В мире науки 2021-08-09

Геология

Докембрий, или криптозой, — это геологический
период в истории Земли от 540 млн до 4,5 млрд лет
назад. Именно в это время на нашей планете
появились земная кора, океаны, свободный кислород,
первые живые организмы. Докембрий часто называют
«детством Земли», ведь именно он стал трамплином,
с которого некогда стартовала жизнь.

Одно из крупнейших месторождений железорудных
карбонатов — сидеритов. Бакальская свита, ранний
рифей, Петлинский карьер, г. Бакал, Южный Урал.
Возраст вмещающих пород — 1,4 млрд лет, в­ озраст
оруденения — 1 млрд лет. Фото: М.Т. Крупенин,
А.Б. Кузнецов, 2016 г.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 49

Геология

Член-корреспондент РАН А.Б. Кузнецов

том, чем интересен докембрий и почему современная геоло-
гическая картина мира так схожа с периодом кембрийского
взрыва, рассказал директор Института геологии и геохронологии докембрия РАН
(Санкт-Петербург) член-корреспондент РАН Антон Борисович Кузнецов.

— Антон Борисович, чем уникален докембрий? золота, огромные запасы железной руды. Все
— Докембрий — самый продолжительный пери- ­значительные залежи неметаллических полез-
ных ископаемых, таких как магнезиты, сидериты
од геологической истории Земли, он длился око- хемогенного происхождения и т.д., образовались
ло 4 млрд лет. Можно сказать, это была эпоха ста- в докембрии. Появление кислорода стало одной
новления Земли, подготовка планеты к заселению из причин первого крупного оледенения 2,4 млрд
открытой жизнью. Твердая геологическая оболоч- лет назад, накануне экспансии строматолитов
ка появилась на поверхности Земли около 4,2 млрд (цианобактериальных микрорганизмов) в мелко-
лет назад. С тех пора земная кора начала свою эво- водные моря всех континентов. Оледенения ста-
люцию, которая продолжается по сей день. ли своеобразными маркерами, реперными точка-
ми, после которых происходил очередной скачок
Именно в докембрии появились крупные конти- в эволюции жизни на Земле. Вторая крупная эпо-
ненты, которые впоследствии разрастались, со- ха оледенений произошла уже в конце докембрия,
единялись друг с другом, расползались и скучи- накануне нового эволюционного витка — экспан-
вались вновь. В раннем докембрии (архее) сфор- сии многоклеточных.
мировался и океан. Вначале появились бактерии
и прокариоты (безъядерные одноклеточные орга- — На сколько геохронологических частей
низмы), которые могли жить в сероводородной сре- можно разделить докембрий?
де. Затем — эукариоты с оформленным клеточным
ядром, которые со временем инкорпорировали — В современной шкале он делится на несколько
в себя хлорофилл, что позволило им освоить про- частей в миллиардах лет: гадей (до 4,0), архей (4,0–
цесс фотосинтеза и генерировать кислород. В ре- 2,5), палеопротерозой (2,5–1,6), мезопротерозой (1,6–
зультате этого на Земле произошла кислородная 1,0) и неопротерозой (1,0–0,5). Одну из этих частей,
революция, появился свободный кислород, кото- так называемый гадей, ученые стали выделять со-
рым смогли дышать первые организмы, заселив- всем недавно. Это та загадочная эпоха, по следам
шие сначала океан, а потом и сушу. которой мы не имеем вообще ни одной горной поро-
ды, не можем пощупать ее руками, как говорят гео-
С геологической точки зрения докембрий ин- логи. Следы этого периода геологической жизни мы
тересен тем, что в этот период сформировались получаем только благодаря изучению ископаемых
самые крупные месторождения полезных ис- изотопно-геохимическими методами.
копаемых, в частности 80% всего ­добываемого

50 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Геология

Первые породы, которые в докембрии мы уже мо- ­точки зрения Марс и Луна остановили свое разви-

жем потрогать, появились примерно в палеоархее тие на границе архея и протерозоя.

(от 3,6 до 3,2 млрд лет назад). Наиболее древние — Расскажите, пожалуйста, подробнее о фор-

из этих пород — гнейсы Исуа, их возраст примерно мировании континентов в докембрии.

3,7 млрд лет. Примечательно, что эти породы име- — В истории Земли было несколько эпох супер-

ли осадочное, водное происхождение. Что это зна- континентального развития. В докембрии выделя-

чит? Оказывается, у Земли 3,7 млрд лет назад уже ют четыре крупные эпохи формирования конти-

существовала водная оболочка. Об этом же нам го- нентов.

ворят самые древние карбонаты в Южной Афри- Образование континентов — очень интерес-

ке возрастом 3,4 млрд лет. Интересно и то, откуда ный процесс, поскольку континенты на поверхно-

на Земле появилась вода. Благодаря изотопным сти нашей планеты — словно живая ткань: фраг-

методам сегодня мы уже узнаем, что примерно 10% менты коры то сходились вместе, то расходились

земной воды имеют не местное происхождение: эта в разные стороны.

вода прилетела к нам вместе с ледяными глыбами В докембрии было четыре больших суперконти-

из космоса. нента, в это время отдельные крохотные острова

— А оставшиеся 90% откуда взялись? собирались вместе. Суперконтинентальные эпохи

— Остальные 90% — это, конечно, продукты де- совпадают с подразделениями докембрия. Самый

газации магмы (процесс отделения газов от магм), масштабный и наиболее известный континент об-

горячего ядра нашей планеты. В реальности мы разовался на границе архея и протерозоя, то есть

не можем увидеть магму, которая находится очень 2,5 млрд лет назад. Название этого суперконтинен-

глубоко. Но о ее составе мы можем судить по ка- та — Кенорленд, или Склавия. После его ­распада

менным ксенолитам, выброшенным на поверх-

ность кимберлитовыми трубками, а также по со-

ставу лавы современных и докембрийских вулка-

нов. Так вот, количество минерально связанной

и свободной воды в мантии достигает 0,2%. При

этом архейские лавы коматиитов показывают, что

количество воды в мантии 3,5–3,0 млрд лет назад

было больше, до 0,6%. Много это или мало? Если

учитывать современную вулканическую актив-

ность, это 200–300 млн т воды в год, около десяти

Химкинских водохранилищ.

Магматическая оболочка нашей планеты про-

шла уникальную эволюцию, которую не прошла

ни одна планета Солнечной системы. Взять хотя

бы знаменитые граниты, которыми украшены

набережные и метро нашего прекрасного города

Санкт-Петербурга и станции метрополитена мно-

гих других городов России. Ведь таких пород нет

ни на Марсе, ни на Венере, ни на других планетах

Солнечной системы! Дело в том, что только благо-

даря горячему ядру и милли-

ардам лет конвекции магмы 238 U-20 6 Pb
смогла состояться эволюция
190 Pt- 4 He
этого вещества от ультраос- 40 K- 40 Ar
новного состава до кислого;

то есть произошла выплав-

ка земной коры, которая

стала потом основой наших

континентов. В ходе частич- 87Rb-87Sr 147Sm-143Nd
ной переплавки уже выплав-

ленного материала произо- 238U-Xes
шло обогащение коры кали-

ем и кварцем. Привычные

для нас красивейшие дру- В докембрии на нашей планете
зы кварца также не встреча- появились земная кора, океаны,
ются ни на одной из сосед- свободный кислород, возникли

них планет. С геологической первые живые организмы

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 51

Геология

на границе палеопротерозоя и мезопротерозоя, Появление свободного кислорода в океане на ­границе
около 1,7–1,6 млрд лет назад, в результате свеко- архея и протерозоя 2,5–2,4 млрд лет назад привело
фенской орогении собрался суперконтинент Нуна к осаждению растворенного железа и образованию
(Колумбия). Кстати, именно в эту эпоху соедини- ­гигантских залежей оксида железа. Железорудная
лись в единую плиту Фенно-Карелия, Волго-Ура- формация Пендж, Южная Африка.
лия и Воронеж-Сарматия. Примерно 1 млрд лет на- Фото из архива А.Б. Кузнецова.
зад в ходе глобальной гренвильской орогении обра-
зовался новый огромный суперконтинент Родиния. ледниками, которые простирались от полюсов
Он собрал все континентальные фрагменты, нахо- до тропических широт. Одним словом, ни травин-
дящиеся на поверхности Земли. Само название — ки, ни деревца, ни пения птиц...
Родиния — было дано оттого, что этот огромный
континент стал как бы прародителем всех осталь- — Последним этапом в хронологии докембрия
ных континентов, образовавшихся уже в фанеро- был эдиакарий. Его часто сравнивают с библей-
зое и палеозое (около 541 млн лет назад). В течение ским Эдемом. Почему?
последующих нескольких сотен миллионов лет, на-
кануне кембрийского взрыва, образовался новый — Эдиакарий действительно называют эдаким
суперконтинент Гондвана, или Паннотия. райским садом. Дело в том, что в это время на Зем-
ле практически не было явных хищников, которые
— Если бы у нас с вами была машина времени бы поедали живые организмы. В эдиакарии жили
и мы бы перенеслись в самое начало докембрия, крупные многоклеточные мягкотелые организ-
то какой пейзаж увидели? мы (похожие на лепешки), которые заселили все
дно мелководных бассейнов и питались бактери-
— Если бы удалось перенестись в гадей, мы бы альными матами (строматолитами). Эти бассей-
увидели там бесконечные лавовые потоки и бур- ны, что интересно, были не совсем морскими, а на-
лящее море магмы вместо воды. В начале архея ходились в устьях крупных рек, то есть это некие
на Землю обрушился метеоритный дождь, который осолоненные водные бассейны.
шел в течение нескольких миллионов лет, и суша
стала выглядеть, как поверхность Луны. В позднем — Те самые «мелкие, прогретые солнцем пру-
архее появился океан, который был похож на кипя- ды», в которых, как говорил Дарвин, могла заро-
щие термальные источники с ядовитыми испаре- диться жизнь?
ниями. С появлением кислорода и экспансией циа-
нобактерий в протерозое моря превратились в мут- — Жизнь, конечно, зародилась гораздо раньше
ный зеленый бульон, похожий на болота. Суша эдиакария, но так называемые видимые много-
была похожа на современные пустыни, над кото- клеточные организмы, вероятно, появились имен-
рыми неслись пыльные бури. Ближе к концу докем- но в этот период. Если мы говорим об эдиакарской
брия, в криогении, Земля на несколько десятков фауне, то ее представители действительно пред-
миллионов лет покрылась ­многокилометровыми почитали жить в мелких прудах, устьях. Почему
именно там? Для таких организмов было важно,
Отсутствие пищевых конкурентов позволяло чтобы в зоне их обитания не было каких-то сильно
цианобактериям строить гигантские куполообразные приливно-отливных воздействий, чтобы их не уно-
постройки, похожие на современны рифы. На фото — сило в океан, чтобы была спокойная гидродинами-
древние строматолиты возрастом 2,5 млрд лет, ка. Эти древние животные ползали, как современ-
формация Малмани, Южная Африка. ные медузы, и собирали пищу со дна, однако суще-
Фото из архива А.Б. Кузнецова. ствование их длилось недолго, поскольку вскоре,
около 540 млн лет назад, появились новые орга-
низмы, которые их, попросту говоря, съели. Но это
уже принципиально новая веха в истории Земли,
которая называется кембрием.

52 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Геология

— Как современная наука объясняет кембрий- — Моя первая встреча с кембрийским взрывом
ский взрыв, когда на Земле произошел невидан- произошла в Монголии, в сухом русле древней реки
но резкий рост биоразнообразия? Это как-то Баян-Гол. Иду вдоль стенки докембрийских одно-
связано с уровнем кислорода на планете в тот образных глинистых пород и вдруг вижу зигзаго-
период? образный отпечаток следа ползания древнего ор-
ганизма, похожего на след дождевого червя. Еще
— Безусловно, проблема кислорода играет здесь несколько метров вперед — и вот уже вся поверх-
очень важную роль. Как раз после криогения, ность древнего водоема кишит следами «червей».
крупной ледниковой эпохи в конце докембрия При этом количество таких следов невероятно
(635–720 млн лет назад), в результате таяния лед- большое, черви ползали друг по другу. В этой точ-
ников произошло необычное событие: океан пол- ке проходит граница между кембрием и докембри-
ностью перемешался и исчезли его стратифициро- ем, и в нее можно буквально ткнуть пальцем.
ванные бескислородные оазисы, то есть океанские
воды полностью насытились кислородом, вплоть Чуть позднее в кембрии появилось сразу несколь-
до глубинных слоев. А ведь до этого, в докембрии, ко невиданных ранее животных: мелкораковин-
начиная от появления кислорода в морской воде ные моллюски, археоциаты, трилобиты, хиолиты.
примерно 2,5 млрд лет назад, он насыщал лишь Это был великий эксперимент природы.
поверхностный слой океана. Получается, что по-
сле неопротерозойских оледенений, накануне кем- Я сейчас работаю с палеонтологами из Улан-Удэ,
брийского взрыва, наш океан впервые насытился которые изучают археоциаты — организмы, похо-
кислородом. Кроме того, ледниковые воды размы- жие на современные губки, появившиеся как раз
ли большие площади суши, в результате чего оке- в кембрийском взрыве. Это очень интересные ор-
ан обогатился огромным количеством питатель- ганизмы, которые жили на незакрепленном, мяг-
ных веществ — нутриентов, что также спровоци- ком осадке. Особенно интересно, как они переме-
ровало эволюционный скачок. щались, потому что центром появления, зарожде-
ния археоциат считается Сибирская платформа,
Во многих геологических разрезах, где присут- а именно Якутия. Так вот, в кембрии мы находим
ствуют докембрийские породы, непосредствен- следы археоциат и на других континентах, в том
но перед появлением слоев с кембрийской жиз- числе в Америке, Австралии, Азии. Таким обра-
нью, с кембрийской фауной мы наблюдаем слои, зом, у нас возникла интересная гипотеза: рядом
в которых явно присутствуют метки, указыва- с древним Сибирским континентом существовала
ющие на то, что количество кислорода в осадоч- цепь островных поднятий. Это своеобразные ар-
ных бассейнах увеличилось. Это демонстрирует хипелаги, молодые островные дуги по типу Гавай-
очевидную связь уровня кислорода и кембрийско- ских островов или Курильской гряды. И эта гря-
го взрыва. Подобные геологические разрезы есть да соединялась с другими континентами. В это же
в разных местах земного шара:
в Австралии, Африке, Север-
ной Америке, Центральной
Азии и на Восточно-Европей-
ской платформе. В России та-
кие разрезы мы находим в Ар-
хангельской области, Якутии
и в других регионах.

— В чем особенность кем-
брийского периода? Были
у вас свои находки, связан-
ные с кембрийским взры-
вом?

Микрофоссилии, населявшие [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 53
древние моря 640–540 млн лет
назад накануне кембрийского
взрыва. Коллекция Е.Ю. Голубковой,
ИГГД РАН. Рисунок с дополнениями
из статьи в «Докладах академии
наук» (2015, т. 462, № 4, с. 444–448).

w w w.sci-ru.org

Геология

Отпечатки следов ползания древних организмов. Слева: вероятно, Helminthoida. Справа: Helminthoida, Palaeophycus
и Phycodes pedum. Баянгольская свита, Монголия. Фото: А.Б. Кузнецов, 2013 г.

время на Сибирской платформе, примерно в месте — То есть мы видим, по сути, один континент?
появления этой гряды, было устье крупной реки, — Фактически да, сейчас мы наблюдаем один
и все водные потоки, которые следовали из цен- суперконтинент, который имеет звездчатую фор-
тра Сибирского континента, проходили вдоль этой му — это точная аналогия континента Паннотия-
островной дуги и таким образом переносили все Гондвана, который существовал 540 млн лет на-
зародыши этих археоциат на другие континенты. зад, как раз во время кембрийского периода.
К сожалению, археоциаты самостоятельно не пе- Кроме того, мы знаем, что в конце докембрия
ремещались, а пищу добывали путем филь-
трации воды, поэтому изменение уровня на планете был период массовых оледене-
океана и быстрый подъем глубинных ний. А что же сейчас? За последний
холодных вод в середине кембрия миллион лет у нас тоже произошла
привели к исчезновению экологи- серия оледенений. Что еще? Сей-
ческой ниши и их вымиранию. час я занимаюсь изучением изо-
Они не успели распространить- топного состава стронция (хи-
ся на все континенты. мический элемент с атомным
номером 38) и могу сказать,
— Правда ли, что нынеш- что кривая вариаций изотоп-
ний геологический этап ного состава стронция в точ-
в развитии Земли очень на- ности повторяет тренд, кото-
поминает геологию кембрий- рый существовал на грани-
ского периода? це кембрия и докембрия. Мы
видим изотопный максимум
— На границе кембрия и докем- стронциевой кривой в этом пе-
брия произошел ряд крупных гео- риоде. Примечательно, что в наше
логических, климатических и ге- время мы тоже видим такой макси-
охимических событий, которые мы
наблюдаем и в наши дни, то есть в конце мум. Кроме того, он совпадает с появлени-
кайнозоя, четвертичного периода. В частности, ем суперконтинента, с завершением стадии оледе-
на границе кембрия образовался крупный супер- нений и формированием крупных фосфоритовых
континент. Вы скажете: «Но ведь сейчас нет ни- залежей. Фосфоритовые залежи — это показатель
какого суперконтинента, поскольку наши конти- изменения геохимии океана, то есть это подъ-
ненты разъединены», однако это неправильное ем глубинных океанических вод и резкого обога-
мнение, поскольку вы смотрите на нашу планету щения океана нутриентами питательными веще-
на обычной географической карте, там, где про- ствами. О чем это может говорить? Что у нас прои-
екция идет с экватора. Но если вы возьмете гло- зошло на границе кембрия и докембрия? Мощный
бус и посмотрите на нашу Землю с Северного по- эволюционный толчок, кембрийский взрыв, поя-
люса, то увидите, что вся Евразия соединяется вилась новая жизнь. Получается, 540 млн лет на-
с Северной Америкой, а между ними находится зад произошел эволюционный скачок, а значит,
маленький Северный Ледовитый океан. По геоло- и сейчас мы можем стоять накануне нового эво-
гическим масштабам — разве это океан? Его объ- люционного скачка. И что будет дальше, неиз-
ем составляет всего 4% от современного Мирово- вестно. Тот факт, что сейчас происходит измене-
го океана. ние биоразнообразия, думаю, очевиден. Каждый

54 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Геология

год на планете сокращается количество видов жи- континентов. Сам по себе активный магматизм —

вотных. Это, конечно, связано с различными эко- конечно, не гарант развития жизни.

логическими проблемами. Резюмируя: кембрий- — Какие регионы нашей страны представля-

ский взрыв за полмиллиарда лет привел к появле- ют максимальный геологический интерес?

