадиях болезни, наоборот, по- APOE4, сильный иммунный ответ нейродегене- давление микроглиальной реакции могло бы за- рацию или просто возникает как ответная реак- медлить нейродегенерацию и темпы когнитивных ция. Дальше мы решили проверить, усилит ли по- ухудшений. теря рецептора TREM2 на поверхности клеток ми- кроглии нейродегенерацию и воспаление в мозге. Возможно, по мере того как мы будем узнавать Было бы неудивительно, если бы микроглия помо- больше о поведении микроглии в ответ на патоло- гала защитить нейроны и на этой более поздней гии амилоида и тау-белка, появятся новые мише- стадии заболевания. ни для разработки лечения этого разрушительного заболевания. Сейчас в клинических исследовани- И снова мы провели эксперимент со снижением ях на людях проверяется, действительно ли акти- активности генов. Инактивация гена TREM2 у мы- вация рецептора TREM2 может замедлить течение шей с патологией тау-белка ослабила ответную ре- болезни Альцгеймера на ранних стадиях, и начи- акцию микроглии и уменьшила уровень нейроде- нается разработка множества других лекарствен- генерации. Результаты позволяют предположить, ных препаратов, направленных на клетки ми- что снижение активности клеток микроглии при- кроглии. Если эти подходы будут эффективными, водит к уменьшению повреждения и атрофии моз- то окажется, что именно третье наблюдение, сде- га от патологий тау-белка. ланное Алоисом Альцгеймером во время знамени- того вскрытия, обойденное вниманием по срав- Обоюдоострый меч нению с хорошо известными бляшками и клубка- ми, поможет смягчить ужасное воздействие недуга В двух исследованиях 2019 г. были найдены до- на мозг пациентов. полнительные доказательства того, что актив- ность микроглии может приводить к потере ней- Перевод: М.С. Багоцкая ронов и впоследствии к ухудшению когнитивных процессов. Если ввести мышам препарат, блоки- ИЗ НАШИХ АРХИВОВ рующий действие колониестимулирующего фак- тора 1, важнейшего белка, необходимого для вы- Косик К. Путь вперед // ВМН, № 7, 2020. живания микроглии, то это приведет к потере око- ло 90% микроглиальных клеток в мозге. У ­мышей w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 79

ЗАИКАЮЩИ НЕЙРОБИОЛОГИЯ МОЗГ Photographs by Anthony Francis 80 В мире науkи | [10] октябрь 2021

 ЙСЯ Раньше в этом расстройстве речи обвиняли самого человека или его родителей, но сейчас известно, что оно обусловлено особенностями генов и нервных связей. Благодаря новым открытиям появятся и новые направления для лечения Лидия Дэнуорт Ли Ривз, заикающийся с детства, демонстрирует три звука, вызывающие у него трудности: L (слева), W (в центре) и ST (справа). Если ему удается расслабиться в момент произнесения этих звуков, то он заикается слабее. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 81

Нейробиология ОБ АВТОРЕ Лидия Дэнуорт (Lydia Denworth) — популяризатор науки, пишущий ре- дактор Scientific American, автор книги «Дружба: эволюция, биология и необычайная сила фундаментальной связи жизни» (Friendship: The Evolution, Biology, and Extraordinary Power of Life’s Fundamental Bond, 2020). и Ривз (Lee Reeves) всегда хотел быть ветеринаром. Когда он учился в старших классах школы в Вашингтоне, он пришел в ветеринарную клинику рядом со своим домом, чтобы устро- иться на работу. Было субботнее утро, и врач был загружен работой. В регистратуре ему сказали, что с доктором сейчас нельзя поговорить, он слишком занят. Однако Ривз был на- строен решительно и остался ждать. Через три с половиной часа, завершив осмотр всех собак и кошек, ветеринар вышел и спросил Ривза, что ему нужно. Ривз, заикавшийся с трехлетнего возрас- «Я помню, как, выходя из клиники в то утро, та, отвечал с трудом. «Я как-то справил- думал что, в сущности, моя жизнь кончена. ся с тем, чтобы сказать, что хочу работать, Я не только никогда не стану ветеринаром, и он спросил, как меня зовут, — рассказы- мне даже клетки чистить не дадут». вает Ривз. — Я не смог бы назвать свое имя, даже если бы от этого зависела моя жизнь». С тех пор прошло более 50 лет. Ривз, ко- В итоге ветеринар протянул лист бумаги торому сейчас 72 года, успешно занимает- и предложил Ривзу написать туда имя и но- ся поддержкой людей с нарушениями речи, мер телефона, но сказал, что работы нет. но воспоминания о разочаровании и сму- щении, которые он испытал в тот день, 82 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Нейробиология PA Images and Alamy Stock Photo; White House Photo and Alamy Stock Photo; Michael Melia Alamy Stock Photo; Shawshots and Alamy Stock живы до сих пор. Такие чувства характер- кто не страдает этим недугом, очевидны от- Знаменитые Photo; Everett Collection, Inc., and Alamy Stock Photo; Everett Collection, Inc., and Alamy Stock Photo (from left to right) ны для страдающих от заикания. По сути, личия в нейронных связях, интеграции люди, вынуж- заикание — это нарушение ритмическо- речевой и двигательной систем и в работе денные бо- го течения речи, но из-за физических уси- важнейших нейромедиаторов, в частности роться с заи- лий и эмоциональных эффектов, которы- дофамина. канием (слева ми оно часто сопровождается, наблюдатели направо): ко- ошибочно объясняли это состояние дефек- Существует также и генетическая состав- роль Англии тами голосового аппарата или языка, ког- ляющая: исследователи выявили четыре Георг VI, пре- нитивными проблемами, эмоциональной гена, резко увеличивающих вероятность зидент США травмой или нервозностью, переучивани- появления таких проблем с речью. Подоб- Джо Байден, ем леворуких детей на праворукость и, что но тому как мерцание лампочки иногда воз- актеры Сэ- особенно печально, плохим воспитанием. никает не из-за плохой нити накала, а из‑за мюэл Джек- Психиатры-фрейдисты считали, что заи- неисправности проводки во всей комна- сон, Мэри- кание — «орально-садистский конфликт», те, такие отличия представляют собой то, лин Монро, а бихевиористы утверждали, что если на- что нейробиологи называют «проблемой си- Джеймс Эрл весить на ребенка ярлык «заикающийся», стемного уровня» в мозге. Джонс и Эми- то это усилит проблему. Родителям Ривза ли Блант говорили, что на его заикание не следует об- Благодаря этим нейробиологическим от- ращать внимание, надо подождать — и все крытиям уже появились новые способы ле- пройдет. чения. Сейчас проходят клинические испы- тания препарата, снижающего гиперактив- Подобные мифы и заблуждения были раз- ность дофамина, а также разрабатываются венчаны. За последние 20 лет, и особенно другие лекарства. В нескольких недавних в течение последних пяти-десяти лет все исследованиях показан полезный эффект большее количество исследований указыва- от стимуляции мозга. И, учитывая чрезвы- ют, что заикание имеет биологические при- чайную нейропластичность в очень раннем чины, а именно — нарушение нервно-пси- возрасте, специалисты теперь не рекомен- хического развития. В мире более 70 млн дуют выжидательную стратегию. «Резуль- человек страдают от заикания, и у боль- таты исследований мозга подтверждают, шинства оно началось в раннем возрасте, что желательно заняться этим как можно когда ребенок учился говорить. Исследуя раньше», — говорит специалист по патоло- мозг заикающихся людей, ученые обнару- гии речи Дж. Скотт Ярусс (J. Scott Yaruss) жили тонкие различия как в структуре, так из Университета штата Мичиган. и в функциях, влияющие на гладкость речи. У заикающихся людей по сравнению с теми, Некоторые аспекты заикания остаются загадкой. От данного заболевания страда- ет около 1% взрослых и примерно 5% детей, w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 83

Нейробиология б­ олее чем у 80% которых потом восстанав- ­страдавший от заикания, покончил с со- ливается гладкая речь (так что Ривз дей- бой. «Если мы поймем биологию явления, ствительно вполне мог бы перерасти про- это откроет все возможные пути лечения блему). Ученые, родители, врачи и, глав- и, надеюсь, стигматизация ослабнет», — го- ное, люди, которые сами заикаются, — все ворит Магуайр. хотели бы знать, почему у одних заикание проходит, а у других нет. Лечение иногда От камешков к ПЭТ-сканированию помогает, но, по-видимому, это не дает от- вета на вопрос. Долгосрочные исследова- Заикание известно людям уже несколько ния на детях могут пролить свет на загадку, тысяч лет, оно встречается во всех языках и уже появляются результаты таких работ. и культурах. Помимо Байдена, среди зна- Хотя было выявлено несколько связанных менитых людей, страдавших от заикания, с заиканием генов, их роль в этом расстрой- были греческий оратор Демосфен, клавший стве пока в точности не ясна. в рот камешки для тренировки речи; король Англии Георг VI, чьи необычные логопеди- По мере того как все больше деталей голо- ческие занятия показаны в фильме «Король воломки встают на свои места, исследова- говорит!» (The King’s Speech); актер Сэмюэл тели и врачи надеются, что признание био- Джексон, использовавший ругательства, логических причин заикания поможет из- чтобы улучшить плавность речи. Заика- бавить общество от предубеждений на эту ние отличается от случайных или при- вычных спотыканий в словах. Повторение Нейролептики, слов или пересыпание фраз междометия- блокирующие в мозге ми «м-м-м» или «э-э-э» указывает на затруд- рецепторы к дофамину, нения в планировании речи, в то время как у заикающихся людей речеобразование на- улучшали гладкость рушено на базовом уровне. «Все это наруше- речи у некоторых ния плавности, но не все заикание», — гово- рит Ярусс. Существуют три типа заикания: заикающихся людей, пролонгация, то есть растягивание звука но при приеме этих (м-м-мужчина); повторение слогов или зву- ков (мо-мо-мо-можно); и блокировка, когда препаратов возникал человек вообще не может издать ни звука. риск серьезных Если ребенок продолжает заикаться после восьми лет, он, скорее всего, будет заикать- побочных эффектов, ся всю жизнь. таких как двигательные Ривз описывает, что заикание ощущается нарушения как потеря контроля. «Вы знаете, что и как хотите сказать: слова, фразы, структуру тему. Хотя некоторые люди с заиканием предложения, интонацию, — но внезапно и другими речевыми проблемами вершат застреваете, — объясняет он. — Вы не мо- великие дела, например президент Джо жете продвинуться дальше, не можете вер- Байден, которому с трудом удавалось го- нуться назад. Все мышцы как будто забло- ворить, и поэтесса Аманда Горман, читав- кированы». шая свои стихи на его инаугурации в на- чале года, но другие сталкиваются с боль- Впервые предположение, что заика- шими сложностями. Многие заикающиеся ние может иметь неврологические причи- имеют работу, не соответствующую их ква- ны, возникло в 1928 г. Врач Сэмюэл Ортон лификации, и страдают от социальной тре- (Samuel Orton) и специалист по патологии воги и расстройств настроения. Психиатр речи Ли Трэвис (Lee Travis) предположили, и нейробиолог из Медицинской школы Ка- что заикание возникает в результате конку- лифорнийского университета в Риверсай- ренции между двумя полушариями мозга. де Джеральд Магуайр (Gerald Maguire) сам «Они были на верном пути», — говорит Ма- заикается. Он посвятил свою карьеру изу- гуайр. Но выявить неврологические особен- чению этого состояния и разработке фар- ности заикающихся людей удалось только макологического лечения. Его брат, тоже после появления сложных методов нейро- визуализации в 1990-х гг. В 1995 г. Магуайр с коллегами опубликовали работу, в кото- рой проблема впервые исследовалась с по- мощью позитронно-эмиссионной томогра- фии (ПЭТ). Исследователи просканировали 84 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Нейробиология