В мире науки 2021-10

Оптика атмосферы

и метан просачивается в эти «п­ роталины», с суши, в том числе с прибрежных озер,
либо сама тающая мерзлота также может которые, как я сказал, насыщены биотой
быть источником эмиссии карбоносодер- и потому выделяют в атмосферу много ме-
жащих газов. Но эта версия, пожалуй, се- тана. Может быть, они больше воздейству-
годня наименее поддержана научным сооб- ют на Баренцево и Карское моря, так как
ществом. на их прибрежных территориях находит-
ся огромное количество таких озер. Вблизи
Исследования члена-корреспондента РАН восточных морей рельеф гористый и озер
И.В. Богоявленского говорят о том, что это значительно меньше. Но это пока одно-
скорее всего связано с естественными тек- значно не установлено и еще предстоит вы-
тоническими процессами, в результате ко- яснять.
торых происходит как таяние многолетней
мерзлоты под шельфами арктических мо- — В одном из своих недавних выступле-
рей, так и разложение газогидратов с выхо- ний вы говорили, что наши деревья стали
дом карбонсодержащих газов. То есть в этой хуже поглощать CO2. С чем это связано?
версии нагрев получается вследствие тек-
тонических процессов, снизу, а не из-за воз- — Пока наши исследования дают только
действия антропогенных факторов. И тог- некоторые основания для таких действи-
да это явление может как усиливаться, так тельно тревожных выводов. За 25 лет на-
и ослабевать в разные периоды времени. блюдений нами было обнаружено, что так
называемая минимальная концентра-
Есть версия о том, что это биота, обитаю- ция СО2 над бореальными лесами Сиби-
щая в воде, выносится в арктические моря ри до 2005 г. практически не росла, то есть
из устьев великих сибирских рек. Вдоль тренд был почти нулевой. Минимальная
всего побережья Северного Ледовитого оке- концентрация наблюдается летом, так
ана есть многочисленные озера, насыщен- как в этот период леса наиболее активно
ные биотой, которые также могут давать
эмиссию метана в летнее время. 1

Подытоживая: сегодня пока нет оконча- 2
тельной определенной версии, объясняю-
щей повышенное содержание метана над 1.  Самолет-лаборатория «Оптик» с летным отрядом.
морями российской Арктики. Существуют 2.  Члены летного отряда во время стоянки в Архангельске.
разные гипотезы. И, конечно, это большой
вызов для научного сообщества. Узнать
причину очень важно.

— Метан распределяется над всеми
шестью морями равномерно или над
какими-то из них концентрация выше?

— По данным И.П. Семилетова, обнару-
жившего «сипы» в ходе судовых экспеди-
ций, максимальная концентрация метана
наблюдается над Восточно-Сибирским мо-
рем и морем Лаптевых. По нашим самолет-
ным данным, наибольшая концентрация
метана была зарегистрирована над Кар-
ским и Баренцевым морями: почти до 7%
выше, чем фоновое содержание. Над други-
ми морями превышение над фоном помень-
ше — 4–5%. Но над всеми морями зафикси-
ровано повышенное содержание в нижних
нескольких километрах над уровнем моря,
которое потом быстро спадает. На высо-
те около 1–2 км концентрация уменьшает-
ся уже почти до фоновой, кроме Карского
моря, где метановый шлейф тянется до не-
скольких километров.

— А какое есть объяснение подобному
распределению?

— Это тоже пока непонятно. Может быть,
дело в частичном выносе воздушных масс

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 49

Оптика атмосферы

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

— Мы измеряем профили концентраций
нескольких газов, как я уже упоминал, это

50 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Оптика атмосферы

г­ азов. В результате антропогенного влия-

ния углекислый газ вырос с 300 ppm (мил-

лионных долей в воздухе) до 400 ppm за по-

следние 30 лет. И это один из основных

факторов, который обусловливает глобаль-

ное потепление. Но атмосфера в отдельных

городах, например, Сибири, стала заметно

грязнее. Это другая сторона вопроса, и тут

нужно принимать серьезные меры.

— Возможно ли четко разделить антро-

погенный и природный факторы, влия-

ющие на рост того или иного газа? Как

не перепутать одно с другим?

— В отдельных случаях это возможно.

Есть газы, которые на 70–80% однозначно

Фотолюк для лидарных наблюдений антропогенные. Это прекрасно известно,

и в естественном состоянии в природе их

H2O, СО2, СH4, СО, SO2, NO, NO2 и O3. Изме- очень мало: например, фтор, хлор‑ и бром-
ряются также параметры аэрозоля, кон- содержащие фреоны, угарный газ и т.д.

центрации трех фракций аэрозоля от 3 нм Хлорсодержащие фреоны и вообще хлор

до 30 мкм, проверяем химический состав в атмосфере на 80% имеют антропогенное

органической и неорганической состав- происхождение.

ляющей аэрозоля, сажу. ГНЦ «Вектор» ре- — Что насчет метана и углекислого

гистрирует в пробах биоаэрозоль. В ходе газа? Здесь мы тоже можем отличить

экспедиции было показано, например, природный газ от антропогенного?

что концентрация аэрозоля уменьшается — Конечно, метан и СО2 как содержат-
в среднем с запада на восток, что соответ- ся в атмосфере естественным образом,

ствует норме, поскольку основные источ- так и выделяются человеком. Но антро-

ники находятся на западе. Было зафикси- погенный углекислый газ и метан имеют,

ровано также, что содержание углекислого как правило, другой изотопный состав,

газа падает у поверхности моря, и это хо- он более легкий. Не вдаваясь в подробно-

рошо: наши северные моря по-прежнему сти, скажу, что при сжигании природных

поглощают СО2, как, в общем, и должно ископаемых (торфа, каменного угля, неф-
быть. ти, газа) образуется основной, легкий изо-

Кроме того, измерялись метеопараме- топ СО2 и по изменению соотношения в ат-
тры на разных высотах: температура, дав- мосфере легкого и тяжелого изотопа можно

ление, влажность и т.д. Измерялось

радиационное излучение от поверх-

ности Земли. Этот параметр может

служить источником информации,

например, о вегетационном индексе.

С помощью специального флуорес-

центного лидара фиксировалось на-

личие планктона в поверхностном

слое морей.

— Наша атмосфера со временем

становится грязнее или нет? Что

говорят ваши исследования о за-

грязнении воздуха?

— Тут два аспекта, которые нуж-

но различать. Если говорить о «фо-

новой» атмосфере на Земле, то есть

вдали от промышленных центров,

то я думаю, что благодаря «экологи-

ческой революции» 1970-х гг. в боль-

шинстве развитых стран атмосфера

становится в целом чище, за исклю- Маршрут полета самолета-лаборатории «Оптик» над морями
чением роста эмиссии парниковых Арктики в сентябре 2020 г.