нию человека, а к чему приведет нынешний взрыв — Я думаю, геологи имеют свой интерес там, где

и будет ли там место для нас как биологического обнажены те или иные горные породы. Мы, на-

вида, мы еще не знаем. пример, занимаемся докембрием, и у нас докем-

— Как на этот процесс влияет глобальное по- брий представлен в основном в северных регио-

тепление? нах страны: в Карелии, на Кольском полуостро-

— Чередование эпох похолодания и потепле- ве, в Сибири, на Урале. Большая часть докембрия

ния — это обычная геологическая климатическая вскрыта в Восточной Сибири, в Саянах и далее

история планеты, как ее дыхание: Земля вдыха- в Азии, в частности в Монголии. Будучи в экспеди-

ет и выдыхает. В генеральном смысле, конечно, мы ционных работах в Сибири, поедаемый комарами

движемся сейчас, наверное, к потеплению в геоло- и мошкой, я часто думал: ну почему же я не зани-

гическом масштабе. Но что касается локальных маюсь мезозоем? Тогда бы сейчас работал в Среди-

столетних циклов, то может быть и похолодание. земноморье, на прекрасных берегах Италии и Гре-

Это вопрос, конечно, к климатологам. ции. (Смеется.)

Я думаю, что в геологическом плане наша Зем- — Ваш Институт геологии и геохронологии до-

ля входит в стадию кембрийского взрыва имен- кембрия целиком посвящен изучению докем-

но в связи с геологическим потеплением. В даль- брия. Неужели это настолько специфический

нейшем будут таять ледники, будет увеличивать- период, что для его исследования потребова-

ся объем океана, соответственно, все низменности лись отдельный научный подход и отдельный

и города, которые расположены на побережье, бу- институт?

дут затоплены. Это и есть аналог кембрийской — Да, так и есть. Все исходит из специфики изу-

ситуации, когда у нас были затоплены все низи- чения горных пород этого времени. Их долгое вре-

ны тех древних континентов. И именно в низинах мя называли «немыми толщами», потому что в них

сформировалась та кембрийская жизнь, которая не было никаких органических остатков, а боль-

потом заселила Землю. шинство пород метаморфизовано — изменено вто-

— Геологическая активность представляет со- ричными процессами. И только с возникновением

бой непременное условие возникновения жиз- новых изотопных и геохимических методов появи-

ни? лась возможность изучать эти породы.

— Да, я считаю, что геологическая активность, Наш институт был создан в Ленинграде через

геологическая эволюция — это предшественник пять лет после тяжелейшей войны, блокады. Его

биологической эволюции. Только на нашей пла- основатель, А.А. Полканов, даже в блокаду вел

нете сформировались те условия, которые

позволили так развиться жизни. Ни на ка-

кой другой планете нет подобных геологи-

ческих предпосылок для появления жизни.

— А как же спутник Юпитера Ио — са-

мое вулканически активное тело в Сол-

нечной системе? Из этой вулканической

активности может впоследствии родить-

ся жизнь?

— Теоретически это не исключено.

Но нужно изучить глубинное строение Ио,

узнать, насколько там дифференцировано

магматическое вещество. Активный вулка-

низм мы наблюдаем на Венере с ее кислот-

ной атмосферой, кстати, близкой по соста-

ву к раннему архею Земли 3,5 млрд лет на-

зад. Надо понять, какое количество воды,

пригодной для жизни, там есть и есть ли

вообще. В идеале температура воды должна

соответствовать температурам нашего оке-

ана. Только в этих условиях будет возмож- Один их ярких представителей эдиакарской фауны — дикинсония
но формирование зачатков жизни. Кроме (Dickinsonia). Отпечаток обнаружен в глинах редкинского
того, должны сформироваться стабильные горизонта на берегу Белого моря, Архангельская область.

участки земной коры, наподобие наших Фото: Е.Ю. Голубкова, ИГГД РАН, 2015 г.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 55

Геология

п­ ереписку с академиком В.И. Вернадским о необ- Для этого нужно не так много средств, но необ-
ходимости радиохимических исследований для ходимая линейка масс-спектрометров у нас в Рос-
целей геологии. В итоге именно здесь была впер- сии, к сожалению, не производится и может быть
вые открыта лаборатория радиохимии и произо- закуплена только за рубежом. В нашей стране
шло уникальное историческое событие: синтез ге- вся научная школа по приборостроению масс-
ологии и радиохимии. Это дало синергетический спектрометров фактически умерла после распа-
эффект изучению древних немых толщ. Тогда был да СССР. Кстати, с распадом СССР мир отказался
создан технический задел и сложилась научная от шкалы, которая была разработана для докем-
школа, что позволило нам занять лидерские пози- брия в нашей стране.
ции в изучении докембрия.
Вы правильно сказали, что для изучения докем-
ИГГД РАН — колыбель геохронологии в Совет- брия нужен отдельный научный подход, отдель-
ском Союзе. На сегодня из 16 методов изотопно- ные научные программы. Нельзя, как говорит-
го определения возраста горных пород, существу- ся, стричь всех под одну гребенку. Все необходи-
ющих в мире, четыре было разработано у нас. мые методики у нас разработаны, но обновления
И этим можно гордиться. Из этих стен началось приборной базы в институте не происходило в те-
распространение геохронологической школы в ин- чение 20 лет после распада Советского Союза.
ституты Урала, Сибири, Дальнего Востока В рамках Программы развития института на пе-
риод 2019– 2024 гг. нам была зарезервирована сум-
— А какие задачи стоят перед институтом се- ма, на порядок меньшая, чем требуется для каче-
годня? ственного обновления и рывка. В таких условиях
совершать какие-либо открытия и конкурировать
— Наиболее важной задачей я бы назвал усовер- с зарубежными коллегами просто невозможно. Мы
шенствование приборной базы. Я постоянно обра- строим шкалу геологического времени, нам нужна
щаюсь в Минобрнауки с просьбой о создании у нас линейка приборов, а этой линейки у нас нет. Полу-
комплекса по изучению вещества природного, тех- чается замкнутый круг.
ногенного и антропогенного происхождения. На-
шей стране нужен хотя бы один изотопно-геохро- — Напоследок хотела поговорить о геохимии
нологический центр, оснащенный по меркам сред- океана. Насколько хорошо изучены процессы,
неевропейского института. Без этого невозможно происходящие в наших водах? Ведь не зря су-
определить возраст горных пород, что составляет ществует расхожая фраза о том, что ближний
основу любой геологической карты. Без этого мы космос нами изучен лучше, чем Мировой океан.
не можем понять происхождение древних осадков
и условий эволюции, построить модель образова- — Безусловно, геохимия океана — это ключ к по-
ния месторождений полезных ископаемых и дать ниманию природных процессов, которые происхо-
прогноз на их поиск. дили в докембрии. Поскольку по докембрию у нас
нет никаких ископаемых остатков, понять эколо-
В ископаемом виде строматолиты дошли до нас гическую, палеоэкологическую и палеоклиматиче-
в виде каменных куполообразных построек. Древний скую историю нашей планеты в этот период мы мо-
строматолит Parallelophyton raigubicum — свидетель жем только с помощью изучения осадочных горных
углеродной аномалии в ломагунди-ятулийскую эпоху. пород, которые отлагались в морских бассейнах.
Ранний протерозой, ятулий, 2,1 млрд лет, оз. Сундозеро,
Карелия. Коллекция В.В. Макарихина. Музей геологии Что мы узнали, изучая осадочные породы? Мы
докембрия ИГ КарНЦ РАН. Фото: М.Ю. Плаксин. узнали, когда на планете Земля появился кислород
(около 2,5 млрд лет назад), какие континенты сбли-
жались и удалялись, какой был с них речной снос.
Возьмем, например, нашу Восточно-Европейскую
платформу. Практически 90% всех осадков по-
ступало из Скандинавии, и все они переносились
крупными палеореками на другой конец континен-
та, в район современного Каспия и Южного Урала.

Мы узнали, что первые сульфаты и гипс появи-
лись 2 млрд лет назад. Кстати, древнейшие гип-
сы недавно обнаружены при бурении скважины
на глубине около 3 км на полуострове в Онежском
озере Карелии. Мы можем по изотопным аномали-
ям оценить температуру океана, которая в архее
достигала 40° C.

С помощью изотопно-геохимического изуче-
ния морских осадков мы узнаем также о палеосо-
лености в древности. Все крупные биостратигра-
фические находки (например, наиболее известные

56 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Геология

и­ скопаемые формы — строматолиты, с которыми 1
часто путают современные рифы) тоже жили в оке-
ане. Но это всего лишь продукты жизнедеятельно- 2
сти цианобактериальных матов — отдельных бак-
териальных организмов, которые обитали на по- 1. Ожелезненный строматолит Conophyton,
верхности осадков и строили причудливые фигуры концентратор растворенного железа. Ранний рифей,
и формы, похожие на водоросли, на древние корал- бакальская свита, 1,4 млрд лет, Иркусканский карьер,
лы. Кроме того, морские осадки сохраняют в себе г. Бакал, Южный Урал. Фото: М.Т. Крупенин, 2016 г.
микроорганизмы, по которым наши палеонтологи 2. Строматолит Linnella Ukka, живший накануне
выстраивают биологическую эволюцию, происхо- последнего докембрийского оледенения 720–800 млн лет
дившую в докембрии. В основном это одноклеточ- назад. Поздний рифей, укская свита, г. Усть-Катав, Южный
ная жизнь. Сами микроорганизмы в морских осад- Урал. Фото: А.Б. Кузнецов, 2019 г.
ках появились примерно 3,5 млрд лет назад, в ар- осаждения и взаимодействия с микроорганизма-
хее. Они жили только в небольших оазисах, вблизи ми. Знание этих закономерностей позволяет нам
теплых термальных источников, и лишь потом рас- реконструировать экзогенные процессы прошлого.
пространились в крупные морские бассейны. Сле-
дующей новацией было появление фотосинтези- Самая главная проблема докембрия — фрагмен-
рующих цианобактерий, которые господствовали тарность геологической летописи и высокая сте-
в протерозое на протяжении 2 млрд лет. В резуль- пень преобразования пород. Это радикально огра-
тате их жизнедеятельности произошла первая эко- ничивает нас в изучении прошлого. Кстати, после
логическая катастрофа между 2,2 и 2,0 млрд лет образования суперконтинента Родиния исчезли
назад. Массовое вымирание микроорганизмов за- все мелководные моря и мы не имеем никаких оса-
фиксировано по аномально высоким значениям дочных записей для периода продолжительностью
изотопного состава углерода в карбонатных осад- около 100 млн лет.
ках на всех континентах. Это период называется
«ломагунди-ятулийская эпоха». Последующее за- Многое сделано нашими учителями, но до сих
хоронение микроорганизмов привело к образова- пор среди ученых нет единства относительно цело-
нию углеродистых сланцев, аналогов нефтеносных го ряда ключевых проблем докембрия. Белых пятен
толщ — это знаменитые шунгиты Карелии. еще немало, и их заполнение — в наших руках.

Что еще можно сказать? Исходя из изучения Беседовала Янина Хужина
морских осадков, мы, например, узнали, что в до-
кембрии был период, когда не происходило ниче-
го, так называемый «скучный миллиард» (boring
billion), который длился примерно между 2 млрд
и 1 млрд лет назад. В тот период на поверхности
Земли не случилось никаких эволюционных нова-
ций. Была такая застывшая жизнь. Все это я свя-
зываю с тем, что на поверхности нашей планеты
произошла некая стабилизация, но при этом уче-
ные, исследующие магматический комплекс до-
кембрия, наоборот, фиксируют крупные измене-
ния именно в глубинных слоях Земли. Это означа-
ет, что на поверхности было затишье, а в глубине
происходили дифференциация вещества, образо-
вание новых комплексов, новых глубинных место-
рождений полезных ископаемых. Вверху же, тем
не менее, все микроорганизмы жили себе спокойно
и ничего не знали о том, что под ними кипит очаг,
настоящий котел.

Изучение геохимии океана дает нам самые раз-
нообразные знания о прошлом нашей Земли.
Ведь именно в океане формируется летопись того,
что происходило на поверхности планеты. Имен-
но в воде появились жизнь и живые организмы.
В действительности мы изучаем лишь следы ис-
чезнувшей воды. При этом каждый химический
элемент имеет индивидуальные особенности —
от момента разрушения горных пород до стадии

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 57

Минералогия

МИ Н Е РАЛОГИЯ

58 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Минералогия

w w w.sci-ru.org Ученые не перестают искать и исследовать
новые минералы. Они находят применение
в химической промышленности, оптике,
электронике, радиотехнике. И это далеко
не полный список. Главный научный
сотрудник геологического факультета МГУ
член‑корреспондент РАН Игорь Викторович
Пеков пригласил нас в Минералогический
музей им. А.Е. Ферсмана РАН и рассказал
о корнях науки минералогии и о том, чем она
занимается сегодня.

[08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 59

Минералогия

Член‑корреспондент РАН И.В. Пеков Таким образом это направление
оформилось в самостоятельную на-
— Что сегодня изучает минералогия? учную дисциплину и само понятие
— Годы у нее почтенные, должен заметить. Пожа- «минерал» получило то наполнение,
с которым мы сегодня работаем.
луй, это самая древняя из наук о Земле и, возмож-
но, вообще самая древняя из наук. Человеку руда Минерал — это природное кри-
понадобилась несколько тысяч лет назад, а кре- сталлическое тело, имеющее устой-
мень — еще раньше. С самого зарождения цивили- чивый (в определенных границах)
зации люди нуждались в знаниях, где и как искать химический состав. Уже первые спе-
тот или иной минерал и что с ним делать. И, соб- циалисты-минералоги предполага-
ственно, слово minera — это «руда» по-латыни. От- ли, что минералы обладают некой
сюда и слова «минерал», «минералогия». То есть из- правильностью в своем строении,
начально минералогия была наукой о рудах. предвосхитив представления о том,
что мы сегодня называем кристал-
Минералогия сегодня — это уже нечто другое. лической структурой. И в начале
Считается, что минералогия в современном пони- XX в. эти предположения были бле-
мании оформилась на рубеже XVIII–XIX вв., стоя стяще подтверждены.
на трех китах. Первый кит — это сложившаяся
в тот же период концепция геологии, которая объ- Кристаллическая структура ми-
ясняла, как рождаются минералы и их ассоциа- нерала характеризуется определен-
ции, что они собой представляют в генетическом, ным порядком расположения ато-
как мы сейчас говорим, отношении. Второй кит — мов тех элементов, из которых он
аналитическая химия, да и вся неорганическая состоит. На протяжении не толь-
химия, которая бурно развивалась в XVIII в. Тог- ко XX в., но последних 200 лет кристаллическая
да ученые уже четко понимали, что такое минерал структура (пусть поначалу только предполагав-
с точки зрения его химического состава. И третий шаяся) остается одним из главных, базовых поня-
кит — это морфологическая кристаллография, ко- тий минералогии.
торая, по сути, ввела минералогию в разряд точ- Современная минералогия связывает, по сути,
ных наук. Ученые того периода стали уже не про- несколько научных направлений: науки о твердом
сто измерять кристаллы, а изучать закономер- кристаллическом веществе, то есть физику и хи-
ности, влияющие на их форму, и связывать эти мию твердого тела, кристаллографию, кристалло-
данные с химическими характеристиками мине- химию, с науками о Земле — геологическими дис-
ралов. циплинами, особенно с теми, которые исследуют
непосредственно вещество Земли, — петрологи-
Отмечу, что не только минералогия обязана хи- ей и геохимией, а также с учением о полезных ис-
мии и кристаллографии, но и эти науки обязаны копаемых. Здесь уже четко прослеживается прак-
своим становлением минералогии, поскольку поч- тический аспект. Так вот, посередине этой связки
ти все объекты, которые изучались в тот период стоит минерал, который можно и нужно изучать,
химиками-неорганиками и кристаллографами, используя как методологию наук о веществе, так
происходили из мира минералов. и подходы наук о Земле.
В первую очередь минералогов интересует, где
и как минералы образуются, из чего они состоят
и как устроены. Получив информацию об этом, мы
уже можем переходить к практическим приложе-
ниям. Не секрет, что подавляющее большинство
руд состоят из минералов, включая как полезные,
так иногда и вредные. Практически все горные по-
роды полностью или по большей части сформиро-
ваны из минералов. Проще говоря, вся неживая
природа, которая нас окружает, более чем на 95%
состоит из кристаллического вещества, именуемо-
го минералами.
— Как природа создает эти минералы?
— Этот вопрос — один из главных в современ-
ной геологии. Поиском ответов на него занима-
ется раздел нашей науки, именуемый генетиче-
ской минералогией. Происхождение минералов
зависит от самых разных факторов. Уточним,
что речь идет о твердых кристаллических телах.

60 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Минералогия

П­ ожалуй, в современной минералогической клас- Замечу, что из 6 тыс. минералов более полови-

сификации «нетвердых» минералов осталось все- ны еще не синтезированы человеком. Это к вопро-

го несколько: самородная ртуть и еще некоторые су о том, как природа создает уникальные объек-

жидкости на ее основе (раньше к минералам ино- ты, которые мы не можем воспроизвести. Конечно,

гда относили нефть, воду, природные рассолы). есть целый ряд минералов, которые просто никто

Поэтому одно из первых ограничений — темпера- не пытался воспроизвести, в этом не было нужды.

турное. Понятно, что кристаллизация минералов Были и те, которые пытались синтезировать це-

из расплава может происходить только при тем- ленаправленно, но безуспешно. Например, эвдиа-

пературах ниже температуры их плавления. Ди- лит — цирконосиликат сложного состава, краси-

апазон кристаллизации минералов из расплавов вый минерал, который природа создает милли-

велик — от самых горячих магматических пород ардами тонн в щелочных породах. Попыток было

(выше 1000° C) до комнатной температуры (напри- много, но все неудачные. Поэтому тягаться с при-

мер, образование льда при замерзании воды — родой на равных мы пока не в состоянии.

тоже кристаллизация из расплава). Гидротер- — Что мы упускаем?

мальное минералообразование — кристаллиза- — Хороший вопрос, но он пока без ответа. В слу-

ция из водных растворов — возможно в интервале чае с эвдиалитом вроде бы и компоненты те же,

температур, в котором может существовать жид- и условия понятные. Но в искусственных условиях

кая вода, приблизительно до 370° C. не растет. И таких загадок огромное количество.

В целом выделяют три главных фактора, влия- — Зато многие свойства минералов уже из-

ющих на образование кристаллов, — температуру, вестны. Какие из них ключевые?