Нейробио- Премоторная кора логические механизмы Дополнительная моторная область заикания Предополнительная моторная область Вентральная моторная кора Речь — одна из наиболее слож- Вентральная соматосенсорная кора ных форм человеческого поведе- Зона Вернике ния, зависящая от миллисекундной Дуго­ координации разных частей моз- образный га. Показано, что заикание связано пучок с нарушениями в волокнах, переда- Стриатум ющих нервные импульсы из одной Зона Брока Вентролатеральное ядро таламуса области в другую. В формировании Вентральное переднее ядро таламуса речи задействованы три группы об- Бледный шар ластей: в таламусе переключают- ся сенсорные сигналы, базальные ядра координируют дви- жения, а кора голов- ного мозга занима- A ется мышлением Кора головного мозга и интеграци- ей сенсорных Когнитивные области и моторных Сенсорные области сигналов. Моторные области Ретикулярная часть черной субстанции CC B Таламус Существует множество связей внутри этих областей и между ними. В коре A важнейшую роль играет дугообразный пучок, у заикающихся Базальные ядра людей в нем есть нарушения. Другие сбои, по-видимому, происходят в базальных ядрах B и в сети, объединяющей все эти области, — кор- C тико-базальноядерно-таламокортикальной петле C . Source: “Involvement of the Cortico-Basal Ganglia-Thalamocortical Loop in Developmental Stuttering,” by Soo-Eun мозг четырех заикающихся людей и сооб- В новейших исследованиях с использова- Chang and Frank H. Guenther, in Frontiers in Psychology, January 28, 2020 (loop reference); Illustration by Body Scientific щили о постоянном снижении нервной ак- нием высокотехнологичных сканеров и про- тивности в областях, связанных с речью. двинутых методов анализа подтверждает- В другом раннем небольшом исследовании ся то, что было обнаружено в более ранних был обнаружен повышенный уровень дофа- работах. У большинства людей речь обеспе- мина в стриатуме, важнейшей части систе- чивается преимущественно левым полу- мы вознаграждения мозга. шарием. У заикающихся взрослых по срав- нению с не заикающимися наблюдалась Опираясь на это исследование, ученые меньшая активность в связанных с речью протестировали нейролептики, блокиру- областях левого полушария и б   льшая ак- ющие рецепторы к дофамину, и оказалось, тивность в правом полушарии. Например, что лекарства улучшали гладкость речи когнитивный нейробиолог Кейт Уоткинс у некоторых людей, но при приеме данных (Kate Watkins) из Оксфордского универси- препаратов возникал риск серьезных по- тета обнаружила, что вентральная премо- бочных эффектов, таких как двигательные торная кора — область в левом полушарии, расстройства, характерные для паркинсо- расположенная рядом с речевыми зона- низма. Однако оставалось много скепти- ми, — не активируется у заикающихся лю- ков, которые были убеждены, что заика- дей, когда они говорят. ние не связано с работой мозга. Магуайр вспоминает, что, когда в конце 1990-х гг. Данный участок находится непосред- он на научной конференции представил ственно над важным проводящим пуч- свою теорию о заикании как расстройстве ком белого вещества, связывающим слу- на уровне мозга, его чуть ли не освистали. ховую зону с областями, отвечающими w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 85

Нейробиология за ­контроль движений. В этом проводящем Что касается работы мозга, то у людей, ко- пути Уоткинс с соавторами обнаружили торые заикаются, по-видимому, недоста- у людей с заиканием структурные отличия. точно хорошо функционирует кортико-ба- Белое вещество образовано аксонами — зальноядерно-таламокортикальная петля, длинными нервными отростками, передаю- обеспечивающая интеграцию слуховой, ре- щими импульсы. «Это все кабели и провода, чевой и моторной информации. Как следу- которые обеспечивают взаимодействия», — ет из названия, эта нервная цепь объеди- говорит Уоткинс. няет подкорковые структуры — базальные ядра (к которым относится стриатум) и та- Такие взаимодействия должны происхо- ламус — с участками коры, расположен- дить точно в нужный момент. Для этого ак- ной на поверхности мозга. «Среди тех дви- соны покрыты изоляционным слоем мие- гательных актов, которые мы выполняем, лина, жироподобной субстанцией, которая самый сложный — это речь, — говорит ней- ускоряет передачу сигнала. Хорошо миели- робиолог Су Ын Чан (Soo-Eun Chang) из Ми- низированные волокна обычно идут парал- чиганского университета. — Она зави- лельно друг другу, как волокна в черешках сит от миллисекундной координации меж- сельдерея. Но при сканировании мозга ме- ду нервными путями и мышцами. Помимо тодом диффузионной МРТ видно, что у заи- прочего, петля обеспечивает плавный и сво- кающихся людей аксоны чаще перекрещи- евременный запуск двигательной последо- ваются. вательности». «Среди двигательных Пока точно не ясно, почему происходит актов, которые мы сбой, но даже незначительные нарушения выполняем, самый могут приводить к затруднениям с речью. сложный — это «Все указывает на то, что базальные ядра речь. Она зависит действуют как коммутатор, — говорит Ма- от миллисекундной гуайр. — Если что-то на этом пути наруше- но, может возникнуть заикание». координации между нервными путями Возможно, сбои такого рода вызывают за- и мышцами». икание. Однако они могут быть и компен- саторными изменениями, результатом по- Нейробиолог Су Ын Чан пыток мозга приспособиться к проблемам, (Мичиганский университет) вызывающим заикание. Чтобы отличить причину от следствия, Чан работает с бо- Более того, жидкость и нейромедиаторы лее 250 детей, наблюдение начинается с их должны проходить по аксонам белого веще- трехлетнего возраста и длится на протяже- ства так же, как вода двигалась бы по парал- нии как минимум четырех лет. Некоторые лельным волокнам сельдерея. При скани- из них избавляются