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 51

Оптика атмосферы

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

На борту самолета-лаборатории «Оптик»
52 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Оптика атмосферы

­батареи, и за последние 10–15 лет

в Европе произошел значительный

прорыв в их развитии и использо-

вании. Сейчас солнечными бата-

реями в Европе обставляется все

начиная от домов и заканчивая

административными учреждения-

ми. Эффективность солнечных ба-

тарей выросла, а цена упала, так

что на это направление обязатель-

но стоит обратить внимание. Ну

и есть надежда, конечно, на термо-

ядерную энергетику, то есть термо-

ядерный синтез.

— Говорят, что Мировой океан

изучен очень плохо. А как обсто-

ят дела с атмосферой?

— Я полагаю, что атмосфера Зем-

ли все же изучена гораздо лучше,

чем океан, хотя, возможно, специ- Вид на Чукотское море с борта самолета Ту-134 «Оптик»
алисты по атмосфере с этим не со-

гласятся. Здесь мы уже на достаточном — А какие еще есть неизученные явле-

уровне освоили измерения, да и сама ат- ния в атмосфере?

мосфера более доступна для нашего изуче- — Мне на ум сразу приходят шаровые

ния, чем океан с его глубинами и огромным молнии, которые считались загадочным

давлением на этих глубинах. атмосферным явлением еще в моем дет-

Сегодня мы знаем много о нашей атмосфе- стве. Они и остаются таковыми по сей день.

ре. Есть специальные программы, которые Общепризнанной теории о природе шаро-

моделируют ее глобальную циркуляцию, вых молний в мире до сих пор нет.

учитывая все больше и больше факторов, та- — Игорь Васильевич, подводя итоги,

ких как поглощение солнечной радиации, пе- расскажите, пожалуйста, что ждет ат-

ренос тепла, перенос воздушных масс, вли- мосферу Земли в будущем?

яние океана и т.д. Есть большой массив из- — Это во многом зависит от человечества.

мерений. Однако нерешенные вопросы Если не брать в расчет такие возможные

остаются и здесь: например, аэрозоль, ком- катаклизмы, как суперизвержение вулка-

понент атмосферы, который присутствует на, крупный астероид или какие-то другие

везде, но по-прежнему остается самым се- космические факторы, то в остальном все

рьезным фактором неопределенности при зависит исключительно от нас. Если мы

расчете теплового баланса атмосферы. остановим наше губительное воздействие

Сотрудники нашего института совмест- на атмосферу парниковыми газами, затор-

но с коллегами из Финляндии сейчас иссле- мозим рост глобального потепления, ко-

дуют новую гипотезу о том, что биогенные торое ничего хорошего нам не сулит, то, я

выделения растений — фитонциды — мо- думаю, мы вполне сможем еще тысячи лет

гут влиять на процесс аэрозолеобразова- жить в той прекрасной атмосфере, которую

ния. Во многих регионах, в том числе в Си- пока еще имеем сегодня.

бири, зарегистрированы периодические Наша атмосфера уникальна, она способ-

всплески внезапного аэрозолеобразования на очищаться от парниковых газов благо-

(нуклеации): это частицы размером в де- даря лесам и морям. Эта регенеративная

сятки-сотни нанометров. И есть предпо- способность очень ценна, особенно если мы

ложение, что это может быть обусловлено говорим о будущем. Но на нынешнем этапе

фитонцидами, которые выделяются рас- развития человечества его способности за-

тениями, и что процесс становится более грязнять атмосферу, да и биосферу вооб-

и более активным в связи с ростом объемов ще, настолько выросли, что атмо­сфера уже

СО2. Это аэрозолеобразование, в свою оче- не успевает регенерировать сама. Очень
редь, влияет на облакообразование и, со- важно учитывать это, когда мы строим

ответственно, на климат. Есть и другие во- планы на будущее.

просы по аэрозолеобразованию и образова- Беседовала Янина Хужина

нию некоторых типов облаков.

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 53

Почвоведение

ПОЧВОВЕДЕНИЕ

54 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Почвоведение

Наша почва — это целая вселенная: она
содержит несметное количество уникальных

микроорганизмов и веществ, влияет
на атмосферу планеты, дает пропитание,
формирует мировоззрение и уклад жизни
человека. Между тем в мире до сих пор спорят
о систематике почв и единой классификации
за все годы существования почвоведения как

науки так и не появилось.

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 55

Почвоведение

Член-корреспондент РАН В.А. Рожков

ти и многие другие темы мы обсудили с членом-корреспонден-
том РАН, главным научным сотрудником Почвенного института
им. В.В. Докучаева Вячеславом Александровичем Рожковым.

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

56 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Почвоведение

дна, то ли результат тысячелетней деятель- и­ нституте им. В.В. Докучаева. По мнению
ности степной растительности. Мы сегод-
ня склоняемся, конечно, к степной версии. ее специалистов, чернозем уникален тем,
В степях в силу особых условий влажности
и температурного режима мог сформиро- что за время формирования накопил такое
ваться уникальный тип вещества. Черно-
зем богат питательным гумусом, но, надо плодородие в виде гумуса и структуры, ко-
сказать, и гумус для нас по-прежнему еще
остается «вещью в себе». Считается, что торое мы не можем истратить и разрушить
это одно из сложнейших веществ на Земле.
Нагрузка на гумусный слой почвы сейчас за века, используя в земледелии постоян-
очень велика, и именно гумус дает значи-
тельную часть всего урожая, который во- ные обработки. Сейчас мы просто проеда-
обще существует в мире.
ем то, что накопил чернозем. Но это возоб-
Недаром немецко-фашистские захватчи-
ки тратили огромные средства и вагонами новляемый ресурс, и если климатические
вывозили нашу землю, наш чернозем к себе
в страну, ведь у них нет такого органиче- условия не изменятся катастрофически,
ского вещества, которое было бы столь же
питательным. то его еще хватит надолго. Однако черно-

Настоящий русский чернозем мы нахо- зем местами уже требует особых минераль-
дим прежде всего на степных территори-
ях. В целом чернозем на Кавказе и, скажем, но-органических вложений (известкования
в Забайкалье будут отличаться друг от дру-
га, везде он разный. Но золотой фонд наше- и удобрений).
го чернозема составляют, безусловно, Став-
рополье и Дагестан. — Вы занимаетесь цифровой классифи-