давление и химический состав природной систе- — Под словом «свойства» можно понимать разные

мы, в которой происходит кристаллизация. Соче- вещи. В базовом курсе минералогии мы прочтем,

тание этих факторов (то есть физико-химические что любое кристаллическое тело обладает целым

условия минералообразования) определяет то, что набором физических свойств, и некоторые из них

получится в итоге, какие минералы вырастут, ка- мы можем наблюдать без специальных приборов:

кие устойчивые сообщества минералов (их назы- цвет, прозрачность, плотность, твердость и спай-

вают минеральными ассоциациями) образуются. ность, то есть способность раскалываться по опре-

Например, здесь, в одной из витрин Минералоги- деленным направлениям. В свое время именно

ческого музея, мы видим вместе малахит и азу- спайность и натолкнула исследователей на мысль,

рит. Это основные карбонаты меди с разным соот- что кристаллы состоят из правильных, но очень

ношением компонентов, но со схожим валовым со- маленьких частиц.

ставом. Они образуются вместе, создавая тесную Друза кварца, например, имеет серый цвет, сте-

минеральную ассоциацию. Если минералы кри- клянный блеск и состоит из прозрачных кристал-

сталлизуются одновременно и вместе, то их ассо- лов. Если мы попробуем прикусить кусочек кварца,

циация называется «парагенезис»; изучение па- то заметим, что твердость нашего зуба, в общем-

рагенезисов дает очень важную информацию для то, поменьше, чем у этого минерала. Попробу-

понимания того, в каких условиях кристаллизова- ем друзу поднять — будет ясно, что она тяжелая:

лись минералы. выходим на понятие плотности. Все эти характе-

Вообще, на сегодня известно около 6 тыс. мине- ристики объединяются в один набор свойств, ко-

ралов. Много это или мало? торые используются как диагностические — для

— Кажется, что много. определения минералов по внешним признакам.

— А мне кажется, что мало. Почему? Потому Однако есть и другие — так называемые по-

что есть с чем сравнивать. Например, разнообра- лезные свойства. Уже названные физические

зие животных оценивается

в 1,5– 2 млн видов. Разнообра-

зие химических соединений,

синтезированных человеком,

приближается к 10 млн. Отча-

сти поэтому вопрос о поиске но-

вых минералов очень актуален.

Прирост минерального цар-

ства сегодня — около сотни но-

вых видов в год, тогда как при-

рост числа искусственных со- Кристаллические структуры алмаза
единений, согласно данным, (слева) и графита (справа). Шариками
опубликованным в химических показаны атомы углерода, линиями —
журналах, происходит со ско- химические связи между ними.

ростью около 200 в день.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 61

Минералогия

с­ войства, конечно, важны: та же твердость мине- ­местные осадочные горные породы не отличают-
рала позволяет использовать его в качестве абра- ся большим минеральным разнообразием и хо-
зива, а прозрачность в свое время обусловила ис- рошо изучены, так что, наверное, почти все, что
пользование слюды в производстве окон. Но все можно было найти, уже найдено. Однако есть тер-
же в сегодняшних высокотехнологичных обла- ритории, где в силу природных условий минера-
стях внимание специалистов направлено на более лов объективно много и они очень разнообразны.
сложные особенности. Соответственно, в этих местах чаще попадают-
ся пусть и уже известные, но малоизученные или,
Скажем, некоторые минералы обладают магнит- если повезет, неизвестные науке минералы.
ными свойствами, другие используются в качестве
полупроводников. Оптические свойства важны, Как правило, это объекты с аномальными с точ-
например, в сфере лазерных технологий. Кстати, ки зрения геохимии условиями, где наблюдается
многие минералы не используются сами по себе. необычное для природы сочетание химических
Благодаря изученным свойствам и другим харак- элементов. Именно здесь и происходит концентри-
теристикам минерала специалисты создают ана- рование редких элементов. В природе, как извест-
лог, зачастую даже улучшенный, и используют его но, есть распространенные химические элементы,
в тех или иных областях техники: так минералы из которых состоят большинство горных пород,
становятся прототипами новых полезных матери- типичные минералы и руды. Пожалуй, из тех поч-
алов. ти 6 тыс. минералов, о которых мы говорили, та-
ких типичных, широко распространенных не на-
Особую роль играют также пьезоэлектрические берется и 500. Все остальные минералы относятся
свойства. В советское время существовала целая к редким или даже очень редким, и многие из них
отрасль промышленности, которая занималась содержат редкие химические элементы — напри-
созданием пьезоматериалов, в первую очередь мер, элементы платиновой группы, редкоземель-
синтетического кварца. Пьезоэлектрический эф- ные металлы, цирконий, ниобий, тантал и др.
фект тесно связан с кристаллической структурой
минерала. Практически все свойства, которыми Существуют объекты, где сами условия мине-
способны обладать кристаллические вещества, из- ралообразования необычны. Одна из витрин му-
вестны у тех или иных минералов. зея как раз посвящена минералам вулканическим
и в значительной мере иллюстрирует минераль-
— Где и как исследователи ищут новые мине- ное разнообразие, которое возникает в результа-
ралы? те деятельности вулканических фумарол. Горячий
вулканический газ, богатый растворенными в нем
— Если говорить о нас, то специально мы этого редкими элементами, выходит на поверхность
не делаем. Мы изучаем некие минералогические и быстро остывает, образуя многочисленные ми-
объекты и решаем разные задачи. Главная фун- нералы. Этот процесс называется десублимаци-
даментальная задача — получить новые знания ей. В таких местах достаточно велика вероятность
о самих минералах и их происхождении. Ясно, того, что будет обнаружено что-то необычное. По-
что так или иначе мы сталкиваемся с некото- чему? Потому что в результате вулканической ак-
рым разнообразием минералов, и время от време- тивности формируется необычное сочетание ус-
ни по­падаются те, которые пока науке известны ловий: здесь очень высокая температура газа —
не были. При этом есть такие природные объекты, 700– 800° C, а давление при этом атмосферное.
где вероятность найти новый минерал существен-
но больше, чем в других. Скажем, если мы будем — Почему эти условия можно считать необыч-
изучать территорию Московской области, то ве- ными?
роятность этого крайне невелика, поскольку
— Большинство высокотемпературных мине-
ральных ассоциаций в природе возникают при
больших давлениях на глубине, поэтому высо-
кая температура плюс низкое давление и газовый
транспорт вещества — это необычная ситуация

Недавно открытый в одной из активных фумарол
вулкана Толб­ ачик на Камчатке новый минерал
рабдоборит-(W) имеет очень необычный химический
скорситстава л—лиMчеgс12кWую6+1¹с⁄3тO6р(уBкOт3)у6Fр2у —. Наи  эотриогйифнаолтьонгурюафии
показаны многочисленные бежевые игольчатые
кристаллы рабдоборита-(W), которые вместе с темно-
нкоа ржиечлнтевыыймим оарганнежзиеовфыейрарристеноамтMнgыFйeг3+р2Oан4 антарбаестрцаеюлтиит
Ф(Cоaт2Nоa:)А M.gВ2.( КAаsсOа4т)3 кии гно,лИу.бВо. вПаеткоов-б. елый ангидрит CaSO4.

62 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Минералогия

Витрина в Минералогическом музее им. А.Е. Ферсмана РАН, детально изучить найденный минерал, определить
посвященная минералам, образовавшимся в результате его структуру, химический состав, свойства, соста-
вулканической деятельности вить, образно говоря, портрет минерала и предста-
вить его минералогическому сообществу — специ-
для природы. И специалисты сразу понимают, что ально созданной Комиссии по новым минералам,
найдут здесь интересные минералы и новые мине- номенклатуре и классификации Международной
ральные ассоциации. Исследуя зоны вулканиче- минералогической ассоциации, которая рассма-
ской активности, мы имеем высокую вероятность тривает каждую такую заявку в обязательном по-
того, что попадется что-то неизвестное. рядке. Квалифицированные специалисты оцени-
вают, во-первых, фактор новизны, во-вторых, сте-
— А как специалисты понимают, что перед пень изученности. Только после того как «кандидат»
ними нечто новое? проходит апробацию комиссии, в которую входят
представители более чем 20 стран, национальных
— Чтобы понимать, что перед нами что-то новое, минералогических обществ, включая российское,
необходимо знать, что есть старое. Минерал счи- найденный объект приобретает статус нового ми-
тается новым, когда он не может быть отождест- нерального вида. Утверждается и его название. По-
влен ни с одним из уже известных. Ясно, что в поле, сле этого он становится полноправным членом цар-
когда отбираются пробы, нет в этом уверенности, ства минералов. В нынешнее время, как я уже го-
есть лишь предположение. Четкое понимание при- ворил, за год успешно проходит такую процедуру
ходит уже после изучения минерала лабораторны- около сотни минералов.
ми методами, когда определяются его важнейшие
характеристики: химический состав, принадлеж- — Какова современная приборная база учено-
ность к тому или иному структурному типу. В це- го-минералога?
лом определение минерала, минерального вида ба-
зируется на трех признаках. Первый — природное — Все зависит от целей, которые перед ним по-
происхождение. Далее важны две ключевые харак- ставлены. Важнейшая общая задача, которая тра-
теристики, которые определяют минеральный вид: диционно решалась и решается в практической
то, какими атомами сложен кристалл, и то, в ка- минералогии, связана с идентификацией минера-
ком порядке в этом кристалле выстроены атомы. лов. Часто бывает так, что специалисты из других
То есть химический состав и структурный тип. областей, по большей части геологи, которые зани-
маются горными породами или рудами, обраща-
Например, химический состав может быть один ются к минералогам с вопросом: что же мы наш-
и тот же, а структурные типы — разные, тогда ли? Или: что мы получили в лаборатории? Требу-
и минералы будут отличаться друг от друга, ино- ется идентификация разной степени детальности,
гда очень сильно. Хрестоматийный пример — гра- зависящей от поставленной задачи.
фит и алмаз. Одни и те же атомы углерода, кото-
рые по-разному расположены, образуют разные Не утратили и, видимо, никогда не утратят свое-
системы химических связей, и это определяет в ко- го значения традиционные методы. В первую оче-
нечном итоге свойства, такие разные у этих двух редь, это оптическая микроскопия. Чтобы иденти-
минералов. фицировать и дальше изучать минерал, надо его
увидеть. Не все минералы образуют крупные вы-
Определяя ключевые характеристики, мы пони- деления. Некоторые из них могут иметь размер
маем, имеем ли дело с уже известным минералом, на уровне десятых, сотых и даже тысячных до-
с некоей его разновидностью или с чем-то ранее не- лей миллиметра, поэтому без оптической микро-
известным, с новым сочетанием химического со- скопии не обойтись. Оптическая микроскопия по-
става и структуры. Но об открытии на этом этапе зволяет исследовать полированные срезы, изучать
говорить рано. Чтобы открытие состоялось, нужно прозрачные минералы в проходящем поляризо-
ванном свете и многое другое.

В последние годы растут возможности электрон-
ной микроскопии. Метод похож на оптический,
только в данном случае при формировании изо-
бражения вместо светового потока используется
пучок электронов.

Для определения химического состава минера-
лов применяется электронно-зондовый микроана-
лиз, он же микрорентгеноспектральный. Этот ло-
кальный метод хорошо сочетается с электронной
микроскопией. Как правило, используемый нами
электронный микроскоп имеет специальные при-
способления для определения количественного хи-
мического состава.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 63

Минералогия

Для изучения структурных особенностей мине- Методов много, и они используются при решении
ралов используются дифракционные методы. По- разных задач. Практически любой метод, практи-
скольку атомы, ионы и любые другие строитель- куемый в физике твердого тела и в неорганиче-
ные частицы кристалла образуют правильные си- ской химии, может быть применен и к природному
стемы, на них возможна дифракция лучей, длина кристаллу тоже, все опять же зависит от задачи.
волны которых сопоставима с межатомными рас- И, конечно, нельзя забывать о геологических ме-
стояниями, а это в первую очередь рентгеновские тодах, применяемых уже не к отдельному кристал-
лучи. Помимо этого может использоваться диф- лу, а к их сообществу, к минеральной ассоциации,
ракция электронов или нейтронов. Синхротрон- к горной породе, к руде.
ное излучение в последнее время очень в почете,
в том числе и потому, что можно менять длину вол- — Ограничен ли запас минералов? Или их
ны и при этом получать большую мощность пучка. можно считать возобновляемым ресурсом?

Однако электронно-зондовые методы плохо ра- — Этот вопрос отчасти философский. Если мы
ботают, когда в составе минерала есть легкие эле- говорим о каком-то отдельном минерале или же
менты, или вообще не работают в случае с водоро- о полезном ископаемом, то традиционно считает-
дом, у которого нет рентгеновской линии. В таком ся, что минералы невозобновляемые. Ведь мине-
случае используются ионное микрозондирование рал образовался в природе, лежал, условно говоря,
и другие методы. в земле, а потом его нашли, добыли, переработа-
ли, и вот его нет. Единственный способ бороться
Для определения свойств минерала и уточне- с этой невозобновляемостью — сохранить минерал
ния строения кристаллов применяются спектро- в коллекции, поставить его в музейную витрину.
скопические методы. Так, инфракрасная спектро-
скопия — очень мощный инструмент для изучения Однако есть исключения. Например, удивитель-
межатомных взаимодействий в кристалле: как ный минерал — рениит, содержащий большое ко-
устроены соседние пары атомов или целые груп- личество редчайшего элемента рения. На острове
пы атомов, какие химические связи существу- Итуруп, на Курилах, есть вулкан по имени Кудря-
ют между ними, какова общая геометрия связей. вый. Это потрясающий вулкан с поразительны-
Этот же метод позволяет работать с так называе- ми фумарольными полями. Именно здесь из газа
мыми рентгеноаморфными веществами, которые осаждается, причем и в настоящее время, мине-
не дают дифракционных картин. рал рениит, сульфид рения, описанный не так
давно нашими коллегами. Рений — очень дорогой

Действующая высокотемпературная (500–600º C) фумарола на свежем, недавно застывшем потоке базальтовой
лавы. В местах выхода на поверхность горячего вулканического газа образуются красные и желтые минеральные
корки, сложенные разнообразными хлоридами и сульфатами. Вулкан Толбачик, Камчатка: извержение 2012–2013 гг.
Фото: Д.А. Ханин, июль 2013 г.
64 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Минералогия

э­ лемент. Когда-то даже обсуждался проект по до- К тому же, как давно замечено, у человека есть
быче рениита из фумарол вулкана Кудрявый. Ло- такая особенность: ему хочется знать, что вокруг
гика такая: газ из вулкана идет, значит, через него. Это вопрос культуры, а наука — часть общей
какое-то время после предполагаемой добычи ре- культуры. Фундаментальные задачи минералогии
ниит нарастет снова. Действительно, он нараста- связаны с получением нового знания о минера-
ет, но, видимо, не в промышленных масштабах... лах, о минеральных ассоциациях — сообществах
минералов, о проблемах происхождения минера-
Другой пример, наиболее очевидный, — добы- лов. И каждый новый минерал — это кирпичик
ча солей из озер: сегодня соль вычерпали, завтра нового знания. Академик Н.П. Юшкин, к сожале-
на ее месте образовалась новая. Но это скорее ис- нию, покинувший нас несколько лет назад, четко
ключения, поскольку, к сожалению, неживая при- сформулировал мысль: уровень развития минера-
рода в общем случае не умеет себя быстро вос- логии определяется тем количеством минералов,
производить. То есть, возможно, процесс идет, да которое на данный момент известно науке. Мине-
только нам об этом неизвестно: наша жизнь и ге- рал как таковой был и остается связующим звеном
ологические процессы текут в разных временн   х между геологическими и физическими дисципли-
масштабах. нами. Мы можем углубляться в свойства кристал-
ла, которые подскажут нам, как его использовать,
Помимо этого существует такое понятие, как «из- а можем подробнее изучить, где и почему минерал
вестные запасы». Скажем, найдено некое место- образуется, почему он возникает в большом или
рождение. Постепенно его отработали, все ценное малом количестве. Это уже приближает нас к об-
добыли. Найдем ли мы еще такое месторождение, ласти учения о полезных ископаемых. Напомню,
неизвестно. В том числе поэтому так важна му- что любая руда — это сообщество минералов. Одни
зейная деятельность. Мы уже научились сохра- из них полезные — те, из которых можно извлекать
нять редких животных в заповедниках, а также нужные компоненты, другие — формально беспо-
воспроизводить их в зоопарках и выпускать потом лезные (по крайней мере сегодня), третьи — вред-
в дикую природу. С минералами, к сожалению, ные, они мешают нам извлекать полезный ком-
это не проходит. Восстановить отработанное ме- понент, например сера или мышьяк в железных
сторождение, как правило, невозможно, и сохра- рудах. Важно понимать, почему тот или иной эле-
нять такие фрагменты неживой природы можно, мент вреден и как извлечь полезное. Этим занима-
по сути, только ex situ — в коллекциях. ется большой раздел минералогии под названием
«технологическая минералогия».
— Почему вы стали заниматься минералогией?
— Меня с самого детства привлекали все при- На любом крупном руднике, где добываются
родные объекты: растения, животные, минералы. сложные по минеральному составу руды, обяза-
В возрасте восьми лет я начал собирать и прино- тельно есть минералогическая лаборатория. Спе-
сить домой разные найденные под Москвой камни. циалистам, которые там работают, природа по-
Конечно, стало интересно, что же я нашел. За от- стоянно подкидывает разные загадки. Скажем,
ветом пришел сюда — в Минералогический му- в одном углу карьера представлена одна руда. Пе-
зей им. А.Е. Ферсмана. И мне немного рассказали редвинулись на полсотни метров — другая, и вот
о том, что, собственно говоря, у меня в руках. Бо- уже та схема обогащения, которая была сформи-
лее того, показали небольшую «свалочку» за музе- рована для первой руды, не годится, нужно разра-
ем. Раньше здесь же располагалось Бюро минера- батывать новую.
лов, которое готовило учебные коллекции для раз-
ных научных и образовательных организаций. Минералогия остается на службе у других геоло-
Каменный материал для коллекций специальным гических наук, в первую очередь, у геохимии. Мно-
образом обрабатывался, дробился, а ненужные жество задач ставит петрология. Прежде чем оха-
обломки попросту выбрасывались. Там я, конеч- рактеризовать горную породу или понять, как она
но, нашел для себя кое-что интересное. Затем я по- возникает и эволюционирует в процессе последу-
шел в геологический кружок школьного факульте- ющих изменений, надо изучить, из чего она состо-
та при Московском геологоразведочном институте, ит, из каких минералов, каковы особенности этих
а после поступил на геологический факультет МГУ, минералов.
хотя на примете у меня был еще и химический фа-
культет. Но все-таки к природе ближе геология. И, конечно, нельзя не отметить, что минералы —
— Каковы задачи современной минералогии? прекрасные создания природы. Когда вы придете
— Как и в любой другой научной дисциплине, в музей и увидите, например, невероятно краси-
фундаментальная задача связана с получени- вую друзу александрита, равных которой нет нигде
ем нового знания, причем самого разнообразно- в мире, вы определенно и получите эстетическое
го — и того, которое может пригодиться челове- удовольствие, и узнаете что-то новое об устройстве
ку буквально завтра, а возможно, и сегодня вече- нашего мира. Это я вам могу обещать.
ром, и того, у которого нет очевидных прикладных
аспектов. Беседовала Анастасия Пензина

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 65

Инфекционные болезни

ЦарствоИНФЕКЦИОННЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

66 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Инфекционные болезни

Гриб Candida auris обживает
больницы, заражая
пациентов с ослабленным
иммунитетом

убийц
Грибы, убивающие ежегодно 1,6 млн жителей нашей
планеты, становятся одними из самых смертоносных
микроорганизмов — и мы, по существу, не знаем,
как остановить их нашествие

Мэрин Маккенна

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 67

Инфекционные болезни

ОБ АВТОРЕ

Мэрин Маккенна (Maryn McKenna) — журналистка, автор статей, посвященных вопросам
здравоохранения, политики в области питания и др. Старший научный сотрудник Центра
по исследованию здоровья человека при Университете Эмори. Последний ее труд — книга
«Большая курица: невероятная история о том, как антибиотики создали современное сель-
ское хозяйство и изменили способ питания в мире» (Big Chicken: The Incredible Story of How
Antibiotics Created Modern Agriculture and Changed the Way the World Eats, 2017).