от заикания, другие — ровании мозга для оценки этого потока ис- нет. пользовали показатель, который называется «фракционная анизотропия» (ФА): чем она В 2017 г. Чан с коллегами сообщили, что выше, тем плотнее организовано белое веще- в начале у заикающихся детей наблюда- ство. У заикающихся людей стабильно на- лась недостаточная целостность белого ве- блюдались более низкие значения ФА в этом щества в пучке, соединяющем слуховую нервном тракте. По мнению Уоткинс, это оз- и моторную области левого полушария. Од- начает, что те области мозга, куда поступа- нако у детей, избавившихся от заикания, ет информация по белому веществу, иногда со временем целостность белого вещества не получают сигнала и не активируются. улучшилась. «Этот показатель увеличился (У заикающихся людей наблюдались анало- и нормализовался у выздоравливающих де- гичные изменения и в других участках бело- тей и остался прежним или даже ухудшил- го вещества, например в мозолистом теле, со- ся у тех, у кого заикание сохранилось», — единяющим полушария мозга между собой.) поясняет нейробиолог. У детей и взрослых, страдающих от за- икания, она обнаружила нарушения в ле- вой части мозга. У взрослых с правой сто- роны наблюдалась также гиперактивность: предположительно, это адаптивные измене- ния, возникающие в более позднем возрас- те. По словам Чан, главный вопрос заключа- ется в том, существуют ли в самом раннем 86 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Нейробиология возрасте заметные различия между теми Все выявленные до сих пор гены связаны детьми, которые затем избавятся от заи- с внутриклеточным транспортом, то есть кания, и теми, у которых оно сохранится. переносом молекул внутри клеток. В ис- «Было бы важно иметь признак, по которо- следовании 2019 г. Драйна с коллегами му можно достоверно судить, кто подверга- выяснили, что у мышей, имеющих мута- ется максимальному риску сохранения заи- цию в гене GNPTAB, вокализация сопрово- кания», — отмечает исследовательница. ждалась ненормально длинными паузами, так же как при заикании. У этих живот- Все дело в семье ных исследователи обнаружили снижен- ное количество астроцитов, клеток голов- В значительной степени такой риск пе- ного мозга, обычно в изобилии присут- редается по наследству, через родитель- ствующих в состоящих из белого вещества ские гены. Изучение близнецов и прием- проводящих путях, соединяющих два по- ных детей показывает, что гены объясняют лушария. Возможно, недостающее зве- 42– 85% риска появления заикания. У одно- но между генетикой и неврологией заи- яйцевых близнецов значительно больше об- кания — это лизосомы, занимающиеся щих генов, чем у разнояйцевых, и в одном удалением отходов из клеток, и мутации исследовании если заикание было у одно- в соответствующих генах влияют именно го близнеца, то оно наблюдалось у второ- на работу лизосом. го в 63% случаев, когда близнец однояйце- вой, и в 19% случаях, когда разнояйцевой Покончить со стигматизацией того же пола. Оставшаяся часть риска мо- жет быть связана с условиями среды (один Наличие генетических причин у заикания из признаков существования такого негене- не означает, что его нельзя лечить. Прово- тического влияния — то, что не всегда одно- дятся новые исследования, совершенству- яйцевой близнец тоже заикается), причем ются фармакологические подходы. Магуайр некоторые факторы среды могут действо- с коллегами считают, что на сегодня мак- вать в сочетании с генетической предраспо- симальные перспективы имеет использо- ложенностью. Однако что это за факторы — вание препаратов, снижающих активность точно не известно. дофамина в определенных областях мозга. В частности, именно такой эффект имеют Благодаря работе, которую генетик Дэн- нейролептики. Магуайр провел успешные нис Драйна (Dennis Drayna) из Нацио- испытания рисперидона, оланзапина и лу- нального института глухоты и других рас- разидона, все они уменьшали тяжесть за- стройств коммуникации начал около 20 лет икания. Но ни один из них не получил одо- назад, были идентифицированы некоторые брения Управления по санитарному над- связанные с заиканием гены. Драйна побы- зору за качеством пищевых продуктов вал в Пакистане, где приняты браки между и медикаментов (FDA) США. К сожалению, двоюродными братьями и сестрами, из-за эти препараты могут давать нежелательные чего могут проявляться скрытые генетиче- побочные эффекты, такие как набор веса ские проблемы. «Легко удалось найти боль- и двигательные нарушения. Однако неко- шие семьи, в которых было очень много слу- торые люди, и сам Магуайр в том числе, их чаев заикания», — рассказывает ученый. принимают. В 2010 г. Драйна с коллегами сообщи- Сейчас Магуайр проводит крупномас- ли о трех найденных генах. С заиканием штабное клиническое исследование препа- были связаны мутация в GNPTAB (ранее рата под названием «экопипам», который выяснилось, что этот ген участвует в раз- также тестируется для лечения синдрома витии серьезного генетического заболева- Туретта. По сравнению с более ранними ния, не имеющего отношения к заиканию), лекарствами экопипам взаимодействует GNPTG и NAGPA. А затем Драйна получил с другим набором дофаминовых рецепторов. вопрос через интернет от мужчины из Ка- В небольшом предварительном исследо- меруна, который сообщил о большом коли- вании препарат улучшал плавность речи честве заикающихся в своей семье, — позже и качество жизни и не имел явных побоч- генетик встретил 71 человека из этой семьи, ных эффектов. Однако любое фармаколо- и 33 из них заикались. Это позволило выде- гическое лечение заикания, которое будет лить четвертый ген, AP4E1. (Информации одобрено FDA, вряд ли подойдет всем. «Я ду- о пятом гене пока опубликовано не было.) маю, что будущее за персонализирован- Драйна говорит, что вместе эти гены объяс- ной медициной, определением, что на са- няют в лучшем случае 20– 25% случаев за- мом деле происходит с каждым конкретным икания. w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 87