В России черноземы протянулись непре- кацией почв. Что это за направление?
рывным поясом от Курска до  Забайкалья
общей площадью 80 млн га. В Дагестане — Для начала хочу отметить одну важ-
и Ставрополье они служат эталоном про-
дуктивности. Однако интенсивное исполь- ную вещь: в мире нет классификации
зование привело к их существенной де-
градации. В послевоенный период и более почв, а есть только списки и корреляции,
позднее время было организовано в боль-
ших масштабах орошение без дренажа — но создавать их нужно целенаправленно,
мол, кашу маслом не испортишь. Погода
в те годы стояла теплая, вода была в избыт- а не сгребая все, простите, в одну кучу.
ке, вот и решили наши аграрии поливать
все, что видят. И что в итоге? Через год-два Сейчас присутствует разнобой в система-
такого полива из-под грунта начали под-
ниматься воды и вместе с ними соли. Соот- тике. Скажем, у американцев своя класси-
ветственно, почвы выходили из строя, и это
была большая трагедия. Как говорилось фикация, у англичан другая, а у нас в Рос-
на одной конференции, вчерашние герои
социалистического труда плакали и про- сии третья. Классификацию почв нуж-
сились перевести их от стыда в другие хо-
зяйства. Из-за подкисления стало необхо- но свести к цифровым значениям, и здесь
димым известкование, применение удобре-
ний. В периоды влажных лет на плакорах без математики никуда. Когда вы, описы-
часто образуются мочары — локальные пе-
реувлажненные участки, исключающие об- вая определенный тип почвы, говорите,
работку земли.
что он имеет светло-коричневый оттенок,
— Чернозем — возобновляемый ре-
сурс? то нужно иметь в виду, что есть люди, кото-

— К счастью, да. В нашей стране дей- рым этот цвет кажется темно-коричневым,
ствует Рабочая группа по исследованию
черноземов, организованная в Почвенном а есть и те, кто страдает дальтонизмом и не

может различать цвета. И как тогда быть?

Поэтому и нужен единый стандарт, соз-

данный не на основе впечатлений, а та-

кой, где все будет досконально просчитано

и не останется места для субъективности.

Цифровая классификация — это и есть та

работа с цифровыми значениями, которой

мы сейчас занимае­ мся. Мы

хотим описать почву в чис-

ловых показателях. Наша

цель — не просто набор

цифр, а возможность опре-

делить значение признака,

взятого за основание де-

ления. У меня есть статья,

которая называется «Клас-

сификация — не место для

дискуссии». Может быть,

это наиболее четкое опре-

деление современного со-

стояния дел в почвенной

систематике. Василий Васильевич Докучаев
Любая классификация (1846–1903) — русский геолог
и почвовед, основоположник
должна иметь конкрет- школы научного почвоведения
ную цель, а сейчас пытают-

ся вложить в нее генезис, и географии почв

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 57

Почвоведение

­плодородие, экономику. Так, в генетиче- м­ етодов зондирования Земли, сменивших
скую классификацию по природным свой- аэрофотосъемку, существуют и вышки
ствам включают антропогенно-преобразо- с оборудованием для наблюдения за газо-
ванные, городские почвы и др., а это ведет вым режимом над почвой. Совершенствует-
к нарушению логики, к неопределенности. ся приборное оснащение. В последние годы
как за рубежом, так и в отечественном по-
Наш выдающийся ученый Н.М. Сибир- чвоведении все чаще и шире применяет-
цев, один из учеников В.В. Докучаева, дал ся метод рентгеновской компьютерной то-
три разных классификации почвы: есте- мографии, позволяющий визуализировать
ственно-историческую, техническую (при- и количественно характеризовать внутрен-
кладную) и экономическую. Мы стараемся нее строение почвы в образцах ненарушен-
придерживаться такого подхода. ного сложения.

Классификация, основанная на общих — В своих выступлениях вы часто го-
представлениях, не годится. Нужно учиты- ворите о таком понятии, как память по-
вать самые разные характеристики, то есть чвы. Что это значит?
должен быть комплекс показателей. В рам-
ках нашей работы это будут решения, ко- — Память почв — это широкое понятие,
торые принимаются на основе критериев, включающее в себя главным образом след
обоснованных многомерной статистикой от биосферно-геосферно-антропосферных
и кластерным анализом. взаимодействий на землю. Есть характери-
стики почвы, которые сохраняются на про-
— Сегодня мы располагаем большим тяжении десятилетий, например ее меха-
выбором методов изучения почвы. А как нический состав (почва-память), а есть те,
вообще развиваются сейчас современ- что исчезают очень быстро, скажем, в те-
ные методы мониторинга и исследова- чение дня (так называемый почва-момент),
ний? например кислотность. Разделены и харак-
терные времена учета этих показателей.
— Почвоведение, безусловно, наращива-
ет приборную базу. Кроме ­дистанционных

Пожар в кедровом стланике, Сахалинский хребет, 1952–1958 гг. Фото предоставлено В.А. Рожковым.
58 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Почвоведение

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

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 59

Почвоведение

Глобальное изменение климата — увеличении парниковых газов в атмосфе-
а грядет ли оно? ре, то есть это лишь мизерная доля общего
влияния, все остальное связано с космосом.
Графики температур менялись слабо, как и погода Каждые 500 лет мы наблюдаем таяние сне-
га в Арктике. В начале 1960-х гг. инженер
График 1 Прогноз П.М. Борисов выступал в Географическом
обществе Ленинграда и Ленинградском
°C Геохронологическое датирование университете с идеей постройки плотины
через Берингов пролив для холодного те-
15 чения. Тогда стала бы таять ледяная шап-
ка Арктики. Или если засыпать ее золой —
10 климат Севера стал бы теплым, и это было
бы прекрасно! Теперь об этом не вспомина-
5 ют. Наоборот. Забывают о том, что климат
0 станет теплым, но почва не изменится так
-5 быстро! И в Сибири не стали бы расти ба-
наны.
-10
Последнее значительное потепление
-15 мы наблюдали относительно недавно,
Тыс. лет -300 -200 -100 0 +100 в 1929– 1930-е гг. Многие номера журна-
ла «Вокруг света» тех лет были посвящены
График 2 350 Изменение средних глобальных температур 0 потеплению и строительству города Пе-
Изменение средних континентальных температур 0 века. В те годы оттаял лед Северного мор-
300 ского пути, стали усиленно возводить го-
280 300 250 200 150 100 50 рода, а теперь многие из них пустуют. Ни-
260 кто не вспоминает о том потеплении, а оно
240 было — и, по моему мнению, повторится
220 еще не раз.
200
180 Если глобальное потепление действи-
160 тельно грядет, то для почвы это не сулит
ничего хорошего: поймы рек где-то пе-
Тыс. лет ресохнут, а где-то, наоборот, будут зали-
ты водой. Помню, как на 25-й съезд КПСС
График 3 в 1976 г. из Коми присылали делегата-по-
чвоведа с протестом против переброски рек
4 с севера на юг. Тогда были бы залиты водой
самые плодородные пойменные почвы ре-
2 спублики. В общем, это сложный вопрос.