ла четвертая неделя июня 2020 г. — середина вто-
рой волны пандемии COVID-19 в США. Переболели
2,4 млн жителей страны, число умерших приближалось
к 125 тыс. Том Чиллер (Tom Chiller), работающий дис-
танционно у себя дома в Атланте, оторвался от монито-
ра и почесал обритую наголо голову.

Чиллер — врач-эпидемиолог; в обычное вре- ­распространении в других странах и слы- PRECEDING PAGES: JUAN GAERTNER Science Source
мя он руководил подразделением в Центрах шал, что происходит, когда этот микроор-
по контролю и профилактике заболеваний ганизм попадает в лечебные учреждения.
(CDC), которое занималось отслеживани- Этот патоген устойчив к большинству но-
ем распространения грибковых инфекций, вых антибиотиков. Он прекрасно размно-
а в марте прошлого года вынужден был пе- жается на холодных твердых поверхностях,
реключиться на другую тематику. К тому и на него не действуют дезинфицирующие
времени стали ясны масштабы бедствия, агенты, которыми обрабатывают медицин-
связанного с распространением нового ви- ские инструменты. Некоторые больницы,
руса. В Нью-Йорке был объявлен локдаун, где обнаружен этот гриб, вынуждены де-
и руководство перевело почти всех сотруд- монтировать оборудование и ликвидиро-
ников на дистанционный режим работы. вать межпалатные перегородки. Он вызы-
В результате Чиллер включился в изнури- вает быстро распространяющиеся вспышки
тельную борьбу против COVID-19 вместе инфекции и уносит жизни двух третей зара-
с другими работниками системы здраво- женных.
охранения. Он отслеживал сообщения о за-
болеваемости и смертности и размышлял Вскоре после рассылки бюллетеня C. auris
о том, какие меры необходимо принять, что- появился в США. К концу 2016 г. он был об-
бы добиться хоть какой-то безопасности. наружен у 14 жителей страны, четверо
из них умерли. С тех пор CDC вниматель-
Переборов себя, Чиллер вновь погрузился но следят за его распространением, обязав
в работу. На этот раз ему предстояло разо- врачей и органы здравоохранения на ме-
браться с подборкой данных, составленной стах сообщать агентству о каждом ин-
одним из его сотрудников, и эти сведения циденте. К началу нынешнего года чис-
повергли его в шок. Госпитали в пригороде ло инфицированных превысило 1,5 тыс.
Лос-Анджелеса, переоборудованные под ле- в 23 штатах. Затем разразилась пандемия
чение инфицированных COVID-19, сообща- COVID-19 и произошло все, что с ней связа-
ли о новой напасти: у некоторых пациентов, но: переполнение больниц, высокая смерт-
помимо вирусной, развилась другая инфек- ность, переориентация всей системы здра-
ция, а именно вызванная грибом Candida воохранения на борьбу с новым вирусом
auris. и отвлечение сил и средств от других ин-
фекционных заболеваний.
Чиллер знал об этом грибе все — боль-
ше, чем кто-либо другой в США. Пример- С самого начала пандемии Чиллер осоз-
но четыре года назад руководство CDC ра- навал, какую опасность для человечества
зослало по больницам бюллетень с призы- представляет наложение этих двух инфек-
вом быть начеку. В США гриб Candida auris ционных заболеваний. В первых же статьях
пока не был обнаружен, но Чиллер знал о его о вспышке новой болезни, опубликованных

68 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Инфекционные болезни

Photograph by Timothy Archibald В сентябре 2018 г. Торренсу Ирвину показалось, что он заболевает. «Простудился», — подумал он. Но спустя семь
месяцев дыхательная способность легких у него уменьшилась на 75%. Оказалось, что у Ирвина равнинная лихорадка. Его
жизнь была спасена благодаря новому, еще не получившему одобрения препарату.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 69

Инфекционные болезни

китайскими эпидемиологами в междуна- долгое время находились, осваивая новые
родных медицинских журналах, положение пространства, приобретая новые свойства
пациентов описывалось как катастрофиче- и способность сосуществования с другими
ское: без адекватного лечения, подключен- видами. Они становятся все более опасны-
ные к аппаратам искусственной вентиля- ми патогенами, угрожая жизни и здоровью
ции легких, напичканные лекарствами для людей в небывалых ранее масштабах.
подавления воспалительной реакции и бак-
териальной инфекции. Введение препара- Методы диагностики серьезных грибко-
тов, повышающих иммунитет, могло спасти вых заболеваний весьма несовершенны, по-
от вируса, но подавляло врожденные защит- этому все имеющиеся оценки, скорее все-
ные механизмы, а антибиотики широко- го, занижены. Согласно одной из заслужи-
го спектра действия уничтожали полезные вающих доверия, инфицированы примерно
бактерии, которые сдерживали размноже- 300 млн жителей земного шара, а умира-
ние патогенных микроорганизмов. Больные ет ежегодно 1,6 млн — больше, чем от маля-
могли погибнуть от любой другой инфекции. рии, и примерно столько же, сколько от ту-
беркулеза. По данным CDC, в США по поводу
Чиллер с коллегами обратился к эпиде- грибковых заболеваний ежегодно госпита-
миологам своей страны и Европы с прось- лизируют более 75 тыс. человек, еще 8,9 тыс.
бой сообщать о любых признаках того, что лечатся амбулаторно. Для врачей и эпидеми-
COVID-19 создает почву для распростране- ологов это неожиданные и вызывающие тре-
ния смертельно опасных грибов, и полу- вогу факты, поскольку считалось, что нас
чил известия из Индии, Италии, Колумбии, надежно защищает от инфицирования гри-
Германии, Австрии, Бельгии, Ирландии, бами не только иммунная система, но и то,
Нидерландов и Франции, а также из раз- что температура тела у человека выше, чем
ных штатов США. Первые признаки новой та, которая для грибов наиболее комфорта-
эпидемии наложились на пик пандемии бельна. Риск заражения открытых тканей
COVID-19. Но возбудителем был не C. auris, с их более низкой температурой немного
а другой смертельно опасный гриб — Asper- выше — вспомните о дрожжевой инфекции
gillus. или стригущем лишае, — но у людей с нор-
мальным иммунитетом, как полагали, ве-
«Он может появиться где угодно, — гово- роятность инвазивной инфекции ничтожна.
рит Чиллер. — И мы понятия не имеем, как
его остановить». Какая самонадеянность! «Мы знаем о гри-
бах очень мало, — говорит Артуро Касаде-
Мы относимся к патогенным грибам валл (Arturo Casadevall), врач и молекуляр-
как к некоей досадной помехе: пле- ный микробиолог из Школы общественного
сень на сыре, на обуви, засунутой здравоохранения Блумберга при Универси-
глубоко в чулан, на влажной непросушен- тете Джонса Хопкинса. — Спросите любого
ной одежде. Мы счищаем ее, не осознавая, прохожего, каких инфекционных болезней
что тем самым способствуем распростране- он больше всего опасается, и он скажет, что
нию этих микроорганизмов. Царство грибов боится бактерий и вирусов. А о том, что кто-
включает примерно 5 млн видов — от обыч- то умер от грибкового заболевания, он даже
ных пекарских дрожжей до экзотических не слышал».
обитателей тропиков. Оно отличается от дру-
гих царств по целому ряду признаков. В от- По иронии судьбы восприимчивости
личие от клеток человеческого тела у гри- к грибам способствовали достижения ме-
бов вместо мембраны — клеточная стенка; дицины. Эти микроорганизмы успешно ис-
в отличие от растений они не могут синте- пользуют любые бреши в нашей иммунной
зировать питательные вещества; в отличие системе, но до середины ХХ в. люди с им-
от бактерий их генетический материал упа- мунной недостаточностью долго не жили.
кован в клеточном ядре. Некоторые из этих С тех пор медицина шагнула далеко вперед
признаков делают их похожими на нас — в отношении поддержания жизни людей,
на клеточном уровне. Грибы разрушают чья иммунная система ослабла в результате
скальные породы, снабжают питательны- тех или иных заболеваний, противораковой
ми веществами растения, повреждают нашу терапии или в связи с возрастом. Разрабо-
кожу, засоряют кишечник, оставаясь при таны методы подавления иммунитета у па-
этом незамеченными и соседствуя с нами. циентов, которым предстоит транспланта-
ция органов, или у людей с аутоиммунными
Сегодня это сосуществование все боль- заболеваниями (волчанкой, ревматоидным
ше нарушается. Грибы распространяются артритом и др.). В результате расширился
за пределы тех климатических зон, где они круг людей с пониженным иммунитетом,

70 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Инфекционные болезни

Резистентные Условные Каждый кружок соответствует одному образцу C. auris
грибы‑убийцы атакуют обозначения
Каждый кружок относится I II III IV
Гриб Candida auris, одна из разновидностей дрожжей, к одной из четырех клад
впервые появился в конце 1990-х гг. и быстро распро-
странился по всему земному шару. Смертельно опас- Контур кружка указывает, к какому 1 2 34
ный для человека, он убивает две трети инфициро- числу препаратов устойчив данный
ванных. Его споры, попав в кровь, поражают самые представитель C. auris
разные органы. По данным проведенного в 2020 г. ис-
следования, C. auris обнаружен в 19 странах шести Австралия
континентов. Все грибы этого вида можно разделить Канада
на шесть групп (клад), различающихся генетически.
Члены каждой клады устойчивы по меньшей мере Колумбия
к одному противогрибковому препарату из трех раз-
ных классов*: азолам, полиенам и эхинокандинам. Франция
Многие устойчивы к двум препаратам, а небольшое Германия
число представителей клады I — к трем.
Индия
*Препараты еще двух классов не применялись для Израиль
борьбы с инфекцией этого типа. Япония

Кения

Страны, в которых проведено Пакистан
тестирование образцов C. auris Панама

Саудовская Аравия
Южная Африка
Южная Корея
Испания
ОАЭ
Англия

США

SOURCE: “TRACING THE EVOLUTIONARY HISTORY AND GLOBAL EXPANSION OF CANDIDA AURIS USING POPULATION GENOMIC ANALYSES,” BY NANCY Венесуэла
A. CHOW ET AL., IN AMERICAN SOCIETY FOR MICROBIOLOGY, VOL. 11; APRIL 28, 2020; Graphic by Amanda Montañez
высокочувствительных к грибковой инфек- Не следует думать, что грибы ворвались
ции. (Кстати, именно в ходе борьбы с пнев- в наш быт внезапно. Человек жил с ними
монией, вызванной грибом Pneumocystis бок о бок всегда. Грибами была насыщена
carinii, 40 лет назад был идентифицирован среда его обитания — и не только. Некото-
вирус иммунодефицита человека.) рые виды жили внутри нас. Сегодня каж-
дый человек ежедневно вдыхает не менее
Распространение патогенных грибов про- 1 тыс. спор грибов. Возвести стену меж-
исходило и по другим причинам. Человек ду нами и царством грибов невозможно.
вырубал леса, расширяя площади пахот- Но ученые не прекращают попыток понять,
ных земель, нарушая равновесие, сформи- как были повреждены системы организма,
рованное между грибами и их хозяевами; защищающие человека от этих микроорга-
перевоз­ ил зараженные продукты и живот- низмов, и как их можно восстановить.
ных через океаны; обрабатывал сельско-
хозяйственные культуры фунгицидами, Удивительно, что люди так долго не за-
что приводило к появлению резистентных думывались о той опасности, кото-
к ним разновидностей грибов. Деятельность рую представляют для них грибы,
человека стала причиной глобального поте- при том что веками они уничтожали куль-
пления, грибы приспосабливались к более турные растения. В 1840-х гг. грибоподоб-
высоким температурам, что сужало разрыв ный микроорганизм Phytophthora infestans
между предпочитаемой ими температурой уничтожил в Ирландии все картофель-
и температурой нашего тела — разрыв, дол- ные поля; более миллиона человек — одна
гое время защищавший человечество.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 71

Инфекционные болезни

Этот смертоносный дуэт поражает все больше
людей. Coccidioides immitis вызывает равнинную
лихорадку и распространяется за пределы Юго-
Запада США, где он впервые был обнаружен
(1). Aspergillus fumigatus встречается в разных
климатических зонах и может быть смертельно
опасен для людей, переболевших гриппом или
COVID-19 (2).

В США еже- в­ осьмая ­населения страны — умерли от го- каждый день контактировали с кошками.
годно госпи- лода. В 1870-х гг. ржавчинный гриб Hemileia Анализ результатов обследований этих па-
vastatrix опустошил кофейные плантации циентов, а также кошек, лечившихся в на-
75 тализируют в Южной Азии. Производители кофе в Ин- ходившейся по соседству ветеринарной
тыс. дии и Шри-Ланке были разорены, основны- клинике, показал, что всему виной — гриб
человек ми его производителями стали страны Цен- рода Sporothrix. Его разновидности обита-
с грибковой тральной и Южной Африки. Грибы были ют в почве и древесине. Попав в тело живот-
инфекцией, причиной исчезновения американского ного через ранку или потертость на ноге,
каштана в Аппалачах в 1920-х гг. и вырубки гриб приобретает споровидную структуру,
8,9  миллионов засохших вязов в городах Аме- напоминающую дрожжи. До этого дрожже-
рики в 1940-х гг. Ежегодно они уничтожа- вые формы не передавались от животного
млн ют пятую часть мирового урожая зерновых. к животному, но позже это произошло. Кош-
лечатся ки заражали друг друга во время драк, при
амбулаторно Тем не менее многие годы микробиологи спаривании, при чихании. К человеку воз-
направляли все усилия на борьбу со вспыш- будитель инфекции попадал через кошачьи
ками грибковых заболеваний растений и им царапины и укусы, из кожи он распростра- MICHAEL ABBEY Science Source
никогда не приходило в голову, что эта на- нялся по всему телу, проникая в лимфати-
пасть может распространиться на живот- ческие узлы, кровеносные сосуды, внутрен-
ных, в частности на человека. «Фитопато- ние органы. Бразильские врачи сообщали
логи и фермеры всегда воспринимали гри- об обнаружении гриба в головном мозге не-
бы как серьезную угрозу, — говорит Мэттью которых больных.
Фишер (Matthew C. Fisher), профессор эпи-
демиологии Имперского колледжа Лондона, Гриб с такими опасными свойствами вы-
который занимается изучением процессов делили в особый вид, Sporothrix brasiliensis.
распространения патогенных грибов. — Их К 2004 г. в больницах FIOCRUZ было про-
возможная опасность для животного мира лечено 759 зараженных им пациентов,
не воспринималась ими всерьез». к 2011 г. их число достигло 4,1 тыс. К про-
шлому году по всей Бразилии было зараже-
Когда в Рио-де-Жанейро стали массово но 12 тыс. человек, болезнь распространи-
умирать уличные кошки, никто не задал- лась на Парагвай, Аргентину, Боливию, Ко-
ся вопросом почему. Обычно эти животные лумбию и Панаму.
бегали повсюду, устраивали драки, лови-
ли мышей и производили бесчисленное по- «Эта эпидемия — не локальная вспышка, —
томство. Но летом 1998 г. у десятков, а за- говорит Флавиу Кейрос-Теллес (Fl   vio Queiroz-
тем сотен из них стали появляться призна- Telles), врач, доцент Федерального универ-
ки какой-то непонятной болезни: мокнущие ситета Параны в Куритибе, который впер-
язвы на подушечках лап и ушах, опухшие вые столкнулся с этой грибковой инфекцией
слезящиеся глаза, выпадающая шерсть. в 2011 г. — Она постепенно расползается».
Кошки в Рио жили в тесном соседстве
с людьми. Дети играли с ними, а женщи- Как именно, остается загадкой: улич-
ны — особенно в бедных кварталах — при- ные кошки — бродячие животные, но не на
ручали их, чтобы они ловили крыс и мы-
шей. Вскоре сходные болячки стали появ-
ляться у детей и женщин: округлые язвы
с корочкой по краям на кистях рук, ярко-
красные вздутия на предплечьях.