Нейробиология ч­ еловеком, — говорит Магуайр. — Сейчас изнурительной учебы в аспирантуре по фи- выясняется, что заикание на самом деле зике. Тревога и стресс не вызывают заика- не имеет единой причины». ние, но могут его усиливать. Стимуляция мозга слабым электрическим Сейчас у Морони умеренное заикание, током также кажется многообещающим раньше оно было сильнее. Ей повезло найти подходом. В Оксфорде Уоткинс сочетает не- начальника, интересующегося только каче- инвазивную транскраниальную стимуля- ством ее работы, которая заключается в из- цию с использованием известных страте- учении облаков и их роли в климатической гий получения плавности речи, таких как системе. Морони принимает нейролептик чтение хором или произнесение речи с ме- оланзапин, не одобренный для лечения за- трономом. икания: «Это просто немного облегчает по- вседневную жизнь». Но в действительности Уоткинс показала, что в группе, которая жизнь Морони изменилась, когда она присо- проходила такое комбинированное лечение, единилась к группе, которую она называет доля повторяющихся или растягиваемых «моя заикающаяся семья». «Это может пока- слогов, или некоторых других признаков за- заться нелогичным, но конференция заика- икания снизилась с 12% до 8%. В контроль- ющихся — самое шумное место в мире, — ной группе, не получавшей стимуляцию, рассказывает Морони с улыбкой. — Никто изменений не произошло. С учетом малень- никогда не замолкает. Возможность побыть кого объема выборки и небольшой продол- несколько дней в большинстве дает ощуще- жительности лечения (пять дней) даже это- ние свободы». го достаточно, чтобы предположить, что Уоткинс что-то обнаружила. Ли Ривз, бывший председатель Нацио­ нальной ассоциации заикания и один Добавление стимуляции мозга к логопе- из первых сторонников движения самопо- дическим занятиям может улучшать об- мощи при заикании, с этим полностью со- учение. «При помощи стимуляции мы как гласен. Логопедические занятия улучшили бы укрепляем этот путь, заставляем его ра- плавность его речи, но их успешность аб- ботать более эффективно», — говорит Уот- солютно точно связана с тем, что его лого- кинс. На данный момент если заикающие- пед был клиническим психологом, занима- ся люди захотят лечиться, то единственный ющимся психическим стрессом, связанным доступный для большинства из них спо- с заиканием. «Я научился заикаться на при- соб — традиционные логопедические заня- емлемом для меня уровне», — говорит Ривз. тия. Обычно они состоят из речевых трени- ровок и обучения заикающегося эффектив- Заикание не помешало ему стать вете- ному общению. Такие занятия могут давать ринаром. Через три недели после его при- хороший результат, но не всегда продолжи- хода в ветклинику ветврач Питер Мална- тельный, у большинства людей в какой-то ти (Peter Malnati) позвонил Ривзу и пред- момент возникает рецидив. ложил работу. Ривз проработал в клинике пять лет, пока учился в школе и колледже, Однако в последние годы поменялись цели в итоге он стал ветеринаром, специализи- при лечении заикания. Вместо попыток ис- рующимся на лечении мелких животных, коренить проблему стараются облегчить и долгое время работал в Плейно, штат Те- ее принятие и научить контролировать. хас. Дни разочарования и смущения для «Очень важно научиться преодолевать труд- него давно прошли. «Я все еще заикаюсь. Я ности», — говорит Ярусс. Он сравнивает это заикался вчера и заикаюсь сегодня, — гово- с катанием на коньках. Когда вы впервые рит Ривз. — И надеюсь, что буду заикаться надеваете коньки и выходите на лед, вы топ- завтра, потому что это будет означать, что четесь на месте и чувствуете, что скользи- я все еще жив». те и падаете. Но когда вы сможете не боять- ся ощущения скольжения, вы начнете дей- Перевод: М.С. Багоцкая ствовать более умело. ИЗ НАШИХ АРХИВОВ Такое смещение акцентов можно только приветствовать. Кэтрин Морони (Catherine Verbal Bottleneck. Katrin Neumann; Scientific American Moroney) 54 года, она физик и програм- мист в Лаборатории реактивного движения Mind, October 2006. NASA. По ее словам, в детстве она в принци- пе не могла добиться, чтобы ее поняли. Ло- гопедические занятия значительно улуч- шили плавность ее речи, но лишь времен- но. Она завершила лечение как раз во время 88 В мире науkи | [10] октябрь 2021



Illustration by Richard Borge Квантовые вычисления 90 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Квантовые вычисления КвантовоеКВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ будущее химии Квантовые компьютеры выведут молекулярное моделирование на новый уровень точности, уменьшив зависимость ученого от счастливого случая Жаннетт Гарсиа w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 91

Квантовые вычисления ОБ АВТОРЕ Жаннетт Гарсиа (Jeannette M. Garcia) — старший управляющий Группы квантовых технологических платформ, алгоритмов и теории компании IBM Research. Исследования ее команды сфокусированы на практиче- ском использовании вычислительной математики и теории квантовых вычислений. воей карьерой химика я в огромной степени обязана удаче. В 2012 г. я оказалась в нужном месте (в исследовательской ла- боратории компании IBM в Альмадене, штат Калифорния) в нужное время — и совершила «ошибку». Чтобы получить из- вестный продукт, мне следовало смешать в лабораторном ста- кане три компонента. Задачей было заменить один из обычных компонентов его версией, полученной из отходов пластика, чтобы повысить экологичность прочных пластиков, называемых термореактивными пластмассами. Вместо этого, когда я смешала два компо- ­добиться ­научного прогресса, то необходи- нента, в стакане