0 Мы с вами говорили еще о лесе, и здесь
тоже есть еще одна проблема, которая вно-
-2 сит свой вклад в потепление, — это валеж-
ник. За счет разложения подстилки, ва-
-4 лежника, сухостоя в атмосферу выделяется
углекислота. А как много этого валежника
-6 лежит по всей территории наших лесов! Он
гниет, и достаточно сильно, то же самое ка-
-8 сается и кустарников. Эту проблему тоже
могли бы частично решить лесники, но, как
-10 Тыс. лет 350 300 250 200 150 100 50 я уже говорил, их практически не осталось.

График 4 Бабушка моей жены, испокон веков жив-
шая на берегу Волги в Тверской области
0 в деревне Креве, рассказывала, как в до-
5 военные годы к ним в деревню приезжал
10 председатель ЦИК СССР М.И. Калинин —
15 вручал медаль за доблестный труд. Бабуш-
20 ка тогда его попросила: «Разрешите нам ва-
25 лежник брать из леса», на что Калинин ко-
ротко ответил: «Позабочусь». Но ­только
Годы 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930

1.  Изменение средних глобальных и континентальных температур.
2.  КОотнкцлеоннтернаицеитяеCмOп2 еврааттмуорсыфоетрен(омрлмна-1)лзьанопгоослзнедачнеинеи4я0(0ºСт).ыс. лет.
3. 
Источник: Станция «Восток», Антарктида.
4.  Влияние планет Юпитера, Земли, Венеры и Меркурия
на деятельность Солнца. Верхняя кривая — констелляция планет.
Нижняя кривая — деятельность Солнца (по Филиппу Мальбурэ).

60 В мире науkи | [10] октябрь 2021

1.  Типичный подзол Карелии. Фото Почвоведение
предоставлено В.А. Рожковым.
2.  Существуют разные гипотезы 1
происхождения чернозема: морская,
болотная, версия о растительно-
наземном происхождении и др.
Фото: https://ru.123rf.com.

2

в 2019 г. местному населению разрешили даже на ровных черноземах, например
бесплатно собирать валежник! А ведь здесь в Рязанской и Курской областях, появля-
дело не только в выделении углекислоты ются так называемые воронки — скопления
из валежника, но и в том, что очистка леса воды. В результате появления таких водя-
от сухостоя и пней снижает вероятность ных воронок большие площади земли ухо-
лесных пожаров и поражения деревьев вре- дят из оборота.
дителями.
Еще одна проблема — засоленные почвы,
— Состояние земельных ресурсов се- от Поволжья и восточнее. Засоленные по-
годня вызывает тревогу? чвы мы видим также в Средней Азии, Яку-
тии, и, если их полив сделан неправиль-
— Несомненно. Повсюду на территории но, без дренажа, есть риск лишиться этих
России мы наблюдаем неуклонное сниже- почв.
ние естественного плодородия земли и де-
градацию земель. Причины тому — эрозия В Почвенном институте им. В.В. Докучае-
почвы, засоление и, конечно, техногенный ва проводились опыты по мелиорации почв
фактор. В среднем по стране, как отмечал и в целом по изучению и сохранению по-
мой коллега Д.С. Орлов, за последние 25 лет чвенного покрова. Наш институт воспитал
на 0,5% уменьшилось содержание гумуса в Средней Азии мощную когорту ученых,
в почвах. По-прежнему сохраняется дефи- докторов наук, которые там управляются
цит фосфора, калия, кальция и других эле- довольно хорошо, но ведь многое зависит
ментов. Сегодня пустуют 76 млн га пашни. от конкретных природных условий.

— Какие регионы России наиболее уяз- Беседовала Янина Хужина
вимы, если мы говорим о почве?

— Любая почва в той или иной степени
может быть уязвимой, да и вообще это до-
вольно условное понятие. Например, по-
ловина нашей средней полосы России от-
носится к промерзающим почвам. Другие
земли, на юге, в Предкавказье и Поволжье,
подвержены пересыханиям — аридная
зона. Поэтому к каждому типу почвы нужен
свой отдельный подход.

Многое зависит от условий того или ино-
го конкретного года. Примерно каждые во-
семь лет мы наблюдаем то сухой период,
то период повышенной влажности, ­когда

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 61

Астрономия

62 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия

сзовеНвсзеедмыАСТРОНОМИЯ

Коричневые карлики располагаются где-то
посередине между звездами и планетами
и поэтому способны помочь нам разгадать
загадки и тех и других
Кейтлин Аллерс

Illustration by Mark Ross

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 63

Астрономия

ОБ АВТОРЕ

Кейтлин Аллерс (Katelyn Allers) — астроном, область
исследований которой — звезды малой массы и корич-
невые карлики. До недавнего времени была профессо-
ром Бакнеллского университета. В настоящее время вы-
пускает цифровые обучающие материалы в компании
Northwest Registered Agent.

ыши, дыши», — повторяла я про себя, как мантру.
На высоте 5,6 тыс. м мой организм жаждал кислоро-
да, и мне пришлось сосредоточиться на том, чтобы
доставить в легкие достаточно воздуха. Я находилась
на вершине Серро-Токо, стратовулкана, с которого от-
крывается вид на чилийское плато Чахнантор, где се-
годня расположилась Атакамская большая антенная
решетка миллиметрового/субмиллиметрового диапа-
зона — один из ведущих в мире радиотелескопов. Раз-
реженный воздух и бесплодная красная поверхность
горы создавали впечатление, что я на Марсе. Мы с коллегами изучали атмосферные
условия на Серро-Токо. Если бы они оказались достаточно хорошими, можно было
бы обосновать строительство обсерватории на столь отдаленной высокогорной пло-
щадке, даже учитывая значительные связанные с этим технические проблемы.

Атмосфера Земли — серьезная помеха для из ­наблюдаемых нами объектов. Один из клас-
астрономов, а облака и подавно расстраива- сов объектов, лучше всего заметных в инфра-
ют наблюдателей. Атмосферная турбулент- красном диапазоне, — коричневые карлики.
ность «размазывает» свет от звезды, и, когда В начале 2000-х гг., когда я училась в аспиран-
звезды видны вблизи горизонта, нам кажется, туре, они были только что обнаружены и при-
что они «танцуют» и мерцают. Содержащиеся несли с собой много удивительных загадок. Я
в атмосфере молекулы, такие как водяной пар была очарована этими поразительными не-
и углекислый газ, поглощают излучение звез- бесными телами, которые в астрономиче-
ды, особенно инфракрасное. Поскольку больше ской классификации занимают промежуточ-
половины воздуха атмосферы Земли находит- ное положение между звездами и планетами.
ся ниже вершины Серро‑Токо (момент, на ко- Мне было любопытно, где и как они образова-
торый неоднократно обращали внимание мои лись и на что похожи. В ходе своих исследова-
пылающие легкие), мы надеялись, что с помо- ний я узнала, что коричневые карлики не толь-
щью специального инфракрасного телескопа ко интересны сами по себе, но и служат важ-
наверху можно будет сделать множество новых ным мостом к нашему пониманию как планет,
потрясающих открытий. так и звезд, поскольку их температуры и мас-
сы занимают промежуточное положение в этом
Жажда приключений, приведшая меня ряду небесных тел. Сейчас я и другие астроно-
к этой вершине, зажгла искру и моего увлече- мы, занимающиеся изучением коричневых
ния инфракрасной астрономией — областью, карликов, работаем в одной из самых перспек-
в которой ученые исследуют космос в све- тивных областей исследований — еще мно-
те, слишком красном для человеческого гла- го коричневых карликов ожидают своего об-
за. Инфракрасное излучение большей частью наружения, при этом, чтобы раскрыть новые
исходит от самых тусклых и самых далеких