В 2001 г. сотрудники Фонда Освалду Кру-
са (FIOCRUZ ) и больницы при нем, распо-
ложенных в Рио-де-Жанейро, подсчитали,
что за три года к ним поступило 178 боль-
ных (в основном женщин) с мокнущими яз-
вами и вздутиями на руках. Почти все они

72 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Инфекционные болезни

12

SCIENCE SOURCE т­ ысячи же километров они совершают свои Торренсу Ирвину (Torrence Irvin) было
путешествия! Один из возможных отве- 44 года, когда у него начались пробле-
тов дали Чиллер с коллегами. В Бразилии мы со здоровьем. Этот крупный муж-
и Аргентине споротрихоз распространен чина, выделявшийся среди сверстников
не только среди кошек, но и среди крыс. Ин- по колледжу и институту атлетическим те-
фицированные грызуны могли оказаться лосложением, проживает в Паттерсоне, ти-
в грузовых контейнерах, перевозимых во- хом городке, расположенном в Большой Ка-
дным путем. Каждый день в американских лифорнийской долине. Около двух лет на-
доках их выгружают с кораблей миллиона- зад он купил дом в новом районе и переехал
ми. Так патогенные грибы могли попасть в него с женой Рондой и двумя дочерьми.
в США, а больные крысы — разнести инфек- Ирвин работал менеджером в ретейлерской
цию в припортовые города. компании Crate & Barrel и был комментато-
ром юношеских футбольных матчей.
«В густонаселенных городских кварталах
вам обязательно попадутся на глаза боль- В сентябре 2018 г. он, как ему показалось,
ные бездомные кошки, свободно разгули- простудился. Какое-то время Ирвин прини-
вающие по улицам, — говорит Джон Россоу мал противопростудное средство, но спустя
(John Rossow), ветеринар из CDC, который несколько недель у него появились слабость
одним из первых забил тревогу по поводу и одышка. Однажды в октябре он потерял
появления Sporothrix в США. — А поскольку сознание и рухнул на пол. Жена настояла
всегда найдутся сердобольные люди, кото- на вызове скорой, Ирвина положили в боль-
рые захотят помочь несчастным животным, ницу.
нетрудно представить, что зараза переки-
нется на них». Врачи подумали, что у пациента пневмо-
ния, и, подлечив, через некоторое время вы-
Для Чиллера и его коллег-микологов опас- писали, снабдив антибиотиками и реко-
ность такого способа распространения оче- мендациями по приему бесчисленного мно-
видна. Царство грибов завоевывает все но- жества других лекарств. Но слабость все
вые территории; его «подданные» пересека- увеличивалась, пропал аппетит, началась
ют любые границы, используя малейшую рвота. Ирвин обратился к другим врачам.
возможность в поисках новых организмов- Ему становилось все хуже, одышка уси-
хозяев. И в этом, как это ни печально, мы ливалась, появилась потливость, он терял
помогаем им сами. «Грибы живучи, их спо- в весе и выглядел как онкобольной. В конце
собность к адаптации очень высока, — го- концов очередное обследование показало,
ворит Чиллер. — На сегодня нам известно что причина всему — грибковая инфекция,
300 патогенных видов, всего же существу- кокцидиомикоз, или равнинная лихорадка.
ет несколько миллионов разновидностей «Я и не знал, что такая болезнь существу-
этих микроорганизмов, а это огромный по- ет», — говорит Ирвин.
тенциал для появления новых опасных ва-
риантов». Зато знали другие. Ирвина отправили
в Калифорнийский университет в ­Дейвисе,

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 73

Инфекционные болезни

Ежедневно в 160 км от города, где он жил. Болезнь, ди- дед, как-то раз навестивший меня в клини-
каждый агностированная у Ирвина, встречалась ке, не мог сдержать слез. Мои дети не хотели
житель в основном в Калифорнии и Аризоне, на юге меня видеть: им было страшно».
Земли Невады и западе Техаса. В этих регионах
вдыхает ее возбудители, грибы Coccidioides immitis Отчаявшись, врачи решили попробовать
и Coccidioides posadasii, инфицировали еже- только что созданный английскими фар-
1 годно примерно 150 тыс. человек, а в других мацевтами препарат под названием «олоро-
местах о таком заболевании мало кто слы- фим». Он еще не поступил в продажу, но ор-
 тыс. шал. «Это не какой-то вездесущий патоген: ганизаторы одного клинического испыта-
вы не подхватите инфекцию в густонасе- ния включали в него пациентов, которым
спор ленных кварталах Нью-Йорка или Босто- уже ничего не помогало. Очень скоро после
грибов на, — говорит Джордж Томпсон (George R. того, как Ирвин стал его принимать, в тече-
Thompson), заместитель директора Меди- нии болезни наступил перелом. Щеки у него
цинского центра в Дейвисе, лечащий врач округлились, он самостоятельно вставал
Ирвина. — Поэтому даже медики счита- на ноги, опираясь о ходунок. Через несколь-
ют ее каким-то экзотическим заболевани- ко недель Ирвина выписали.
ем. Но в эндемичных регионах она вполне
обычна». Сегодня равнинная лихорадка диагности-
руется в восемь раз чаще, чем 20 лет назад.
Как и Sporothrix, Coccidioides существует Это коррелирует с ростом числа сезонных
в двух формах. Исходная форма, обитающая мигрантов на Юго-Западе и Западном по-
в почве, имеет вид хрупких изломанных ни- бережье (теперь там возводится больше до-
тей; эти нити ломаются, когда разрушает- мов, распахивается больше земель), а так-
ся почвенный покров. Летучие фрагмен- же с глобальным потеплением. «Coccidioides
ты разносятся в воздухе с ветром на сотни прекрасно себя чувствует во влажной почве;
километров. Когда-то Ирвин вдохнул их — он не образует спор и потому не слишком
и в его организме они превратились в кро- опасен, — говорит Томпсон. — Споры обра-
шечные сферические споры, которые пере- зуются во время засухи, а за последнее вре-
местились с кровотоком в кости черепа и по- мя такое случается все чаще».
звоночник. В качестве защиты в организме
начала образовываться рубцовая ткань, Поскольку равнинная лихорадка всегда
препятствующая попаданию спор в легкие. была заболеванием, характерным для жар-
К тому времени, когда Ирвин стал пациен- ких стран, считалось, что жителям регионов
том Томпсона, спустя семь месяцев после с умеренным климатом она не грозит. Но все
первого коллапса, у него функционировало меняется. В 2010 г. ею заболели три жителя
всего 25% легких. Тем не менее Ирвин был восточной части штата Вашингтон: 12-лет-
счастлив: у каждого сотого инфицированно- ний мальчик, который вместе с родителями
го грибы прорастали в головной мозг. путешествовал по одному из каньонов и вдох-
нул споры гриба; 15-летний юноша, упавший
Были испробованы все доступные спосо- с квадроцикла; 58-летний строитель, у кото-
бы лечения. Существует всего пять клас- рого гриб проник в головной мозг. Из публи-
сов противогрибковых препаратов — очень кации двухлетней давности следует, что та-
мало по сравнению с 20 с лишним антибак- ких случаев может быть гораздо больше. Мор-
териальными лекарствами. Отчасти дело ган Горрис (Morgan Gorris) из Лос-Аламосской
в том, что сложно получить препарат, дей- национальной лаборатории попытался оце-
ствующий только на грибы и не затрагива- нить, какая часть территории США будет
ющий клетки человека, поскольку на кле- охвачена глобальным потеплением к кон-
точном уровне грибы и человек сходны. цу столетия настолько, что эти регионы ста-
нут эндемичными относительно Coccidioides.
Новый класс противогрибковых препа- Согласно разработанному им сценарию, при
ратов появляется на рынке примерно раз повышении среднегодовой температуры
в 20 лет. Так, полиены, в частности амфоте- до 10,7° C и среднегодовом количестве осадков
рицин В, синтезировали в 1950-х гг., азолы — менее 600 мм благоприятная для гриба тер-
в 1980-х, а эхинокандины, самый последний ритория США достигнет канадской границы
класс, — в 2001 г. (Есть еще тербинафин, ис- и охватит почти весь запад страны.
пользуемый в основном при наружных ин-
фекциях, и флуцитозин, применяемый в со- Выздоровление Ирвина растянулось почти
четании с другими лекарствами.) на два года: он все еще принимает ежеднев-
но шесть пилюль олорофима и готовится
Что касается Ирвина, то ни один препа- к тому, что это продлится до конца жизни.
рат не был достаточно эффективен. «Я пре- Он вернулся к своему прежнему весу, орга-
вратился в скелет, — вспоминает он. — Мой низм окреп, но легочная недостаточность

74 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Инфекционные болезни

не ушла совсем и ему пришлось оформить Но это еще не все. Врачи, имеющие дело
инвалидность. «Я учусь жить с этим, — го- с грибковыми заболеваниями, видели при-
ворит он. — По-видимому, это навсегда». знаки еще одной напасти: распростране-
ния другого гриба, перед которым благода-
Sporothrix нашел новый способ передачи. ря COVID-19 открылись новые горизонты.
Равнинная лихорадка распространя-
ется на новые территории. C. auris ис- В природе Aspergillus fumigatus играет
пользует возможности, открывшиеся в ре- роль чистильщика. Он способствует гние-
зультате хаоса, который возник в ходе пан- нию погибающих деревьев и опавших ли-
демии COVID-19. стьев. В медицине этот гриб известен как
возбудитель оппортунистической инфек-
Этот гриб уже имел дурную славу. Он ции, которая развивается, когда осла-
вел себя иначе, нежели другие патогенные бленная иммунная система не справляет-
дрожжи, обитал в кишечнике человека, ни- ся с попавшими в организм спорами. У тя-
как себя не проявляя до тех пор, пока имму- желобольных смертность от инвазивного
нитет организма-хозяина не ослабевал; по- аспергиллеза достигает 100%.
сле этого гриб проникал в кровь или слизи-
стые. А в первой декаде нынешнего века он В период эпидемии птичьего гриппа
начал передаваться от человека к человеку, в 2009 г. у Aspergillus появились новые жерт-
приобрел способность выживать на метал- вы — вполне здоровые люди с единствен-
ле, пластике и картоне. Когда в самом на- ным недавно перенесенным заболеванием:
чале пандемии возник дефицит одноразо- гриппом. В больницы Нидерландов стали
вых масок и перчаток, медицинским работ- поступать пациенты с затрудненным ды-
никам пришлось использовать их повторно, ханием, близкие к шоковому состоянию.
чтобы не заразиться самим. И C.auris был Не прошло и несколько дней, как все они
тут как тут. умерли. К 2018 г. у каждого третьего боль-
ного с гриппом был диагностирован инва-
Врач и микробиолог из Нью-Дели Анурад- зивный легочный аспергиллез, две трети
ха Чоудхари (Anuradha Chowdhary), прочи- из них умерли.
тав сообщения о первых случаях заражения
новым коронавирусом, обеспокоилась тем, Вскоре началась пандемия COVID-19.
что COVID-19 сочтут таким же воспалитель- У заболевших наблюдались такие же ле-
ным заболеванием, как респираторная ин- гочные симптомы, как при гриппе. Сети
фекция. Обычно для подавления воспале- предупреждения пестрели сообщениями
ния в таких случаях пациентам назнача- о бессчетном числе случаев аспергиллеза
ют стероиды. И она поняла, что такая мера у больных коронавирусной инфекцией. Со-
расчистит путь C. auris, высоколетальному общения приходили из Китая, Франции,
и вездесущему грибу, который к тому вре- Бельгии, Германии, Нидерландов, Австрии,
мени был обнаружен в больницах 40 стран Ирландии, Италии, Ирана. Aspergillus вы-
по всем континентам за исключением Ан- зывал такие же осложнения, как и C. auris,
тарктики. Если медики станут невольными но был еще опаснее. Последним можно за-
переносчиками этого патогена и он распол- разиться в больницах, а Aspergillus — где
зется по всем лечебным учреждениям, это угодно. От спор невозможно изолироваться.
будет катастрофой. «Я подумала: отделения
интенсивной терапии будут переполнены, У врача Кирен Марр (Kieren Marr) из Бал-
и если в каком-то из них уже есть C. auris, тимора есть особенно веские причины для
пациентов ждет неминуемая смерть». беспокойства. Она работает в Медицинском
центре Джонса Хопкинса и руководит от-
Чоудхари поделилась своими опасениями делом по изучению инфекционных заболе-
с коллегами, направив статью в один из ме- ваний, которые угрожают онкологическим
дицинских журналов еще в начале панде- больным и пациентам, перенесшим транс-
мии, а через несколько месяцев привела плантацию органов. Когда разразилась
новые данные: отделение интенсивной те- пандемия COVID-19, Марр тут же вспом-
рапии на 65 коек в одной из больниц Нью- нила об Aspergillus и подумала, что в боль-
Дели заражено C. auris и две трети пациен- ницах США, персонал которых незнаком
тов с COVID-19 умерли. Что касается США, с угрозой, исходящей от этого гриба, про-
то в бюллетене, который получил Чиллер, пустят случайное заражение им. В Меди-
сообщалось о нескольких сотнях инци- цинском центре Джонса Хопкинса начали
дентов в больницах и поликлиниках Лос- тестировать больных коронавирусной ин-
Анджелеса и округа Ориндж, а в одном толь- фекцией, находящихся в отделении интен-
ко госпитале во Флориде их было уже 35. сивной терапии, теми же методами, какие
применялись в Европе, стараясь выявить

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 75

Инфекционные болезни

Число из- ­грибковую инфекцию как можно раньше. на тот момент лекарств ему не помога-
вестных Оказалось, что каждый десятый пациент, ло. C. auris уже резистентен ко всем трем
видов гри- находящийся в тяжелом состоянии, зара- классам противогрибковых препаратов,
жен Aspergillus. Несколько таких больных а Aspergillus — к наиболее широко использу-
5бов: умерли, у одного из них гриб проник в голов- емому классу: азолам. Их применяют по все-
  ной мозг. Марр полагала, что по всей стра- му земному шару не только в сельском хо-
не таких случаев гораздо больше, но инфек- зяйстве для обработки зерновых культур,
млн ция не была диагностирована. «Это крайне но и для дезинфекции изделий из металла,
Число из- тревожно, — заявила Марр этой весной. — пластика и строительных материалов. Пока
вестных Aspergillus особенно опасен сейчас, во время грибы в «игре в чехарду» побеждают.
видов, вы- пандемии, в этом нет никаких сомнений».
зывающих Оптимальный способ борьбы с грибами —
заболева- Нашествию грибов трудно противосто- не их уничтожение, а вакцинация населе-
ние у чело- ять не только вследствие их высокой виру- ния. На сегодня никаких противогрибковых
лентности и скрытности. За время своего вакцин не существует. А между тем трудно-
века: «сожительства» с человеком они выработа- сти с длительным лечением больных ток-
ли устойчивость к лекарственным препара- сичными препаратами и рост заболеваемо-
300 там, с помощью которых с ними пытались сти делают их разработку в высшей степени
бороться. актуальной.

Это похоже на историю с антибиотиками. Причина, по которой равнинная лихорад-
Фармацевты «играют в чехарду» с бактери- ка не косит всех подряд (хотя 10% населения
ями, пытаясь обогнать в поисках новых ан- США проживают в эндемичных регионах),
тибиотиков процесс создания микробами состоит в том, что у инфицированных вы-
защитных механизмов. Но ситуация с па- рабатывается долговременный иммунитет.
тогенными грибами еще хуже. Они тоже вы- Это означает, что вакцина против этого за-
рабатывают резистентность к противогриб- болевания может быть эффективной, имен-
ковым препаратам, но беда в том, что этих но потому иммунологи бьются над ее соз-
препаратов исходно очень мало, поскольку данием с 1940-х гг. Блестящие результаты
угроза была осознана относительно недавно. дала в опытах на мышах вакцина на основе
убитых спор Coccidioides, однако клиниче-
«В начале 2000-х, когда я оставил заня- ские испытания, проведенные в 1980-х гг.,
тие чистой наукой и перешел в промышлен- показали, что для человека она неэффек-
ность, никакого производства по синтезу тивна. «Мы испытывали ее на малобюд-
противогрибковых препаратов не существо- жетной основе и надеялись, что она сра-
вало», — говорит Джон Рекс (John H. Rex), ботает», — говорит Джон Гальджани (John
врач по образованию, главный медицин- Galgiani), директор Центра передового опы-
ский эксперт компании F2G, занимающий- та по равнинной лихорадке при Медицин-
ся синтезом пока не получившего одобрения ском колледже Аризонского университета,
Управления по санитарному надзору за ка- один из организаторов испытаний сорока-
чеством пищевых продуктов и медикамен- летней давности.
тов (FDA) США препарата, которым лечится
Торренс Ирвин. А теперь обратимся к ситуации с собака-
ми. Эти животные, как хорошо всем извест-
Сегодня ситуация несколько иная, но ис- но, обнюхивают все подряд, и риск заболеть
следования идут медленно. Между тем раз- равнинной лихорадкой для них гораздо
работка новых противогрибковых средств выше, чем для человека. В одном из окру-
просто необходима, поскольку пациентам гов Аризоны от нее ежегодно умирает 10%
приходится принимать такие средства ме- собак, и вероятность того, что у них разо-
сяцами, иногда и годами, а многие из име- вьется тяжелая легочная недостаточность,
ющихся препаратов токсичны. «Врач дол- выше, чем у людей. Этот факт в сочетании
жен делать выбор между борьбой с гриб- с пониженными требованиями к примене-
ковой инфекцией и сохранением почек нию новых лекарственных средств в случае
пациента, — объясняет Сиара Кеннеди животных позволяет использовать собак
(Ciara Kennedy), президент компании Amplyx в качестве модели для испытания вакцин.
Pharmaceuticals, — но если не бороться с ин- Добавьте сюда привязанность владельцев
фекцией, то пациент неизбежно умрет». собак к своим питомцам и готовность по-
тратить на них кругленькую сумму.
Новые препараты жизненно необходимы
еще и потому, что старые становятся недей- Сегодня Гальджани с коллегами при
ственными. Ирвин согласился принять уча- финансовой поддержке сотен владель-
стие в клинических испытаниях олорофи- цев собак и благодаря получению ­гранта
ма потому, что ни одно из ­существовавших

76 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Инфекционные болезни

от ­Национальных институтов здоровья По его оценкам, «человеческая» вакци-
(а также помощи калифорнийской компа- на против равнинной лихорадки поступит
нии Anivive Lifesciences) работают над созда- на рынок только через пять-семь лет, а на ее
нием вакцины другого типа. Тестирование создание потребуется примерно $150 млн,
не завершено, но есть надежда, что вакци- при этом нет никакой гарантии, что день-
на появится уже в следующем году. «Я ду- ги не будут потрачены впустую. Но если раз-
маю, это стоящая идея — сначала испытать работчикам улыбнется удача, это защитит
вакцину на собаках, чтобы убедиться в ее жителей Юго-Запада США и военнослу-
безопасности, — говорит Лиза Шубиц (Lisa жащих 120 баз, расположенных в этом ре-
Shubitz), ветеринар, научный сотрудник ис- гионе, а также сотни тысяч сезонных ми-
следовательского центра в Аризоне. — Это грантов. (Три года назад CDC зафиксиро-
реальный шаг к созданию противогрибко- вал заболевания равнинной лихорадкой
вой вакцины для человека». в 14 штатах за пределами эндемичной зоны.
Большинство заболевших посещали юго-
В новой версии используют не убитые западные регионы в зимнее время.) По од-
споры возбудителя равнинной лихорад- ной из оценок, вакцина позволила бы систе-
ки, а живые грибы, из генома которых уда- ме здравоохранения ежегодно экономить
лен ген CPS1, контролирующий репродук- $1,5 млрд.
тивный цикл. Этот ген идентифицировала
группа фитопатологов, а затем его изоли- «Десять лет назад мы не видели никаких
ровал Марк Орбах (Marc Orbach) из Аризон- перспектив относительно создания проти-
ского университета, который изучает взаи- вогрибковой вакцины, — резюмирует Галь-
модействие между патогеном и организмом- джани. — По моему мнению, сегодня такие
хозяином. Мутантную форму Coccidioides перспективы прослеживаются».
с удаленным CPS1-геном Гальджани с кол-
легами ввели лабораторным мышам — и по- Как только появится первая противо-
лучили мощный иммунный ответ в виде ак- грибковая вакцина, за ней последу-
тивации хелперных Т1-клеток. Мыши про- ют и другие. Если вакцинация будет
жили после этого шесть месяцев. Никаких успешной, человечество избавится от стра-
симптомов, характерных для равнинной ха перед нашествием грибов. Мы научимся
лихорадки, у них не наблюдалось, хотя ис- существовать с ними, не опасаясь вспышек
следователи пытались инфицировать их заболевания.
немутантным грибом. При аутопсии жи-
вотных не обнаружилось никаких следов Но с течением времени грибы видоизменя-
патогена в легких. Выработка столь мощно- ются: они осваивают новые местообитания,
го долговременного иммунитета позволя- по-другому себя ведут, используют возмож-
ет надеяться, что на основе гриба с удален- ности, которые открываются перед ними
ным CPS1‑геном Гальджани с сотрудника- в связи с такими событиями, как пандемия
ми удастся создать вакцину, эффективную COVID-19, когда их жертвами становятся ос-
в случае человека, но процесс этот будет лабленные люди. Чиллер, будучи экспертом
долгим. Центров по контролю и профилактике забо-
леваний, крайне обеспокоен.
Вакцина для собак находится в юрисдик-
ции Министерства сельского хозяйства «Последние пять лет мы живем с ощуще-
США, а одобрение на применение «человече- нием, что наступила новая реальность —
ской» вакцины дает FDA. Для этого вакци- господство царства грибов, — говорит он. —
на должна пройти клинические испытания, Сможет ли человечество противостоять
на что потребуется несколько лет и уча- новой напасти? Что окажется следующей
стие тысяч добровольцев, в то время как те- угрозой его существованию? Для нас все
стирование «собачьих» вакцин проводится эти вопросы — вовсе не чисто академиче-
на небольших группах животных. В отли- ские, мы должны готовиться к новым сюр-
чие от прототипа вакцины 1980-х гг. новая призам».
вакцина основана на живых микроорганиз-
мах. Поскольку одобрения не получил ни Перевод: Н.Н. Шафрановская
один из кандидатов, у разработчиков и ре-
гулирующих органов нет никаких ориенти- ИЗ НАШИХ АРХИВОВ
ров, которые помогли бы прикинуть, когда
новая вакцина появится на рынке. «Мы од- Фрезер Д. Грибы атакуют // ВМН, № 2, 2014.
новременно планируем наши действия и ре-
ализуем эти планы», — говорит Гальджани.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 77