образовалась белая твер- мо получить возможность точно моделиро- дая полимерная субстанция. Она была на- вать ее. В частности, если нам следует до- столько прочной, что для того чтобы выта- стичь серьезного продвижения в области щить ее, пришлось разбить стакан. Более химии, нам необходимо научиться пони- того, после пребывания в течение ночи мать энергетику химических реакций с вы- в разбавленной кислоте она снова превра- сокой степенью достоверности. В этом нет тилась в исходные вещества. Совершенно ничего нового, просто подчеркивается глав- случайно я открыла новое семейство пере- ное ограничение: предсказание свойств рабатываемых термореактивных полиме- даже простых молекул с абсолютной точно- ров. Сочти я это неудачным экспериментом стью выходит за пределы возможностей са- и не продолжи дальнейшие исследования, мых мощных компьютеров. Именно здесь мы бы так никогда и не узнали о том, что в ближайшие годы квантовые вычисления получили. Это было научное везение в его открывают перспективу достижения значи- лучшем виде, в русле благородной традиции тельных успехов. Роя Планкетта (Roy Plunkett), который, за- нимаясь химией охлаждающих газов, слу- Моделирование химических реакций чайно изобрел тефлон. на классических компьютерах требует ап- проксимации, поскольку они не в состоя- Сегодня передо мной новая цель: умень- нии точно рассчитать квантовое поведение шить роль интуиции и счастливого слу- более чем пары электронов: вычисления чая в открытии новых химических ве- слишком объемны и занимают слишком ществ. Такие стоящие перед нами пробле- много времени. Каждое приближение сни- мы, как климатический кризис и COVID-19, жает ценность модели и увеличивает объем настолько серьезны, что наш ответ не мо- лабораторной работы, которую должны вы- жет зависеть от одной лишь удачи. Природа полнить химики, чтобы проверить и напра- сложна и могущественна, и если мы хотим вить модель. А вот квантовые ­вычисления 92 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Квантовые вычисления работают по-другому. Каждый кванто- рост химических данных, полученных с по- вый бит, или кубит, может отображаться мощью экспериментов, проводимых одним на спиновые орбитали конкретного элек- из методов проб и ошибок, который получил трона; квантовые компьютеры могут ис- название «высокопроизводительный скри- пользовать квантовые явления, такие как нинг», позволил создать хорошо разрабо- квантовая перепутанность, для описания танные химические модели. Промышлен- электрон-электронных взаимодействий ное использование этих моделей включает без каких-либо аппроксимаций. Квантовые в себя разработку новых лекарств и матери- компьютеры сегодня достигли такого уров- алов. ня, когда с их помощью можно начать мо- делирование энергетики и свойств неболь- Ограничивающий фактор подобных моде- ших молекул, таких как гидрид лития, что лей — необходимость упрощения. На каж- открывает возможности построения моде- дом этапе моделирования необходимо вы- лей, которые обеспечат более короткий путь брать ту или иную область, в которой можно к открытиям, нежели те, что мы использу- пожертвовать точностью, чтобы не выйти ем сейчас. за пределы вычислительных возможностей компьютера. На нашем языке это означа- Моделирование химических реакций Квантовые компьютеры сегодня достигли такого Квантовая химия как отдельная дисципли- уровня, когда с их помощью на не нова. В начале XX в. немецкие химики, можно начать моделирование такие как Вальтер Хайтлер (Walter Heitler) энергетики и свойств и Фриц Лондон (Fritz London), показали, что небольших молекул, таких как ковалентную связь можно объяснить с по- гидрид лития мощью квантовой механики. В конце XX в. с ростом производительности доступных ет работать с так называемыми крупнозер- химикам вычислительных машин модели- нистыми моделями. Каждое такое упроще- рование элементарных классических си- ние снижает общую точность вашей модели стем нашло практическое применение. и ограничивает ее возможности для поис- ка новых открытий. Чем грубее данные, тем При этом, когда я работала над своей дис- более трудоемкой будет ваша работа в лабо- сертацией в середине 2000-х гг. в Бостон- ратории. ском колледже, мало кто из химиков, про- водивших опыты в лабораториях, обладал Квантовый подход совершенно иной. функциональными знаниями о том, что мо- В своем чистом виде квантовые вычисления гут делать компьютеры в деле химического позволили бы нам моделировать природу моделирования. Дисциплины (и необходи- такой, какая она есть, без каких-либо при- мый набор навыков) были разными. Вместо ближений. Часто цитируется высказывание того чтобы вникнуть в суть вычислитель- Ричарда Фейнмана «...природа не классиче- ного подхода, проводившие опыты в лабо- ская, черт возьми, и если вы хотите ее моде- раториях химики придерживались стра- лировать, то лучше воспользоваться кван- тегии проб и ошибок, зачастую полагаясь тово-механической моделью». В последние при этом не только на свои знания и опыт, годы мы наблюдаем стремительный рост но и на удачу. Мне посчастливилось рабо- мощности квантовых компьютеров. Ком- тать в исследовательской группе Амира Хо- пания IBM в 2020 г. дважды удвоила «кван- вейды (Amir Hoveyda), который давно осоз- товый объем» своего компьютера — показа- нал важность сочетания эксперименталь- тель количества и качества кубитов в систе- ных и теоретических исследований. ме — и планирует к 2023 г. произвести чип с более чем 1 тыс. кубитов. Для сравнения: Сегодня теоретические исследования в 2016 г. их количество характеризовалось и моделирование химических реакций для однозначными числами. Промышленные понимания экспериментальных результа- компании тоже уверенно заявляют о мощ- тов стали обычным делом — в результате ности и возможностях своих [квантовых] того, что теоретическая дисциплина ста- машин. новится все более изощренной и химики, проводящие эксперименты в лаборатори- ях, постепенно начинают использовать эти модели в своей работе. Выходные данные моделей обеспечивают эффективную петлю обратной связи для новых открытий в лабо- ратории. Возьмем один пример: ­взрывной w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 93