64 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия

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

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 65

Астрономия СОЛНЦЕ,
ЖЕЛТЫЙ КАРЛИК
Путеводитель
по коричневым карликам Радиус: 696 тыс. км
Масса: 1050 масс Юпитера
Разбросанные по всему космосу коричневые карлики —
это тусклые и компактные объекты, отчасти похожие ПРОКСИМА КЕНТАВРА,
на звезды, отчасти на планеты. С массой как минимум КРАСНЫЙ КАРЛИК

в 13 раз больше Юпитера, но менее 80 Юпитеров, они за- Радиус: 107 тыс. км
нимают свою собственную нишу. Новое исследование Масса: 130 масс Юпитера
процессов их формирования, их атмосферы и многого
PSO J318.5-22,
другого помогает пролить свет на эти странные, занима- КОРИЧНЕВЫЙ КАРЛИК
ющие промежуточное положение небесные тела.
(спектральный класс L)
1 000 000 × Радиус: 105 тыс. км
Масса: 8,3 массы Юпитера
100 000 × Сверхгиганты
10 000 × WISE 0855,
КОРИЧНЕВЫЙ КАРЛИК
Светимость звезды (по сравнению с Солнцем) 1000 × Гиганты
100 × (спектральный класс Y)
Радиус: 72 тыс. км
10 × Масса: 3–10 масс Юпитера

Солнце Солнце Звезды главной ЮПИТЕР
0,1 × ­последовательности ПЛАНЕТА — ГАЗОВЫЙ ГИГАНТ

0,01 × Радиус: 71,5 тыс. км

0,001 × Белые Коричневые
0,0001 × карлики карлики
0,00001 ×

0,000001 ×

Illustration by Ron Miller (objects and atmospheres) and Jen Christiansen (H-R diagram) 0,0000001 ×

0,00000001 ×

0,000000001 ×

10000 1000 100

Выше Солнце Ниже

Температура поверхности звезды (кельвины)

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Этот график зависимости светимости от температуры
звезды, называемый диаграммой Герцшпрунга —
Рассела, применяется как классический инструмент
астрономов для характеристики классов звезд.
Справа внизу коричневые карлики, которые пред-
ставляют более холодную и тусклую категорию, чем
любой другой из показанных типов звезд.

66 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия

ВНУТРЕННИЙ АТМОСФЕРА ЖЕЛТЫЙ КАРЛИК (ЗВЕЗДА)
ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
У звезд, планет и корич- Наше Солнце — один из желтых карликов. Эти звезды пре-
Звезды получают энергию невых карликов свои вращают водород в гелий в течение примерно 10 млрд лет, пока
за счет водородного синте- собственные особенно- бóльшая часть водорода не закончится. Затем они раздуваются
за, однако коричневые кар- сти атмосферы. Недавно в более крупные и более красные звезды — красные гиганты,
лики слишком малы, чтобы ученые выяснили, что которые превращают гелий в углерод и другие более тяжелые
поддерживать этот процесс. коричневый карлик про- элементы. В конце концов у них заканчивается топливо для
Вместо этого они светятся ходит несколько стадий. ядерного синтеза и они сбрасывают свои внешние газовые слои,
за счет остатков тепла, Сначала его атмосфера образуя сияющие планетарные туманности, в то время как их
выделившегося при их напоминает атмосферу крас- ядра схлопываются в плотные и горячие белые карлики.
образовании. Такие пла- ного карлика. По мере того
неты, как Юпитер, в до- как он стареет и остывает, 10 млрд лет
полнение к излучению могут образовываться об-
за счет собственного лака из минералов, а позднее Эволюция Планетарная туманность
тепла отражают в течение его жизни эти
излучение своей облака тонут и верхние слои Красный гигант Белый карлик
родительской его атмосферы становятся
звезды. похожими на атмосферу
газового гиганта.

Водородный Атмосфера без облаков КРАСНЫЙ КАРЛИК (ЗВЕЗДА)
синтез
Самый распространенный на сегодня тип звезд в Млечном
Облака из титаната Облака из железа Пути — красные карлики. Они тусклее и холоднее, чем звезды,
и алюминатов кальция и силиката магния подобные Солнцу. Они тоже превращают водород в гелий,
Тие мплпоетрнаотсутрьа но стареют гораздо медленнее, чем желтые карлики, и могут
Ниже прожить триллион лет, прежде чем закончится водород. Когда
в конце концов они все же исчерпают свое топливо, они тоже
становятся белыми карликами.

Эволюция 1 трлн лет

Водо­ Выше Гелиевый белый карлик
родного
синтеза

нет

Газообразная закись углерода (красный) КОРИЧНЕВЫЙ КАРЛИК
Облака из кристаллов воды
Эти небесные тела — не звезды, потому что их масса слишком
Соляные облака мала, чтобы создать давление, достаточное для протекания
Сульфидные облака ядерного синтеза. Они сияют остатками тепла, возникшего
при рождении, и со временем постепенно остывают и туск-
Водо­ неют. Они никогда не умрут и не превратятся в тела другого
родного типа, а просто будут становиться все холоднее и темнее.
синтеза
Эволюция
нет
100 млн лет

Газообразные метан и аммиак (голубой) ГАЗОВЫЙ ГИГАНТ (ПЛАНЕТА)

Водо­ В отличие от звезд и коричневых карликов, которые форми-
родного руются в результате конденсации газового облака, планеты
синтеза вырастают вблизи недавно родившейся звезды из остатков
вещества, образовавших вокруг нее протопланетный диск.
нет Газовые гиганты Юпитер и Сатурн — самые большие планеты
Поперечное сечение Солнечной системы и состоят в основном из водорода и гелия.
показано не в масштабе Как и у коричневых карликов, в ядрах газовых гигантов ядер-
ный синтез не протекает.