Биохимия

Новая вакцина от COVID-19,
показанная здесь в виде
трехмерной модели, была
создана на основе искусственной
белковой наночастицы
и предназначена для получения
мощной иммунной защиты
78 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Биохимия

БИОХИМИЯ

Жизньулнуочвшаенянаия,

Все процессы в нашем организме регулируются природными
белками. Теперь исследователи научились создавать белки
искусственно. Благодаря данному достижению получена

новая вакцина от COVID-19 и, возможно, произойдет
революция в биологии

Роуэн Джейкобсен

Photographs by Timothy Archibald

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 79

Биохимия

ОБ АВТОРЕ

Роуэн Джейкобсен (Rowan Jacobsen) — журналист и автор несколь-
ких книг, среди которых «Тени на заливе» (Shadows on the Gulf, 2011)
и «Трюфельная гончая» (Truffle Hound, 2021). Среди его многочис-
ленных журнальных статей в Scientific American были опубликованы
«Цветы-призраки» (ВМН, № 4, 2019) и «Неуязвимые клетки» (ВМН,
№ 8–9, 2019). В 2017–2018 гг. он был стипендиатом программы науч-
ной журналистики Knight Science Journalism в Массачусетском тех-
нологическом институте.

оздним вечером в апреле 2020 г. сидящая в одиночестве
в лаборатории Вашингтонского университета Лекси Уоллс
(Lexi Walls) с беспокойством ожидала результатов самого
важного эксперимента в своей жизни. Уоллс — молодой
специалист по структурной биологии, эксперт по корона-
вирусам, в течение последних трех месяцев день и ночь
работавшая над созданием нового типа вакцины против
патогена, посеявшего хаос на планете. Она надеялась, что
в случае успеха ее подход не только поможет укротить COVID-19, но и произведет ре-
волюцию в вакцинологии, позволив эффективно бороться со многими инфекцион-
ными заболеваниями — от гриппа до ­СПИДа. В отличие от всех вакцин, использу-
емых ранее, эта была получена не из природных компонентов, а из искусственных
микроскопических белков, спроектированных на компьютере. Их создание — воз-
можность перестраивать природу.

Белки — это сложные наномашины, которые заставить белок раскрыть свои секреты. Сей-
постоянно взаимодействуют друг с другом час ученые разрабатывают биохимические
и выполняют большинство задач в живых ор- инструменты, которые изменят наш мир.
ганизмах. Они переваривают пищу, борются С их помощью мы сможем использовать бел-
с инфекцией, устраняют повреждения, вос- ки для создания нанороботов, которые будут
принимают и передают сигналы из окружаю- бороться с инфекционными заболеваниями
щей среды, осуществляют действия, помогают на уровне одиночных молекул, посылать сиг-
думать и участвуют в размножении. Они со- налы по организму, разрушать токсичные ве-
стоят из длинных цепочек более простых мо- щества или улавливать свет. Мы можем соз-
лекул, называемых аминокислотами, скручи- давать биологические молекулы с определен-
ваются и складываются в чрезвычайно слож- ной задачей.
ные трехмерные структуры, подобно оригами.
Их формы зависят от порядка и количества Уоллс находится на переднем крае этих ис-
различных используемых аминокислот, ко- следований. В декабре 2019 г. она защитила
торые могут обладать отталкивающими или диссертацию, темой которой была структура
притягивающими свойствами. Их взаимодей- коронавируса, тогда этим мало кто занимал-
ствия настолько сложны, а масштаб так мелок ся. «На протяжении пяти лет я пыталась убе-
(в среднем в клетке содержится 42 млн белков), дить людей в важности проблемы коронавиру-
что мы долгое время не могли понять прин- сов, — рассказывает она. — В начале защиты я
ципы, по которым они спонтанно и стабиль- сказала, что собираюсь объяснить, почему это
но сворачиваются из нитей в нужную форму. семейство вирусов потенциально может вы-
Многие специалисты предполагали, что мы звать эпидемию, к которой мы не готовы. К со-
не узнаем этого никогда. жалению, в итоге мое предсказание сбылось».

Однако новые наблюдения и открытия в об- Когда в конце декабря 2019 г. из китайского
ласти искусственного интеллекта ­позволяют Уханя просочились слухи о загадочной новой
пневмонии, Уоллс заподозрила коронавирус.

80 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Биохимия

Разработчики вакцины Лекси Уоллс (слева) и Брук Фиала (справа) использовали специально изготовленные белки для
получения новой многообещающей прививки от COVID-19. За счет размахивания уязвимым участком вируса SARS-CoV-2
перед клетками иммунной системы провоцируется сильная нейтрализующая реакция.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 81

Биохимия

10 января 2020 г. был опубликован в публич- так и от гриппа, содержат белки естественно-
ном доступе геном SARS-CoV-2. Уоллс и руко- го происхождения, которые вакцинологи на-
водитель ее лаборатории в Вашингтонском зывают иммуногенами. «Нам необходимо соз-
университете биохимик Дэвид Вислер (David дать иммуногены, которые были бы лучше
Veesler) просидели всю ночь над его анализом. естественных», — говорит Раппуоли.
Уоллс говорит, что почувствовала потрясаю-
щую сосредоточенность, что-то вроде: «Хоро- У Уоллс и Вислера возникла идея. А что если
шо, мы знаем, что делать. Давайте сделаем вместо целого шипа предъявить иммунной
это». системе только кончик RBD, который не был
бы закрыт никакой защитой? «Мы захотели
Как и другие коронавирусы, SARS-CoV-2 показать иммунной системе главный компо-
похож на шарик, покрытый белковы- нент, объяснить, на что именно ей надо реаги-
ми «шипами». У каждого шипа на кон- ровать», — рассказывает Уоллс.
це есть участок, который называется рецеп-
тор-связывающим доменом (RBD), он состоит Сложность заключалась в том, что у биологи-
из группы аминокислот, расположение и за- ческих существ не образуются изолированные
ряды которых идеально сочетаются с белком- RBD и этот участок слишком мал и незнаком,
рецептором на поверхности человеческих кле- чтобы привлечь к себе внимание иммунной си-
ток. Вирусный белок стыкуется с рецептором, стемы. Однако Уоллс и Вислер знали несколь-
как космический корабль, и вирус использует ких человек, способных помочь в решении про-
это соединение, чтобы проскользнуть внутрь блемы. Неподалеку располагалась лаборатория
клетки и размножиться. Института белкового дизайна Вашингтонско-
го университета. В институте про сворачива-
Поскольку RBD играет такую вредную роль, ние белка понимали достаточно, чтобы спро-
антитела иммунной системы атакуют его ектировать и создать несколько сотен простых
в первую очередь. Это тоже белки, организм маленьких белков, значительно меньше тех,
создает их, чтобы они связывались с RBD что когда-либо встречались в живых организ-
и выводили его из строя. Но специализирован- мах, но складывающихся в определенную фор-
ным клеткам нужно некоторое время, чтобы му с предсказуемыми функциями.
выработать достаточное количество эффек-
тивных антител, и за этот период вирус зача- В 2019 г. группа ученых из этой лаборатории
стую успевает нанести серьезный ущерб. под руководством биохимика Нила Кинга (Neil
King) сконструировала два крошечных белка
Первое поколение вакцин от COVID-19, в том с подходящими друг другу поверхностями, ко-
числе спасительные мРНК-вакцины, действу- торые при смешивании в растворе соединя-
ют за счет введения в организм белка шипа лись и самособирались в наночастицы. Эти
вместо живого коронавируса, так что иммун- шарики были размером с вирус, а их структу-
ная система учится узнавать RBD и «моби- ру можно было подкорректировать с помощью
лизовать войска». Но RBD может укрываться простых изменений в генетической последо-
за другими участками белка шипа, защища- вательности. Когда ученые украсили данные
ющими домен от антител, которые хотят с ним частицы 20 белковыми шипами от респира-
связаться. Это делает иммунный ответ менее торно-синцитиального вируса, который пред-
эффективным. Кроме того, свободно плаваю- ставляет собой вторую по значимости причи-
щий белок шипа непохож на настоящий вирус ну детской смертности в мире, в первоначаль-
и не всегда запускает сильную иммунную ре- ных тестах частицы вызвали внушительный
акцию, если не используются большие дозы иммунный ответ.
вакцины. Большой объем дозы увеличивает
стоимость и может вызывать сильные побоч- Уоллс и Вислер подумали: почему бы не по-
ные эффекты. пробовать использовать аналогичные нано-
частицы для вакцины от SARS-CoV-2, взяв
Какими бы удачными ни были вакцины RBD вместо целого белка шипа? Наночастицы
от COVID-19, многие специалисты считают ис- с фрагментом белка имеют еще и то преиму-
пользование природных белков временным щество, что производство вакцин такого типа
методом. «Становится ясно, что простого вве- дешевле и быстрее, чем тех, где используется
дения естественных или стабилизированных убитый или ослабленный вирус. Кроме того,
белков недостаточно», — поясняет Рино Раппу- они будут храниться при комнатной темпера-
оли (Rino Rappuoli), главный научный сотруд- туре и их легче транспортировать, чем неж-
ник и руководитель отдела разработки вакцин ные мРНК-вакцины, которые необходимо дер-
в крупнейшей британской фармакологической жать в глубокой заморозке.
компании GlaxoSmithKline (GSK). Большинство
современных вакцин, как от детских болезней, Уоллс связалась с Институтом белкового ди-
зайна и в сотрудничестве со специалисткой
по наночастицам Брук Фиалой (Brooke Fiala),

82 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Биохимия

которая работала с Кингом, при-

ступила к созданию прототипа — Выявление уязвимого места вируса
сферической наночастицы, содер-

жащей 60 копий RBD. Ученые по­ Вирус SARS-CoV-2 скрывает свои уязвимые участки. При использовании со-
пытались сделать нечто необычное: временных вакцин в организм вводится свободно плавающий белок шипа
вместо того чтобы прилепить RBD вируса, который должен запустить выработку антител. Но важная часть
непосредственно на поверхность на- шипа, рецептор-связывающий домен (RBD), который прикрепляется к клет-
ночастицы, они прицепили их с по- кам, обычно скрыт в складках большого белка. Поэтому иммунной си-
мощью коротких нитей из амино- стеме сложно найти RBD и создать к нему антитела. Теперь разработчи-
кислот, наподобие воздушных зме- ки вакцины выделили RBD и прицепили его к искусственной наночастице.
Предполагается, что это обеспечит мощную выработку антител.

ев. Если дать RBD немного больше SARS-CoV-2 Белок Участок RBD (красный)
пространства, это позволит иммун- шипа на шипе прячется внутри
ной системе рассмотреть его со всех большого белка, пока
сторон и выработать антитела, ко- не встретится с клеточным
торые смогут атаковать множество рецептором (лиловый).

различных точек.

Однако никто не знал, сработа-

ет ли это. Поэтому в тот апрель-

ский вечер в прошлом году Уоллс

ждала результатов, скрестив паль-

цы на удачу. Тремя неделями ранее

они с коллегами ввели некоторым

мышам вакцину с наночастицами. Введение мышам целого шипа вызывает умеренную Иммунные клетки Антитела
Другие грызуны получили обыч- реакцию иммунных клеток, вырабатывающих антитела.
ный белок шипа из других вакцин.
Теперь ученые взяли у животных Шип

кровь и смешали ее с псевдовирусом

SARS-CoV-2 — искусственной, нере-

плицирующейся версией вируса,

которую безопаснее использовать В новой вакцине RBD свободно связан с самособирающейся
в лабораториях. Нужно было посмо- искусственной наночастицей. RBD не защищен, поэтому
треть, выработались ли у кого-ни- антитела к нему вырабатываются лучше.

будь из вакцинированных мышей

антитела, которые могли бы заме- RBD Наночастица
тить и нейтрализовать псевдови-

рус.

Антителам требуется неко-

торое время, чтобы выпол-

нить свою миссию, поэтому

Уоллс пришлось ждать до позд-

него вечера. Она ни за что не согла- Связывающая Антитела,
силась бы поехать домой, провести цепочка нейтрализу-
в напряжении все выходные. За- ющие RBD
крывая дверь, коллеги пожелали ей

удачи. Перед уходом Вислер попро-

сил связаться с ним сразу, как толь-

ко будут результаты.

На улице уже стемнело, а в лабора-

тории царила призрачная тишина.

Наконец пришло время посмотреть.

Уоллс включила установку, позволяющую об- Те ж­ ивотные, которые получили большие дозы

Illustration by Falconieri Visuals наруживать и подсчитывать антитела, при- белка шипа, выработали антитела с умерен-

крепившиеся к вирусным частицам, глубоко ным нейтрализующим эффектом, это было

вдохнула и взглянула на цифры. сопоставимо с эффектом от некоторых дру-

Некоторым мышам вводили небольшое ко- гих вакцин. Но мыши, получившие вакци-

личество простого белка шипа, и это было ну с наночастицами, полностью победили

абсолютно безрезультатно: нулевой ­эффект псевдовирус. Антитела облепляли его и де-

при взаимодействии с псевдовирусами. монстрировали в десять раз более сильный

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 83

Биохимия

Для того чтобы заблокировать вирус, Лунсин Цао из Института белкового дизайна разработал маленькие искусствен‑
ные белки, так называемые мини-связыватели. Они прилипают к той части коронавируса, которая прикрепляется
к клеткам, и останавливают его. Мини-связыватели можно впрыскивать в нос для предотвращения заражения.
84 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Биохимия

­нейтрализующий эффект по сравнению с вак- Понимание механизма сворачивания бел-
циной, содержащей большое количество бел- ков позволило бы нам разработать новый тип
ка шипа. Результат сохранялся, даже когда лекарств, которые могли бы связываться с вы-
использовалась лишь мизерная доза. Перед шедшими из строя белками или заменять их,
Уоллс было то, что могло стать недорогой, хо- а также помогло бы разобраться в причинах
рошо хранящейся и сверхсильной вакциной. таких заболеваний, как болезни Альцгейме-
ра, Паркинсона, Гентингтона и муковисци-
Она отправила Вислеру сообщение, набран- доз, которые возникают из-за деформирован-
ное заглавными буквами: «ОНИ НЕЙТРАЛИЗУ- ных белков.
ЮТ!»
К сожалению, белки настолько малы, что
Вислер ответил: «В твоих руках следующее даже с помощью мощных микроскопов невоз-
поколение вакцин от коронавируса!» можно понять, что происходит в этом нано-
мире. Мы не знаем точно, как белки должны
Это был лишь первый из нескольких тестов, складываться правильно, не говоря уж о том,
которые должна была пройти вакцина. Ис- что происходит не так, когда они сворачива-
следователям еще предстояло доказать, что ются неверно. Для получения на специальном
вакцина сможет защитить и от живого виру- оборудовании изображения одного белка с вы-
са мышей, обезьян и, наконец, людей. Послед- соким разрешением могут понадобиться год
ний этап тестирования наночастиц запусти- работы и $120 тыс. Сейчас мы знаем струк-
ли в начале 2021 г. Но в тот момент в апреле туру всего 0,1% из них. В остальных случаях
были успешно продемонстрированы возмож- мы строим предположения. Это остается за-
ности белкового дизайна, это означало появ- гадкой, несмотря на достижения генетиче-
ление технологии, о которой раньше и не по- ской революции. Определенные генетические
мышляли. Мы научились лепить живую мате- последовательности влияют на физические
рию, из которой мы все созданы. и психические проявления, но зачастую мы
не знаем почему. Нам не хватало Розеттского
Какой бы радикальной ни была гене- камня для структуры белка, чтобы перевести
тическая революция последних де- то, что происходит на пути от считывания ге-
сятилетий, белки по-прежнему оста- нетической последовательности до реализа-
вались загадкой. Ген представляет собой ции функций организма.
просто зашифрованную информацию об от-
дельном белке. В гене набор из трех нукле- Теоретически должна быть возможность
отидов ДНК, обозначаемых буквами, коди- предсказать итоговую структуру белка по ко-
рует одну аминокислоту, а другой триплет дирующему его гену, и научиться этому столь
кодирует другую аминокислоту. Существу- важно, что в 2005 г. журнал Science включил
ют 20 аминокислот, которые клетка может эту задачу в список главных нерешенных на-
использовать в качестве блоков для стро- учных вопросов, составленный по случаю
ительства белка, и каждая аминокислота 125-летия издания. Но на самом деле раньше
имеет уникальн­ ые форму и функцию. Неко- это было возможно лишь для немногих про-
торые более гибкие, чем другие. Одни несут стых белков. Например, ученые знают, что
положительный заряд, а другие — отрица- если им нужно получить альфа-спираль (ча-
тельный. Некоторые притягиваются к воде, сто встречающуюся в белках спиралеобраз-
а другие отталкиваются. ную структуру, обеспечивающую стабиль-
ность), то они могут использовать такие ами-
Весь день напролет наши клетки синтези- нокислоты, как лейцин, аланин и глутамат,
руют новые белки с точным порядком амино- которые имеют подходящие форму и заряд, по-
кислот, прописанным в наших генах, и белки зволяющие образовывать правильные спира-
спонтанно сворачиваются в нужную форму. ли и плотно связываться с аминокислотами,
От этой формы и от заряда атомов на откры- расположенными витком выше и витком ниже.
тых участках зависит функция белков: на ка- Если ученым нужно изогнуть спираль, они мо-
кие сигналы они реагируют, к чему прикре- гут добавить пролин, который не формирует
пляются, что могут делать. Когда мы говорим: соответствующую связь и позволяет осталь-
«У него есть ген рыжих волос», это значит, что ной части спирали отклониться в сторону.
у него есть информация для синтеза белков,
которые обеспечивают образование опреде- Специалисты по структурной биологии, та-
ленного пигмента. Когда мы говорим: «У нее кие как основатель Института белкового ди-
есть ген, вызывающий рак молочной желе- зайна Дэвид Бейкер (David Baker), смогли най-
зы», это значит, что у нее есть мутация в гене, ти некоторые из этих базовых правил. Иссле-
из-за которой образуется белок с неправиль- дователи под руководством Бейкера внесли их
ной аминокислотой, он работает некорректно, в компьютерную программу Rosetta, ­которая
а это может привести к раку.