Квантовые вычисления Закладка фундамента мы применяем квантовый метод для моде- лирования отдельных актов взаимодей- Пока мы расширили сферу использования ствия, таких как химия в активном центре квантовых компьютеров для моделиро- фермента, непосредственное взаимодей- вания энергий, относящихся к основным ствие между молекулой растворителя и по- и возбужденным состояниям молекул. Тако- лимерной цепью или водородная связь в не- го рода вычисления приведут нас к возмож- большой молекуле. Мы по-прежнему будем ности исследовать множество различных допускать приближения в некоторых ча- путей реакций, а также молекулы, реагиру- стях модели, но добьемся гораздо большей ющие на свет. Кроме того, мы использовали точности в наиболее четко выраженных ча- их для моделирования дипольного момен- стях реакции. та в небольших молекулах — и это шаг в на- правлении понимания того, как электроны Мы уже добились значительного прогрес- распределены между атомами в химической са в изучении возможности встраивания связи, что также может рассказать нам кое- расчета квантово-электронной структуры что о том, как эти молекулы будут вступать в классически вычисляемую среду. Этот под- в реакции. ход имеет множество практических прило- жений. Более быстрый прогресс в области Заглядывая вперед, мы начали закладку полимерных цепей мог бы помочь нам ре- основ для будущего моделирования хими- шить проблему загрязнения пластиком, ко- ческих систем с помощью квантовых ком- торая еще больше обострилась после того, пьютеров и исследовали различные типы как Китай сократил импорт перерабатыва- вычислений для различных типов молекул, емых материалов. Энергетические затра- которые сегодня можно решить на кванто- ты на переработку отходов в США остаются вом компьютере. Например, что происхо- относительно высокими; если бы мы смогли дит, когда в системе присутствует неспа- разработать пластмассы, которые легче пе- ренный электрон? Это добавляет молекуле рерабатывать, можно было бы значительно спин, что значительно усложняет вычисле- сократить количество отходов. Если отвлечь- ния. Как откорректировать алгоритм, что- ся от пластмасс, потребность в материалах бы он соответствовал ожидаемым результа- с более низкими выбросами углекислого газа там? Подобного рода работа позволит нам становится все более острой и возможность когда-нибудь взглянуть на свободные ра­ производить такие вещества, как реактивное дикалы — молекулы с неспаренными элек- топливо и бетон, уменьшив выбросы диокси- тронами, которые, как известно, сложно да углерода, критически важна для сокраще- анализировать в лаборатории или модели- ния его глобальной эмиссии. ровать на классических компьютерах. Следующее поколение химиков, выпуск- Разумеется, всю эту работу можно воспро- ников высшей школы, сегодня обладает извести на классических компьютерах. Тем большими возможностями по обработке не менее все это было бы невозможно про- данных, которые в 2000-х гг. нельзя было делать с квантовой техникой, существовав- и представить. Но ограничения потенци- шей еще пять лет назад. Прогресс послед- ала обработки данных имеют физический них лет позволяет надеяться, что в недале- характер: классические компьютеры про- ком будущем квантовые вычисления могут сто не в состоянии справиться с уровнем стать мощным катализатором открытий сложности структуры даже таких обычных в области химии. веществ, как кофеин. В этом динамичном мире никакая скорость обработки данных Я не имею в виду будущее, в котором хи- не сможет заменить интуицию и счастли- мики просто вводят в квантовое устрой- вый случай; чтобы добиться больших успе- ство алгоритм и получают готовый набор хов, вам понадобится удача. Однако если данных, позволяющих сразу же сделать от- будущие химики возьмут на вооружение крытие в лаборатории. То, что представля- квантовые компьютеры, они, скорее всего, ется возможным (а может быть, и уже воз- окажутся гораздо более везучими. можно), — это включение квантовых моде- лей в качестве шага в существующие схемы, Перевод: А.П. Кузнецов работа которых в настоящее время базиру- ются на классических компьютерах. При ИЗ НАШИХ АРХИВОВ таком подходе мы используем классиче- ские методы для требующей больших вы- Лукин М., Монро К., Шелькопф Р. Квантовые связи // числительных ресурсов части модели. Это могло бы включать фермент, цепь полиме- ВМН, № 7, 2016. ра или металлическую поверхность. Затем 94 В мире науkи | [10] октябрь 2021



50, 100, 150 лет тому назад ОКТЯБРЬ 1971 к самке. Часто он садится неуверенно, двигая свои- Scientific American, Vol. 225, No. 4; October 1971 ми усиками-антеннами примерно так же, как опе- Пионеры Юпитера. Два косми- ратор поворачивает рамку радиопеленгатора, что- бы обнаружить направление на передатчик, испу- ческих зонда весом 254 кг гото- скающий сигнал. вят к самому продолжительно- Примечание: в настоящее время исследования по- му из предпринятых когда-либо казывают, что самцы бабочки чувствуют запах полетов: экспедиции к Юпите- выделяемых самками феромонов. ру. На «Пионере F» и «Пионере G» будет по 11 научных прибо- ОКТЯБРЬ 1871 ров. Путешествие продлится 19–32 месяца, за это время они Табачные болезни. Есть много пролетят 600–900 млн км. Каждый из космических аппаратов проведет около четырех дней в непо- доводов за и против табака. Тот, средственной близости от самой большой планеты кто пристрастился жевать, по- Солнечной