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 67

Астрономия

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

68 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия

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

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 69

Астрономия

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

70 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Астрономия

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

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 71

Неврология

НЕВРОЛОГИЯ

НОВОЕ
ПОНИМАНИЕ

БОЛЕЗНИ
АЛЬЦГЕЙМЕРА

Иммунные клетки, которые называются микроглией, оказались
перспективным объектом для исследователей, занимающихся
поиском способов лечения этого нейродегенеративного
заболевания

Джейсон Ульрих и Дэвид Холцман

В 1907 г. немецкий психиатр Алоис Альцгеймер опубликовал описание случая не-
обычного заболевания, поражающего кору головного мозга. У 51-летней пациентки
психиатрической клиники во Франкфурте-на-Майне появились симптомы, хоро-
шо знакомые миллионам семей, где живут люди, страдающие от болезни Альцгей-
мера, как мы сейчас называем этот недуг: потеря памяти, спутанность сознания
и дезориентация.

Illustration by Ruaida Mannaa После смерти пациентки Альцгеймер обследо- эти два патологических белка — тау-белок и ами-
вал ее мозг и сделал ряд важных наблюдений. лоид — оказались в центре внимания при исследо-
Во-первых, размер органа был меньше среднего, вании причины болезни.
то есть он атрофировался, потеряв нейроны. Во-
вторых, внутри нейронов имелись клубки из бел- Однако, проведя вскрытие, Альцгеймер сделал
ковых волокон, а снаружи — отложения в виде бля- еще одно наблюдение, про которое часто забыва-
шек другого белка. В течение следующего столетия ют. Он увидел под микроскопом структурные из-
менения и в некоторых клетках, не относящихся

72 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология

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

Неврология

ОБ АВТОРАХ

Джейсон Ульрих (Jason Ulrich) — адъюнкт-профессор
­неврологии в Университете Вашингтона в Сент-Луисе.

Дэвид Холцман (David M. Holtzman) — профессор и глава отделения неврологии,
­директор по научным исследованиям Центра неврологических заболеваний Hope
при Университете Вашингтона в Сент-Луисе и заместитель директора Центра Найта
по изучению болезни Альцгеймера. Кроме того, он соучредитель компании C2N
Diagnostics, занимается консультированием других организаций и участвует в ис-
следовательских работах по грантам от разных компаний.

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

74 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология

Поиск генетических механизмов

Многие исследователи болезни Альцгеймера, разочаровавшись из-за неудачных поисков новых методов лечения, обратили
свое внимание на такие гены, как TREM2, кодирующий защитный белок, и APOE4, самый главный генетический ф­ актор риска
для этого заболевания. Понимание работы данных генов подсказывает новые идеи о том, как помочь более чем 6 млн чело-
век в США, живущим с этим трагическим диагнозом.

Отличительные признаки болезни Альцгеймера в мозге E

Хорошо известные признаки болезни Альцгеймера — это амилоидные
бляшки A , тау-клубки B и нейритические бляшки с тау-белком C .
Относительно новый подозреваемый — клетки микроглии D , которые вна-
чале помогают защитить нейроны, окружая и разрушая амилоидные бляшки.
Однако на более поздних стадиях микроглия может создать проблемы, запу-
ская воспалительную реакцию, приводящую к накоплению тау-белка, гибели
нейронов и когнитивным нарушениям. Еще один тип клеток — астроциты E ,
которые также отвечают за очистку мозга.

Микроглия Астроцит
Белок TREM2
D Нейрон

A B

Амилоидные бляшки Тау-клубки

C

Нейритические бляшки
с тау-белком

Illustration by AXS Biomedical Animation Studio Старый Здоровый На 19-й хромосо- Новый подозре­ Ген расположен
знакомый: APOE4 Атрофированный ме расположен ваемый: TREM2 на шестой хромо-
ген, отвечающий соме. Если в нем
APOE4 — аллель гена, за производство TREM2 — генетический есть мутация
отвечающего за ме- белка APOE4. Этот фактор риска для бо- R47H, то у получа-
таболизм липидов. белок побуждает лезни Альцгеймера, ко- емого белка уже
Он кодирует белок, пептиды бета-ами- торый работает в клет- нет такого полез-
который выделяют лоида слипаться ках микроглии, где ного действия,
клетки микроглии и образовывать кодирует мембранный как в норме.
и астроциты. APOE4 — бляшки. Недавние рецептор. У данного Его активность
главный генетический исследования по- белка парадоксальное приводит к об-
фактор риска для бо- казали, что APOE4 действие, зависящее разованию нейри-
лезни Альцгеймера, играет важную от стадии развития тических бляшек
развивающейся роль в патологии, заболевания. В на- с тау-белком,
в позднем возрас- связанной с болез- чале болезни активация а затем к сильной
те. Хотя впервые он нью Альцгеймера, этого сигнального пути нейродегенера-
описан в 1993 г., до сих и способствует помогает снизить по- ции и атрофии
пор его роль в раз- накоплению опас- вреждения от амилоида мозга. Открытие
витии патологии при ного тау-белка, и распространение тау- мутации R47H
болезни Альцгеймера что приводит белка. Однако на более пробудило ин-
остается не до конца к атрофии мозга поздних стадиях его терес к участию
понятной. Новые (показано на по- активация может при- клеток микроглии
исследования по- перечном срезе). вести к повреждению в развитии болез-
степенно проясняют нейронов и в конечном ни Альцгеймера.
ситуацию. счете к их гибели.

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 75

Неврология

дают полезную информацию о механизмах его раз- ­мембранный клеточный рецептор в микроглии,
вития. В первую очередь, с риском развития болез- сильно увеличивает риск болезни Альцгеймера.
ни Альцгеймера связан ген APOE. Он кодирует бе-
лок аполипопротеин E (APOE), который участвует Благодаря данным, полученным в результате
в метаболизме жиров и холестерина. В 1993 г. впер- секвенирования, был обнаружен вариант, в кото-
вые выяснилось, что развитие болезни Альцгейме- ром произошла замена аминокислоты гистидина
ра может быть связано с одним вариантом (алле- на аргинин. Показано, что эта мутация ухудшает
лью) этого гена, который значительно увеличивает функционирование микроглии и повышает риск
риск заболевания. У человечества распростране- развития болезни Альцгеймера приблизитель-
ны три аллели гена APOE: APOE2, APOE3 и APOE4. но в два-четыре раза. Интересно, что TREM2, как
Чаще всего встречается APOE3, в популяции его и несколько других недавно открытых генетиче-
доля составляет примерно 78%, затем идут APOE4 ских факторов риска, в мозге работает исключи-
(примерно 14%) и APOE2 (примерно 8%). У каждого тельно в микроглиальных клетках. Это позволяет
человека есть две аллели APOE, и примерно у 25% предположить, что микроглия может активно уча-
людей имеется хотя бы одна аллель APOE4. Однако ствовать в развитии болезни. Но как именно?
среди пациентов с болезнью Альцгеймера носители
хотя бы одной копии APOE4 составляют 60%. Патрульная служба