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 85

Биохимия

предсказывает структуры, и с ее помощью з­ ачем мы вообще этим занимаемся?» На 11-й
с­ оздали несколько небольших белков, в ос- раз появились некоторые новые идеи и лучшие
новном длиной в несколько десятков амино- результаты в среднем были около 30 баллов,
кислот. Некоторые из их достижений имеют на 12-м конкурсе опять произошел небольшой
большой потенциал: микроскопические «на- скачок — примерно до 40 баллов.
нооболочки» можно использовать для упаков-
ки и транспортировки лекарств по организ- Затем, в 2018 г., был 13-й конкурс. Лучшие
му, а расположенные на них молекулярные де- команды из института Бейкера опять улучши-
текторы срабатывают при встрече с раковой ли результат, в среднем почти до 50, но их опе-
клеткой, имеющей на поверхности определен- редил неожиданный участник: принадлежа-
ный набор аминокислот. щая Google компания DeepMind, чья система
искусственного интеллекта в 2017 г. победила
Однако наиболее важные белки в живых лучшего в мире игрока в го. За каждый белок
организмах имеют намного больший раз- искусственный интеллект набирал в среднем
мер и состоят из тысяч аминокислот, каждая 57 баллов.
из которых взаимодействует с дюжиной сосе-
дей. Некоторые из них образуют связи, проч- Такой результат потряс мировые лаборато-
ные, как в алмазе, некоторые наоборот оттал- рии белковой инженерии, но оказалось, что
кивают других. Подобные взаимодействия ме- это была всего лишь генеральная репетиция
няются в зависимости от расстояния. Таким перед 2020 г. В тот год система DeepMind дала
образом, количество взаимодействий быстро точный ответ. «Я подумал: это не может быть
становится астрономическим и расчеты для правдой, давайте подождем ответов по следу-
определения конечных структур долгое время ющим белкам, — говорит Моулт. — И они про-
оставались не под силу даже нашим лучшим должали приходить».
умам и суперкомпьютерам.
В среднем за все белки DeepMind набрала
В 1994 г. группа специалистов по вычисли- 92 балла. В более простых случаях она рас-
тельной биологии, раздосадованная сложно- положила правильно каждый атом. Но са-
стью проблемы, решила, что небольшое дру- мые впечатляющие результаты были полу-
жеское соревнование может способствовать чены для некоторых чрезвычайно сложных
некоторому прогрессу. Под руководством Джо- белков, которые буквально загнали в тупик
на Моулта (John Moult) из Мэрилендского уни- большинство команд. За одну молекулу ни-
верситета они запустили конкурс критической кто не набрал больше 20 с небольшим баллов,
оценки прогнозирования структуры белка. а DeepMind получила больше 80.
Моулт знал подробные характеристики бел-
ков, структура которых была недавно опреде- Моулт был ошеломлен результатами. «Я зани-
лена, но не опубликована. Он рассылал гене- мался этим б   льшую часть своей карьеры, — го-
тическую последовательность для этих белков ворит он. — Я никогда не думал, что нам удаст-
различным группам из разных исследова- ся достичь такой точности на уровне атомов».
тельских лабораторий, которые затем пред- По его словам, самое поразительное — что си-
лагали свои идеи о том, как должен выглядеть стема DeepMind, по-видимому, усвоила ранее не-
итоговый белок. Далее оценивали сходство известные правила. «Это не просто распознава-
прогнозов с реальной структурой, подсчиты- ние образов. Каким-то невероятным способом
вая процент молекул на правильных местах. машина "понимает" физику и может рассчи-
Правильная базовая структура оценивалась тать, как будут располагаться атомы в уникаль­
в 50 баллов; если были верно определены углы ной последовательности аминокислот».
и связи между основными частями, можно
было получить 70; а крошечные молекулярные «Это было шокирующе, — соглашается спе-
нити, торчащие из белков, подобно волоскам, циалист по структурной биологии и участник
могли принести 90 с лишним баллов. конкурса Мохаммед Алькураиши (Mohammed
AlQuraishi) из Колумбийского университе-
С тех пор Моулт проводит конкурс каждые та. — Никогда бы в жизни не подумал, что уви-
два года. Долгое время даже лучшие команды жу столь стремительный научный прогресс».
лишь строили догадки. В 2012 г., когда под ру- Алькураиши предполагает, что такой прорыв
ководством Бейкера был основан Институт бел- изменит биологические науки.
кового дизайна, команды набирали на конкур-
се в среднем 20 баллов, и в течение десятилетия Ожидается, что позже в этом году команда
не наблюдалось никакой положительной дина- DeepMind опубликует статью о своих методах
мики. «Были моменты, когда, подведя итог кон- и подробно расскажет, как они работали. Но не-
курса и увидев результаты, я отчаивался, — которые аспекты могут остаться непостижимы-
говорит Моулт. — Я думал: все это ­баловство, ми, поскольку ИИ улавливает слабые связи, ко-
торые не поддаются простому описанию в виде
правил, и на данный момент у ученых есть
лишь общие представления, как это работает.

86 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Биохимия

Для того чтобы предсказать влияние ами- свойств природных белков с помощью метода
нокислот друг на друга, программисты при- направленной эволюции. — Но они не решили
менили метод, который называется «вни- проблему проектирования и разработки бел-
мание», в последнее время он стал причиной ков для пользы людям».
резкого прогресса в точности языковых пере-
водов с помощью ИИ. Подобно белкам, язык — Работа ляжет на плечи специалистов всего
это кажущаяся линейной цепочка информа- мира, пытающихся использовать технологии
ции, которая сворачивается, образуя смысл. DeepMind, чтобы расширить возможности соз-
Слова вроде «это» могут иметь значение слова, дания белков в своих лабораториях. «Это боль-
использованного в совершенно другом пред- шой прорыв, — говорит Бейкер, команда кото-
ложении. Когда мы общаемся, мы постоянно рого вновь заняла второе место на конкурсе. —
перемещаемся вперед и назад по линейной це- Я думаю, это позволит значительно улучшить
почке, обращая внимание на определенные то, что уже хорошо работает».
группы слов, чтобы понять, что в этом кон-
тексте означает другое слово. Как только мы Прямо сейчас перед людьми стоит
определяем значение, то можем перейти к сле- огромная проблема, которая, по вы-
дующей группе слов, чтобы понять предыду- ражению Арнольд, разрушает мир.
щее в свете новой информации. Это проблема — COVID-19. Когда она возник-
ла, Бейкер и другие сотрудники его лаборато-
Анализируя структуру белка, DeepMind дела- рии занялись поиском решения среди белков.
ет что-то похожее, сосредоточивая внимание Они внесли генетическую последовательность
на одной группе расположенных по соседству коронавируса в их компьютерную программу
аминокислот и пытаясь понять их влияние Rosetta, предсказывающую структуру белка,
друг на друга. Например, по-видимому, неко- чтобы получить трехмерную модель, а затем
торые пары аминокислот в процессе эволюции изучили ее в поисках слабых мест, подобно пи-
оставались вместе, что указывает на нали- лотам повстанцев, планирующим нападение
чие связи между ними и ограничивает их воз- на «Звезду смерти». Как и Уоллс, они нацели-
можное положение в белке. Система DeepMind лись на RBD шипа. Но вместо того чтобы де-
использует данную информацию, перехо- лать вакцину, запускающую выработку анти-
дя к другой части белка и анализируя новый тел, Бейкер хотел сделать улучшенное антите-
участок в свете того, что знает о предыдущем. ло. Ему нужен был белок, единственной целью
Она многократно возвращается ко всем участ- которого было бы цепляться к RBD, как микро-
кам белковой цепочки и в итоге на основе этой скопическая липучка.
информации строит трехмерное облако из от-
дельных элементов, в котором отражены отно- Однако антитела не идеальны. Организм
шения всех атомов всех аминокислот. В сущ- не может заранее спроектировать антите-
ности, ИИ рассматривает сворачивание белка ло для патогена, которого он никогда не ви-
как новый, чужой язык, который надо рас- дел. Когда появляется новый захватчик, клет-
шифровать. ки иммунной системы создают множество ко-
пий тех антител, которые связываются с ним
Алькураиши говорит, что по мере того лучше всего, но они не обязательно присоеди-
как другие лаборатории внедряют методы няются достаточно хорошо, чтобы остановить
DeepMind и высококачественное прогнозиро- патоген. Кроме того, естественные антитела —
вание строения белка становится повсемест- относительно крупные белки, которые не всег-
ным, длительность периода проб и ошибок, да могут прицепиться к вирусному RBD.
предшествующего получению белка нужной
формы, оказывается гораздо короче. «Это сде- Можно использовать «мини-связывате-
лает белковый дизайн намного более эффек- ли», как их называет Бейкер. Это мелкие ис-
тивным», — говорит Алькураиши. кусственные белки, в которых аминокислоты
расположены так, чтобы они точно подходи-
Однако команда DeepMind не занимается ли к вирусному RBD. Без посторонних фраг-
прикладной наукой, поэтому их искусствен- ментов они связываются более плотно. И они
ный интеллект не будет тратить время на раз- достаточно мелкие и легкие, чтобы их мож-
работку сложных чертежей для нужного бел- но было впрыскивать через нос, а не колоть
ка. Его большой вклад будет косвенным. «Их в руку. Никаких иголок!
работа показывает возможности белков и пер-
спективы создания новых белков в будущем, — Бейкер мечтал создать не вакцину, а лекар-
говорит биохимик из Калифорнийского тех- ство: назальный спрей, который можно было
нологического института Фрэнсис Арнольд бы использовать при первых признаках ин-
(Frances Arnold), получившая Нобелевскую фекции или заранее в качестве ежедневной
премию по химии в 2018 г. за ­улучшение профилактики, чтобы заполнить нос аэрозо-
лем из мини-связывателей, которые ­покрыли

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 87

Биохимия

бы RBD вирусных частиц прежде, чем им в дрожжи, которые, как программируемый до-
удастся к чему-нибудь прикрепиться. У ле- машний скот, выработали эти мелкие белки
карства был бы длительный срок годности, наряду со своими собственными. Затем он со-
как у пакета сушеной чечевицы, и его можно брал белки и проверил их.
было бы быстро переделать для нового патоге-
на и оперативно передать в руки медицинским Лучший мини-связыватель прикреплялся
работникам, учителям и всем тем, кто нахо- к вирусу в шесть раз эффективнее, чем самые
дится на передовой, — получилась бы своего хорошие антитела, прочнее, чем любая дру-
рода созданная человеком иммунная система гая молекула на планете, фактически образуя
для всей цивилизации. десятки крепких связей с RBD. Он был чрез-
вычайно стабилен и легко наносился в виде
Для того чтобы разработать такие мини-свя- спрея. Хомячки, получившие дозу, станови-
зыватели, Лунсин Цао (Longxing Cao), сотруд- лись невосприимчивыми к COVID-19. «Несо-
ник лаборатории Бейкера, возглавивший про- мненно, я был взволнован, — говорит Цао. —
ект, исследовал структуру вирусного RBD, со- Но не очень удивлен». Исследователи ожидают,
поставив его с набором крошечных белков, что клинические испытания мини-связывате-
ранее созданных институтом, в поисках наи- лей начнутся уже в 2021 г., и ряд лабораторий
более подходящей формы. Подобно скалолазу по всему миру сейчас изучают, какими еще
на сложном склоне, мини-связыватели долж- способами маленькие белки могут помогать
ны быть достаточно малы, чтобы протиснуть- организму или бороться с заболеваниями.
ся в ущелье, где расположен RBD, и иметь та-
кое строение, чтобы уцепиться «руками и но- Несмотря на то что эти технологии внушают
огромный оптимизм, некоторые специалисты
Вакцина, простая в области биологической безопасности обеспо-
в производстве, защищающая коены тем, что такие белки могут создаваться
и для неблаговидных целей. Например, прио-
от мутантных вирусов, ны, вызывающие «коровье бешенство» и дру-
которые еще только появятся, гие нейродегенеративные заболевания, — это
неправильно свернутые белки, которые спо-
может стать именно тем собствуют неправильному сворачиванию
решением, которое нужно других белков, запуская смертоносную цеп-
ную реакцию, к тому же заразную, и они могут
миру распространяться в виде аэрозоля. Конвенция
о биологическом оружии, подписанная прак-
гами» в нужных местах. Цао отметил, где тически всеми странами, фактически запре-
аминокислоты RBD образовывали участки щает разработку и использование биологиче-
с положительными зарядами, с отрицательны- ского оружия на основе патогенов, но никому
ми зарядами и гидрофобные (водоотталкиваю- в голову не приходило распространить ее и на
щие), а затем подогнал мини-связыватели так, белки, которые никогда не были частью живо-
чтобы у них было как можно больше подходя- го организма.
щих участков. Он проверил миллионы возмож-
ностей с помощью программы Rosetta. «Все это вызывает серьезную озабоченность,
поскольку потенциальное биологическое ору-
Лучшие конструкции состояли из трех спи- жие будущего — это не обязательно вызыва-
ралей, соединенных короткими нитями ами- ющие заболевание патогены, — говорит экс-
нокислот, так что структура напоминала связ- перт по биологической безопасности Филиппа
ку сосисок. Каждый мини-связыватель со- Ленцос (Filippa Lentzos) из Королевского кол-
стоял примерно из 60 аминокислот, это более леджа Лондона. — Конвенция может распро-
чем в десять раз меньше размера антитела страняться на искусственные мелкие белки,
и в 20 раз меньше размера белка шипа корона- а может и не распространяться, поэтому их
вируса. юридический статус представляет собой важ-
ный вопрос».
Затем, конечно, Цао должен был перенести
свой белок из программы в реальный мир. Все же угроза от спроектированных мини-
Процесс оказался на удивление легким. ДНК, белков крайне маловероятна, говорит Ленцос,
состоящая из нуклеотидов A, T, G и C, может и не вызывает у нее серьезных опасений: «Если
быть без особых затрат создана на устрой- вы хотите причинить вред, то зачем вам при-
ствах, похожих на струйные принтеры. Цао менять что-то столь сложное и изощренное,
напечатал нити ДНК с последовательно- как белковый дизайн? В природе есть множе-
стью для своего мини-связывателя и ввел их ство более доступных вещей, которые мож-
но использовать». Яды и патогены природно-
го происхождения в уже готовом виде можно

88 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Биохимия

встретить повсюду. Если действительно хо- от тех, которые способны появиться в буду-
теть навредить людям, имеются более про- щем, может стать именно тем решением, кото-
стые пути. рое нужно миру. Эти преимущества привлек-
ли внимание крупных фигур в области произ-
В настоящий момент в создание полез- водства вакцин, в том числе Раппуоли из GSK.
ных типов новейших белков вклады- «Нет никаких сомнений в том, что наша им-
вается все больше научной энергии мунная система интересуется наночасти-
и знаний, и эти вещества могут вскоре по- цами, — говорит он. — Это лучший вариант
пасть в больницу рядом с вами. Когда из поч- из имеющихся у нас». В недавнем коммента-
ти 8 млрд людей в мире большинство ожидают рии в журнале Cell Раппуоли предсказал, что
вакцину от COVID-19, созданная Уоллс нано- такие дизайнерские молекулы откроют новую
частица кажется многообещающим кандида- эру в вакцинации: «Это дает безграничные
том. возможности».