системы. Цифровые данные будут пере- требляет примерно 28 г в неде- даваться на Землю со скоростью 1024 бит/с и при- лю. В год это около 8 кг сушеных ниматься тремя параболическими антеннами диа- листьев, смешанных с песком, метром 64 м: одна в Калифорнии, одна в Австралии стеблями, неочищенной пато- и одна в Испании. Электроэнергия будет обеспечи- кой, оливковым маслом, грязью ваться плутониевыми термоэлектрическими гене- и мусором. Представитель Госу- раторами мощностью 40 Вт в начале экспедиции. дарственного стоматологического общества заявил, что табак разрушительно воздействует на зубы как Кабельное телевидение. В начале 1971 г. в США механически, так и химически. В официальных от- четах Больницы Гая и Больницы Св. Варфоломея было 2,5 тыс. систем кабельного телевидения, об- указано, что во всех случаях рака ротовой поло- служивающих 5,5 млн абонентов. Сначала это была сти пациент курил трубку. Можно проследить связь простая схема подачи телевизионного сигнала хо- с табаком потери аппетита, дурных снов, головокру- рошего качества в дом, в котором сигнал был пло- жения, несварения, чахотки, бесплодия и болезней хой или не принимался вообще, получившая назва- нервной системы. ние «общественное телевидение с общей антенной», или CATV. Сегодня кабельное ТВ может предоста- Уходящая натура. Спустя 44 года после погребе- вить абоненту гораздо больше каналов, чем имеет- ся программ. Все системы, созданные за послед- ния останки итальянского патриота, поэта и уче- ние три года, имеют не менее 12 каналов. Разрабо- ного Уго Фосколо (Ugo Foscolo) были эксгумированы тана техника передачи до 80 черно-белых каналов, на кладбище в английском Чизике. Тело оказалось но все больше становилось цветных. Ограничение нетронутым, а черты безупречными. Бакенбарды в самом приемнике: без дополнительного оборудо- все еще были на месте. Его кожа, теперь бледно-се- вания стандартные домашние телевизоры не могут рого цвета, осталась не сморщенной, ткани также принимать более 12 цветных каналов. не повреждены. С целью написания историческо- го полотна синьор Кальдези сфотографировал тело ОКТЯБРЬ 1921 в гробу, который был снова закрыт и официально опечатан. Используют ли мотыльки ра­ диосвязь? Как бабочка привле- Лунный камень (1971). Размер кристалла пи- кает самцов? Это не запах, по- роксена (на фото уве- тому что самцы летят по ветру личен), подобранного туда, где находится самка. Дру- во время экспедиции гое предположение — самцов «Аполлона-12» — око- привлекает звук, но самку ки- ло 2/3 мм сверху вниз. стехвостки поместили в звуко- Желтая сердцевина — непроницаемую коробку и сам- пижонит с низким со- цы по-прежнему ее находили. Недавно было вы- держанием кальция; сказано предположение, что мотыльки общаются розовая и пурпурная с помощью электромагнитных волн очень короткой области — богатый длины. Вероятно, самые чувствительные органы, кальцием авгит; зеле- которыми обладают бабочки, — это их усики. Уси- ные зоны — богатый ки самки (передатчик) отличаются от усиков самца железом геденбергит. (приемника). Этот очень похоже на конструкцию ра- диоаппаратуры. Еще один любопытный момент — характер поведения самца, когда он приближается 96 В мире науkи | [10] октябрь 2021

ESTABLISHED 1845 Editor in Chief: Laura Helmuth Editors Emeriti: Mariette DiChristina, John Rennie Copy Director: Maria-Christina Keller Creative Director: Contributing Editors: Gareth Cook, Lydia Denworth, Ferris Jabr, Anna Kuchment, Managing Editor: Michael Mrak Chief Features Editor: Ricki L. Rusting Robin Lloyd, Melinda Wenner Moyer, George Musser, Ricki L. Rusting Chief News Editor: Chief Opinion Editor: Seth Fletcher Art Contributors: Edward Bell, Zo Christie, Lawrence R. Gendron, Nick Higgins Senior Editors: Dean Visser Michael D. Lemonick Art Director: Jason Mischka Associate Editors: Mark Fischetti, Josh Fischman, Clara Moskowitz, Madhusree Mukerjee, Jen Schwartz, Kate Wong Senior Graphics Editor: Jen Christiansen Gary Stix, Lee Billings, Sophie Bushwick, Andrea Thompson, Tanya Lewis, Sarah Lewin Frasier President: Dean Sanderson Executive Vice President: Michael Florek Vice President, Commercial: Andrew Douglas Publisher and Vice President: Jeremy A. Abbate © 2021 by Scientific American, Inc. Оформить подписку на журнал «В мире науки» можно: в почтовых отделениях по каталогам: по РФ и странам СНГ: «Роспечать», подписной индекс: ООО «Урал-Пресс», 81736 — для физических лиц, www.ural-press.ru 19559 — для юридических лиц; СНГ, страны Балтии и дальнее зарубежье: «Почта России», подписной индекс: ЗАО «МК-Периодика», 16575 — для физических лиц, www.periodicals.ru 11406 — для юридических лиц; РФ, СНГ, Латвия: «Пресса России», подписной индекс: 45724, ООО «Агентство \"Книга-Сервис\"», www.akc.ru www.akc.ru Читайте в следующем номере Снять заклятие с Венеры Три новые космические миссии возобновят исследования, главная цель которых — обнаружить, как и почему Венера стала «злым близнецом» Земли. Охотники за метаном Новая технология поможет четко выявлять выбросы метана, но готовы ли ее внедрять нефтегазовые компании и регулирующие государственные органы? Пумы Лос-Анджелеса Амбициозный проект призван помочь пумам, обитающим в горах Санта-Моники, найти путь к другим популяциям, чтобы избежать вырождения вследствие инбридинга. СПЕЦИАЛЬНЫЙ РЕПОРТАЖ: АУТОИММУННЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ Тело против самого себя Миллионы людей страдают от того, что иммунная система, которая должна защищать человека, вместо этого нападает. Предательство изнутри Инвалидизирующие симптомы, невнятные анализы, неэффективные методы лечения: путешествие одного человека в мир аутоиммунитета. Женщины в группе риска Почему примерно четыре из пяти человек, страдающих аутоиммунными заболеваниями, — женского пола?