У людей с одной копией аллели APOE4 риск раз- Микроглия находится в родстве с макрофагами
вития болезни Альцгеймера вырастает в два-три иммунной системы, патрулирующими организм,
раза, а если этот вариант представлен двумя ко- чтобы бороться с патогенами или помогать рас-
пиями, то в 12 раз по сравнению с теми, у кого обе чищать поврежденные ткани. Исследователи вы-
копии представлены аллелью APOE3. У носите- яснили, что эти клетки участвуют в очень многих
лей APOE4 амилоидные бляшки начинают обра- процессах начиная от борьбы с инфекцией и за-
зовываться раньше и более интенсивно, потому канчивая обрезкой в развивающемся мозге лиш-
что данный вариант аполипопротеина E ухудша- них синапсов — мест соединения нейронов между
ет удаление из мозга бета-амилоида и способству- собой. В нормальных условиях у клеток микроглии
ет слипанию белка. И наоборот: аллель APOE2 сни- небольшие тела с похожими на ветви выроста-
жает риск развития болезни Альцгеймера и веро- ми, распространяющимися по всей ткани мозга.
ятность образования амилоидных патологий. Эти защитные клетки поглощают, или, говоря бо-
лее формально, фагоцитируют ненужные синап-
Несмотря на то что APOE4 оказывает сильное сы и отходы, а также ищут признаки повреждения
влияние, им не объясняется вся генетическая или проникновения патогенов.
предрасположенность к болезни Альцгеймера. Ге-
нетики не покладая рук искали другие факторы Если повреждение случается, то микроглия ме-
риска, которые могли бы объяснить «потерянную няет форму и начинает действовать по-другому.
наследуемость». Они использовали достижения Тела клеток увеличиваются, а отходящие от них
в технологии генетического секвенирования, что- отростки укорачиваются и уменьшаются в числе.
бы проверить тысячи людей и выяснить, какие из- Клетки микроглии мигрируют к месту поврежде-
менения в ДНК связаны с большим или меньшим ния и запускают там воспалительную реакцию.
риском развития болезни Альцгеймера. На протяжении десятилетий исследователи на-
блюдали, как микроглия окружает амилоидные
Такой крупномасштабный скрининг выявил бляшки, однако было непонятно, помогает ли она
те участки и гены, которые, по-видимому, влия- остановить накопление амилоида или же вызыва-
ют на риск развития болезни. Среди прочих это ет вредоносное воспаление. Связь между микро-
гены CD33, BIN1, CR1 и MS4A6A, кодирующие бел- глией и тау-белком также не до конца ясна.
ки с разными функциями. Например, гены CD33
и CR1 несут информацию для синтеза расположен- В некоторых работах было показано, что микро-
ных на поверхности клетки рецепторов, которые глия может повреждать аксоны и синапсы, созда-
воспринимают сигналы от других клеток. Данные вая помехи передаче сигналов, в результате чего
гены, обнаруженные благодаря скринингу среди в клетках накапливался тау-белок.
населения, немного влияют на риск развития за-
болевания. Другие исследователи выявили, что воспали-
тельные белки цитокины, которые выделяет ми-
Исследователи также секвенировали геномы кроглия, значительно усиливают опасный процесс
тысяч пациентов с болезнью Альцгеймера, что- гиперфосфорилирования. Открытие таких генети-
бы найти редкие аллели, способные оказывать ческих факторов риска, как TREM2 и CD33, указы-
сильное влияние на риск заболевания. Некото- вает на конкретные вещества в микроглии, могу-
рые из этих генов работают преимущественно щие участвовать в развитии болезни Альцгеймера.
в микроглии — главных иммунных клетках моз- Исследователи надеются, что понимание функций
га. В 2013 г. два исследования показали, что ред- этих белков позволит глубже разобраться в том,
кий генетический вариант TREM2, кодирующий какую роль играет микроглия в патологическом
процессе.

76 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология

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

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 77

Неврология

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

78 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Неврология

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

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 79

ЗАИКАЮЩИ НЕЙРОБИОЛОГИЯ
МОЗГ

Photographs by Anthony Francis

80 В мире науkи | [10] октябрь 2021

 ЙСЯ Раньше в этом расстройстве речи обвиняли
самого человека или его родителей,
но сейчас известно, что оно обусловлено
особенностями генов и нервных связей.
Благодаря новым открытиям появятся
и новые направления для лечения

Лидия Дэнуорт

Ли Ривз, заикающийся с детства, демонстрирует три звука, вызывающие у него трудности: L (слева), W (в центре)
и ST (справа). Если ему удается расслабиться в момент произнесения этих звуков, то он заикается слабее.

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 81

Нейробиология

ОБ АВТОРЕ

Лидия Дэнуорт (Lydia Denworth) — популяризатор науки, пишущий ре-
дактор Scientific American, автор книги «Дружба: эволюция, биология
и необычайная сила фундаментальной связи жизни» (Friendship: The
Evolution, Biology, and Extraordinary Power of Life’s Fundamental Bond, 2020).

и Ривз (Lee Reeves) всегда хотел быть ветеринаром. Когда он
учился в старших классах школы в Вашингтоне, он пришел
в ветеринарную клинику рядом со своим домом, чтобы устро-
иться на работу. Было субботнее утро, и врач был загружен
работой. В регистратуре ему сказали, что с доктором сейчас
нельзя поговорить, он слишком занят. Однако Ривз был на-
строен решительно и остался ждать. Через три с половиной
часа, завершив осмотр всех собак и кошек, ветеринар вышел
и спросил Ривза, что ему нужно.

Ривз, заикавшийся с трехлетнего возрас- «Я помню, как, выходя из клиники в то утро,
та, отвечал с трудом. «Я как-то справил- думал что, в сущности, моя жизнь кончена.
ся с тем, чтобы сказать, что хочу работать, Я не только никогда не стану ветеринаром,
и он спросил, как меня зовут, — рассказы- мне даже клетки чистить не дадут».
вает Ривз. — Я не смог бы назвать свое имя,
даже если бы от этого зависела моя жизнь». С тех пор прошло более 50 лет. Ривз, ко-
В итоге ветеринар протянул лист бумаги торому сейчас 72 года, успешно занимает-
и предложил Ривзу написать туда имя и но- ся поддержкой людей с нарушениями речи,
мер телефона, но сказал, что работы нет. но воспоминания о разочаровании и сму-
щении, которые он испытал в тот день,

82 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Нейробиология

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

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 83

Нейробиология

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

84 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Нейробиология

Нейробио- Премоторная кора
логические
механизмы Дополнительная моторная область
заикания Предополнительная моторная область Вентральная моторная кора

Речь — одна из наиболее слож- Вентральная соматосенсорная кора
ных форм человеческого поведе- Зона Вернике
ния, зависящая от миллисекундной Дуго­
координации разных частей моз- образный
га. Показано, что заикание связано пучок
с нарушениями в волокнах, переда- Стриатум
ющих нервные импульсы из одной Зона Брока Вентролатеральное ядро таламуса
области в другую. В формировании Вентральное переднее ядро таламуса
речи задействованы три группы об- Бледный шар
ластей: в таламусе переключают-
ся сенсорные сигналы, базальные
ядра координируют дви-
жения, а кора голов-
ного мозга занима- A

ется мышлением Кора головного мозга
и интеграци-
ей сенсорных Когнитивные области

и моторных Сенсорные области
сигналов.