После успешной нейтрализации псевдови- И варианты использования не ограничи-
руса в мышиных клетках следующей большой ваются вакцинами. В наш новый аминокис-
проверкой для вакцины стала встреча с ре- лотный век способность продуманно проек-
альным коронавирусом. Для этого Уоллс при- тировать наномашины на уровне атомов мо-
шлось отправить своих мышей в лабораторию жет превратить борьбу с любым заболеванием
Ральфа Барика (Ralph Baric) в Университете в инженерную задачу. «Когда мы решаем про-
Северной Каролины. Барик — один из веду- блемы, связанные с каким-либо белком, нам
щих в мире исследователей коронавируса. Его надо иметь это в виду, — говорит Уоллс. — Нам
лаборатория имеет достаточный уровень био- необходимо присмотреться к белку и понять,
логической защиты, чтобы можно было рабо- что у нас есть инженерное решение. Каждый
тать с живым вирусом. Барик с коллегами на- день приносит новые успехи в этой области».
блюдали за многими вакцинами-кандидата-
ми, поэтому в июне 2020 г. Уоллс была рада Некоторые из этих успехов будут достигнуты
получить от них обнадеживающее электрон- в других областях — не в медицине, а, напри-
ное письмо: нейтрализующая способность мер, в науке о материалах. Так, Институт бел-
вакцины из наночастиц зашкаливала — она кового дизайна изобрел белки, которые само-
была выше, чем у всех вакцин, которые они те- собираются в микроскопические сетки с ячей-
стировали. ками, способствующие отложению минералов,
и это новый способ производства эффектив-
«Все сработало лучше, чем мы надеялись», — ных сверхпроводников и батарей. Другой про-
говорит Уоллс. Мыши хорошо пережили встре- ект нацелен на создание белков, которые улав-
чу с реальным вирусом. Они «полностью за- ливают свет, как при фотосинтезе у растений,
щищены, никаких признаков болезни». (Поз- и преобразуют полученную энергию в элек-
же Уоллс обнаружила, что можно уменьшить тричество и топливо.
и без того низкую дозу еще в девять раз, доба-
вить бустер и получить такие же хорошие ре- По мере роста возможностей в аминокислот-
зультаты.) В январе этого года началась ран- ном веке белки естественного происхождения,
няя фаза клинических испытаний вакцины используемые нами сейчас для лечения, на-
в штате Вашингтон и в Южной Корее. пример инсулин для диабетиков, могут пока-
заться столь же архаичными, как каменные
Однако пока шли испытания, появились но- орудия, которые применяли наши предки в ка-
вые варианты вируса, способные уклоняться менном веке. Точно так же наши нынешние ис-
от некоторых антител, образующихся при ис- кусственно созданные белки, какими бы потря-
пользовании вакцин первого поколения. Поэ- сающими они ни казались, — не более чем сол-
тому Уоллс занялась разработкой новой, улуч- нечные часы и колеса для телеги. Какой будет
шенной наночастицы. Вместо копий домена картина будущего, наполненного специально
RBD SARS-CoV-2 в этой версии применялась спроектированными молекулами, пока оста-
мозаика из RBD четырех различных вирусов: ется за пределами нашего понимания. Но, как
SARS-CoV-2, SARS начала 2000-х гг. и еще двух и новые белки, черты будущего в итоге изящно
других коронавирусов. Широкий спектр вари- свернутся в нужную форму.
антов RBD вызывал формирование антител
ко всем протестированным коронавирусам, Перевод: М.С. Багоцкая
в том числе к самому неуловимому варианту.
ИЗ НАШИХ АРХИВОВ
Вакцина, эффективная в крошечных дозах,
простая и недорогая в производстве, не нуж- Бейкер Д. и др. Биофабрики будущего // ВМН, № 9, 2006.
дающаяся в охлаждении и защищающая
от множества мутантных вирусов, в том ч­ исле

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 89

ВЫВО ОКБИОЛОГИЯ
ПРИБЫЛ
Проведя 17 лет под землей, личинки Великого
восточного выводка периодических цикад
наконец‑то выбираются на свет

Кейт Вонг

На протяжении всего минувшего мая в садах, огородах и лесах восточной части
США разворачивалось одно из самых зрелищных действ в мире природы. Конеч-
но, этому шоу не хватало эпической величавости, присущей далеким кочевкам ан-
тилоп гну по равнинам Серенгети, или безмятежной красоты, свойственной цве-
тению сакуры в японских парках, но у истинных любителей природы это событие
вызывало не менее благоговейный трепет. Речь идет о появлении на поверхности
земли периодических цикад выводка Х.

Каждые 17 лет миллиарды насекомых, образую- последние эпизоды сериала «Друзья». В то дале- WILLIAM S. KUTA Alamy Stock Photo
щих так называемый выводок Х периодических кое время только что вылупившиеся из яиц ним-
цикад, выбираются из своих подземных убежищ, фы (личинки) цикад, упав с деревьев на землю, тут
чтобы в последние дни своей жизни насладиться же закапывались в почву. С тех пор они постоянно
теплыми лучами солнца в компании сородичей. жили под землей, высасывая соки из корней трав
Жизнь цикад выводка Х, выбравшихся на свет и деревьев и медленно увеличиваясь в размерах.
в мае этого года, зародилась еще в 2004 г., когда Все эти годы личинки (а на одном гектаре земли
Facebook существовал только в стенах Гарвардско- их численность могла достигать 3 млн экземпля-
го университета, а по телевидению т­ ранслировали ров!) готовились к главным событиям своей жизни:

90 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Биология

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 91

Биология ОБ АВТОРАХ

Кейт Вонг (Kate Wong) — старший редактор раздела
Scientific American, посвященного эволюции и экологии.

Чери Синнен (Cherie Sinnen) – иллюстратор-
фрилансер, живет в Калифорнии.

выбраться на поверхность земли, превратить- полужесткокрылых, то есть состоят в родстве
ся здесь во взрослых насекомых, оглушитель- с клопами. Летают они неважно и не образуют
но прострекотать на деревьях свои любовные мигрирующих стай; дальность их перемеще-
серенады, оставить после себя потомство и че- ний обычно не превышает нескольких сотен
рез несколько недель умереть. метров. Кроме того, цикады не представляют
опасности для растений: с помощью хоботка
У первых европейских поселенцев в Север- они высасывают соки из деревьев и кустарни-
ной Америке внезапное появление полчищ ков, но растениям особого вреда это не причи-
этих насекомых невольно ассоциировалось няет.
с библейскими нашествиями саранчи. Но са-
ранча — насекомые, относящиеся к отряду На свете существуют около 3,4 тыс. ви-
прямокрылых; иногда они образуют огром- дов цикад. Но периодические цикады, массо-
ные стаи, которые совершают далекие мигра- вое появление которых отмечается лишь раз
ции и уничтожают на своем пути любую рас- в 17 или 13 лет, встречаются только в восточ-
тительность. Цикады же относятся к ­отряду ной части США: 17-летние цикады ­обитают

Примерно через шесть- Долгое развитие В мае, всего за несколько
десять недель после откла- месяцев до достижения
дывания самками яиц из них Развитие от яйца до взрослой половозрелой особи за- 17-летия, нимфы выходят
вылупляются крошечные нимает у периодических цикад гораздо больше време- на поверхность земли.
личинки (нимфы). Упав с де- ни, чем у любых других насекомых. Бóльшую часть сво- В первые дни на свет выби-
ревьев на землю, они тут же ей жизни они проводят в земле в виде личинок (нимф). рается больше самцов, чем
закапываются в почву. Здесь они кормятся и растут, а затем, достигнув стро- самок, а через пять-шесть
го определенного возраста, дружно выбираются на по- дней — больше самок, чем
Вначале личинки питаются верхность земли. Синхронное появление огромных пол- самцов.
соками нежных корешков чищ насекомых способствует выживанию вида: даже На 17-м году
трав, а повзрослев, уходят после того как цикадами досыта наедятся хищники, жизни, в апре-
на глубину 20–30 см и при- в живых остается масса их сородичей, способных оста- ле, личинки
нимаются высасывать вить после себя многочисленное потомство. Как показы- ползут в почве
соки из корней деревьев. вают исследования, цикады ориентируются во времени, вверх; когда
отслеживая сезонные колебания доступности древес- до поверхности
ных соков, составляющих основу их рациона. Но как они земли остается
ведут счет годам, проведенным в земле, и что застав- 12–15 см, они не-
ляет их ровно через 17 лет выбираться на поверхность? которое время
На эти вопросы ученые пока не могут ответить. остаются не-
подвижными.

Вылупляющиеся Личинки несколько раз линяют,
в июле-августе нимфы приобретая все большее сходство
начинают жизнь в виде с взрослыми насекомыми. На 12–13-м
бледных, похожих году жизни они линяют последний
на муравьев «букашек» раз и достигают пятой (окончатель-
длиной всего 2–3 мм. ной) нимфальной стадии развития.

92 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Когда через пять- Биология
шесть дней экзоскелет
полностью отвердевает, Самцы цикад залетают в кроны
самцы начинают громко деревьев и принимаются дружно
петь. стрекотать, чтобы привлечь самок.
Насекомые начинают спариваться.
Примерно через час
после появления на по- После спаривания
верхности земли цикада самка делает не-
выползает из нимфальной сколько разрезов
шкурки и превращает- в коре молодых
ся во взрослую особь. побегов дерева
Поначалу такие насеко- и откладывает в них
мые имеют беловатую несколько сотен яиц.
окраску, но по мере
отвердевания экзоске-
лета их тельца быстро
темнеют. Старые пустые
шкурки остаются на коре
деревьев или падают
на землю.

Выбравшихся из земли
сочных цикад с удоволь-
ствием едят самые разные
животные — от птиц и рыб
до пауков и домашних
кошек. Поскольку самцы
появляются на свет раньше
самок, именно они и стано-
вятся основными жертвами
голодных хищников. Такая
«жертвенность» самцов
способствует выживанию
большего количества самок
и их потомства.

Выбравшись на поверхность На поверхности земли взрослые цикады
земли, цикада сбрасывает живут около двух-четырех недель. Тельца
личиночную шкурку, но ее новые умерших насекомых падают с деревьев
наружные покровы (экзоскелет) на землю и в конце концов разлагаются.
полностью затвердеют только
через несколько дней. [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 93
w w w.sci-ru.org

Биология

Выводки и виды

Периодические цикады, появляющиеся на поверхности зем- предполагают, что формирование выводков было обусловлено
ли каждые 13 и 17 лет, обитают только в восточной части США. изменениями климата на протяжении последних 20 тыс. лет вку-
Существуют три вида 17-летних цикад и четыре вида 13-летних ци- пе со способностью периодических цикад сдвигать свой жизнен-
кад. Выводком называют всю совокупность цикад, обладающих ный цикл во времени, для того чтобы появляться на поверхности
одинаковым жизненным циклом, живущих в одном и том же ре- земли на четыре года раньше (при благоприятных условиях раз-
гионе и появляющихся на поверхности земли в один и тот же год. вития) или на четыре года позже (в суровых условиях), чем обыч-
Существуют 12 выводков 17-летних цикад и три выводка 13-летних но. Области распространения этих выводков складываются в це-
цикад. Каждый выводок обозначается римской ­цифрой. Ученые лостную картину, как кусочки пазла.

Выводок I (Шенандоанский выводок) Выводок II (Восточное побережье) Выводок III (Айовский выводок)
17-летний • Следующее появление: в 2029 г. 17-летний • Следующее появление: в 2030 г. 17-летний • Следующее появление: в 2031 г.
17-ЛЕТНИЕ ВЫВОДКИ
Подтвержденные Другие
Maps by Daniel P. Huffman and John Cooleyнаблюдениявыводки

Выводок IV (Канзасский выводок) Выводок V Выводок VI (Выводок Браши-Маунтинс)
17-летний • Следующее появление: в 2032 г. 17-летний • Следующее появление: в 2033 г. 17-летний • Следующее появление: в 2034 г.

Состав выводка Х Самец Magicicada
cassini
Представители всех трех видов 17-летних цикад — Magicicada cassini, Самка
Magicicada septendecula и Magicicada septendecim — обладают большим
внешним сходством: у них красные глаза, черное тельце и оранжевые
жилки крыльев. Но они немного различаются размерами и формой тела,
окраской и характером песни. Так, например, для M. septendecim харак-
терны крупные размеры тела, для M. septendecula — тонкие оранжевые
полоски на нижней стороне брюшка, а для M. cassini — наличие в песне
особых щелкающих звуков, за которыми следует пронзительное жуж-
жание. У каждого вида 17-летних цикад имеется по меньшей мере один
13-летний «двойник», обладающий с ними большим внешним и поведен-
ческим сходством (эти виды здесь не показаны).

на ­севере этого региона, а 13-летние — на юге а ­также синхронность появления цикад на поверх-
и в долине Миссисипи. Три вида 17-летних ци- ности земли издавна вызывают огромный инте-
кад — Magicicada septendecim, M. cassini и M. septen- рес у биологов. «Длительность жизненных циклов
decula — производят на свет смешанные выводки, большинства других изученных до сих пор ви-
появляющиеся на поверхности земли со строгой дов цикад составляет от трех до пяти лет», — го-
периодичностью. Выводки обозначаются римски- ворит Крис Саймон (Chris Simon) из Коннектикут-
ми цифрами. Выводок Х — самый многочисленный ского университета. Их нимфы (личинки) растут
из 12 существующих выводков 17-летних цикад, с разной скоростью в зависимости от генетиче-
появляющихся в разные годы. ских и средовых факторов и выбираются из земли,
как только их тело достигает определенных раз-
Строгая периодичность жизненных циклов меров и уровня развития. В результате ­потомки
этих насекомых, их значительная длительность,

94 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021

Выводок VII (Онондагский выводок) Выводок VIII Биология
17-летний • Следующее появление: в 2035 г. 17-летний • Следующее появление: в 2036 г.
Выводок IX
17-летний • Следующее появление: в 2037 г.

Выводок X (Великий восточный выводок) Выводок ХIII (Северный иллинойский) Выводок XIV
17-летний • Следующее появление: в 2021 г. 17-летний • Следующее появление: в 2024 г. 17-летний • Следующее появление: в 2025 г.

13-ЛЕТНИЕ ВЫВОДКИ Выводок XIX (Великий южный выводок) Выводок XXII (Выводок Батон-Руж) Выводок XIII (Выводок долины Миссисипи)
13-летний • Следующее появление: в 2024 г. 13-летний • Следующее появление: в 2027 г. 13-летний • Следующее появление: в 2028 г.

Самка

Самец Самка Magicicada Самец
Magicicada septendecim
septendecula

какой‑либо одной самки могут превратиться ­приблизительную хронологию эволюции этих на-
во взрослых цикад в разные годы, поясняет иссле- секомых. Последний общий предок всех ныне су-
довательница. Напротив, периодические цикады ществующих видов периодических цикад (род
остаются под землей в течение строго определен- Magicicada) дал начало двум линиям насекомых
ного времени, независимо от сроков достижения около 3,9 млн лет назад в эпоху плиоцена. Спустя
ими окончательных размеров, а затем одновремен- примерно 1,5 млн лет, в эпоху плейстоцена, одна
но выползают из земли на поверхность. из этих линий в свою очередь разделилась на три
ветви, которые в конечном итоге и дали нача-
Но как периодическим цикадам удалось вы- ло семи видам ныне существующих 13‑ и 17-лет-
работать такие необычные паттерны разви- них цикад. Но вопрос о том, почему именно эти ци-
тия? Сегодня данный вопрос активно изучает- кады «решили» придерживаться 13- и 17-летнего
ся биологами. Анализ ДНК позволяет представить

w w w.sci-ru.org [08/09] август/сентябрь 2021 | В мире науkи 95

Биология

«р­ ежимов» развития, остается без ответа и поныне. ­выводка Х в западной части этого штата. 20 тыс.
Согласно одной из гипотез, циклы развития, дли- лет назад ледниковые щиты простирались вплоть
тельность которых (13 и 17 лет) соответствует про- до северной границы окрестностей современно-
стым числам, защищают цикад от хищников, сни- го Цинциннати. Поскольку земля была покры-
жая их шансы на синхронизацию собственных та льдом, в западной части Огайо тогда не было
жизненных циклов, длительность которых обычно ни лесов, ни цикад. Но примерно 14 тыс. назад ле-
соответствует составным (четным) числам, с ци- дяной щит отступил к северу. «В регионе появи-
клами развития цикад. Однако два других извест- лись леса, а следом за ними и периодические ци-
ных науке вида периодических цикад, один из кото- кады», — поясняет Крицки. В Огайо имеются еще
рых обитает на островах Фиджи, а другой в Индии, три выводка 17-летних цикад, и каждый из них за-
появляются на поверхности земли с интервалами нимает определенную область штата. «Простран-
в восемь лет и четыре года соответственно. ственное распределение в Огайо 17-летних цикад
соответствует физиографическим регионам, сфор-
Ученые предположили, что периодические ци- мированным ледниковыми периодами», — заклю-
кады произошли от непериодических цикад, из- чает ученый.
менив график появления на свет, основанный
на размерах тела, на график, основанный на воз- Периодические цикады смогли адаптировать-
растных характеристиках, и одновременно силь- ся к изменению климата отчасти благодаря тому,
но растянув период развития. Возможно, такому что продолжительность их жизненного цикла об-
сдвигу способствовало изменение климата. Перио- ладает изрядной пластичностью: эти насекомые
дические цикады чувствительны к температуре — способны ускорять или замедлять графики своего
она определяет продолжительность сезона роста. появления на поверхности земли с шагом в четы-
Похолодание климата в плейстоцене вполне могло ре года. Но такая гибкость отнюдь не гарантирует
замедлить развитие молодых насекомых, но наря- им выживания в долгосрочной перспективе. Выво-
ду с этим и повысить вариабельность периода ро- док XI, например, исчез после 1954 г.; численность
ста, что сделало сроки появления взрослых особей других идет на спад. По мнению Крицки, главную
у предковых форм цикад еще более переменчивы- угрозу существованию насекомых составляет ис-
ми, чем прежде. Поскольку в результате уменьши- чезновение естественной среды обитания. Мини-
лась численность (и плотность) взрослых цикад, стерство сельского хозяйства США предсказало
одновременно появляющихся каждый год на по- гибель выводка Х из-за вырубки лесов еще в 1919 г.
верхности земли, понизились и их шансы на спа-
ривание. В таких условиях переход цикад к стра- Картирование эпизодов появления периодиче-
тегии, предполагающей одновременное появление ских цикад помогает ученым оценить состояние
на поверхности после длительного подземного раз- их выводков. Биологи уже в течение нескольких де-
вития при достижении личинками определенно- сятилетий просят население сообщать им резуль-
го возраста, представляется вполне оправданным: таты собственных наблюдений; в прошлом для
она увеличивала плотность взрослых популяций этого использовались почтовые открытки, позд-
цикад и, соответственно, повышала шансы насе- нее — телефон и электронная почта. В наши дни
комых на успешное размножение. Крицки и его коллеги привлекают добровольцев
к этой работе, разработав специальное приложе-
Кроме того, одновременное появление на поверх- ние под названием Cicada Safari, позволяющее лю-
ности громадными полчищами помогает цикадам дям отправлять ученым фотографии и видеосъем-
противостоять хищным врагам. Даже после того ки любых замеченных ими цикад, а также изучать
как птицы, млекопитающие и рыбы досыта наеда- карту появления выводка Х в различных регионах
ются сочными, беззащитными насекомыми, на де- в режиме реального времени. «В 1902 г. Министер-
ревьях остается еще масса их уцелевших сороди- ство сельского хозяйства США создало подробную
чей, способных оставить после себя многочислен- карту появления цикад, основанную на инфор-
ное потомство. мации, содержавшейся в почти 1 тыс. почтовых
карточек, полученных этим ведомством от насе-
Климатические изменения оказали значитель- ления», — говорит Крицки. В текущем году с по-
ное влияние и на пространственное (географиче- мощью приложения Cicada Safari «мы надеемся по-
ское) распределение выводков цикад. По мере того лучить 50 тыс. фотографий насекомых». Поистине
как 10–20 тыс. лет назад ледники в Северной Аме- достойные проводы Великого восточного выводка
рике то продвигались на юг, то вновь отступали цикад 2021 года.
на север, площадь листопадных лесов, где обита-
ли цикады, непрестанно колебалась. В соответ- Перевод: А.В. Щеглов
ствии с этими циклами похолодания и потепления
климата эволюционировало и размножение ци- ИЗ НАШИХ АРХИВОВ
кад. Джин Крицки (Gene Kritsky) из Университета
Маунт-Сент-Джозеф в Цинциннати, штат Огайо, How Cicadas Make Their Noise. Henry C. Bennet-Clark; May 1998.
в качестве примера рассматривает эволюцию

96 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021



Нейробиология

98 В мире науkи | [08/09] август/сентябрь 2021