Моторные области Ретикулярная часть черной субстанции

CC

B Таламус Существует множество связей внутри этих областей и между ними.
В коре A важнейшую роль играет дугообразный пучок, у заикающихся
Базальные ядра людей в нем есть нарушения. Другие сбои, по-видимому, происходят
в базальных ядрах B и в сети, объединяющей все эти области, — кор-
C тико-базальноядерно-таламокортикальной петле C .

Source: “Involvement of the Cortico-Basal Ganglia-Thalamocortical Loop in Developmental Stuttering,” by Soo-Eun мозг четырех заикающихся людей и сооб- В новейших исследованиях с использова-
Chang and Frank H. Guenther, in Frontiers in Psychology, January 28, 2020 (loop reference); Illustration by Body Scientific щили о постоянном снижении нервной ак- нием высокотехнологичных сканеров и про-
тивности в областях, связанных с речью. двинутых методов анализа подтверждает-
В другом раннем небольшом исследовании ся то, что было обнаружено в более ранних
был обнаружен повышенный уровень дофа- работах. У большинства людей речь обеспе-
мина в стриатуме, важнейшей части систе- чивается преимущественно левым полу-
мы вознаграждения мозга. шарием. У заикающихся взрослых по срав-
нению с не заикающимися наблюдалась
Опираясь на это исследование, ученые меньшая активность в связанных с речью
протестировали нейролептики, блокиру- областях левого полушария и б   льшая ак-
ющие рецепторы к дофамину, и оказалось, тивность в правом полушарии. Например,
что лекарства улучшали гладкость речи когнитивный нейробиолог Кейт Уоткинс
у некоторых людей, но при приеме данных (Kate Watkins) из Оксфордского универси-
препаратов возникал риск серьезных по- тета обнаружила, что вентральная премо-
бочных эффектов, таких как двигательные торная кора — область в левом полушарии,
расстройства, характерные для паркинсо- расположенная рядом с речевыми зона-
низма. Однако оставалось много скепти- ми, — не активируется у заикающихся лю-
ков, которые были убеждены, что заика- дей, когда они говорят.
ние не связано с работой мозга. Магуайр
вспоминает, что, когда в конце 1990-х гг. Данный участок находится непосред-
он на научной конференции представил ственно над важным проводящим пуч-
свою теорию о заикании как расстройстве ком белого вещества, связывающим слу-
на уровне мозга, его чуть ли не освистали. ховую зону с областями, отвечающими

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 85

Нейробиология

за ­контроль движений. В этом проводящем Что касается работы мозга, то у людей, ко-
пути Уоткинс с соавторами обнаружили торые заикаются, по-видимому, недоста-
у людей с заиканием структурные отличия. точно хорошо функционирует кортико-ба-
Белое вещество образовано аксонами — зальноядерно-таламокортикальная петля,
длинными нервными отростками, передаю- обеспечивающая интеграцию слуховой, ре-
щими импульсы. «Это все кабели и провода, чевой и моторной информации. Как следу-
которые обеспечивают взаимодействия», — ет из названия, эта нервная цепь объеди-
говорит Уоткинс. няет подкорковые структуры — базальные
ядра (к которым относится стриатум) и та-
Такие взаимодействия должны происхо- ламус — с участками коры, расположен-
дить точно в нужный момент. Для этого ак- ной на поверхности мозга. «Среди тех дви-
соны покрыты изоляционным слоем мие- гательных актов, которые мы выполняем,
лина, жироподобной субстанцией, которая самый сложный — это речь, — говорит ней-
ускоряет передачу сигнала. Хорошо миели- робиолог Су Ын Чан (Soo-Eun Chang) из Ми-
низированные волокна обычно идут парал- чиганского университета. — Она зави-
лельно друг другу, как волокна в черешках сит от миллисекундной координации меж-
сельдерея. Но при сканировании мозга ме- ду нервными путями и мышцами. Помимо
тодом диффузионной МРТ видно, что у заи- прочего, петля обеспечивает плавный и сво-
кающихся людей аксоны чаще перекрещи- евременный запуск двигательной последо-
ваются. вательности».

«Среди двигательных Пока точно не ясно, почему происходит
актов, которые мы сбой, но даже незначительные нарушения
выполняем, самый могут приводить к затруднениям с речью.
сложный — это «Все указывает на то, что базальные ядра
речь. Она зависит действуют как коммутатор, — говорит Ма-
от миллисекундной гуайр. — Если что-то на этом пути наруше-
но, может возникнуть заикание».
координации между
нервными путями Возможно, сбои такого рода вызывают за-
и мышцами». икание. Однако они могут быть и компен-
саторными изменениями, результатом по-
Нейробиолог Су Ын Чан пыток мозга приспособиться к проблемам,
(Мичиганский университет) вызывающим заикание. Чтобы отличить
причину от следствия, Чан работает с бо-
Более того, жидкость и нейромедиаторы лее 250 детей, наблюдение начинается с их
должны проходить по аксонам белого веще- трехлетнего возраста и длится на протяже-
ства так же, как вода двигалась бы по парал- нии как минимум четырех лет. Некоторые
лельным волокнам сельдерея. При скани- из них избавляются от заикания, другие —
ровании мозга для оценки этого потока ис- нет.
пользовали показатель, который называется
«фракционная анизотропия» (ФА): чем она В 2017 г. Чан с коллегами сообщили, что
выше, тем плотнее организовано белое веще- в начале у заикающихся детей наблюда-
ство. У заикающихся людей стабильно на- лась недостаточная целостность белого ве-
блюдались более низкие значения ФА в этом щества в пучке, соединяющем слуховую
нервном тракте. По мнению Уоткинс, это оз- и моторную области левого полушария. Од-
начает, что те области мозга, куда поступа- нако у детей, избавившихся от заикания,
ет информация по белому веществу, иногда со временем целостность белого вещества
не получают сигнала и не активируются. улучшилась. «Этот показатель увеличился
(У заикающихся людей наблюдались анало- и нормализовался у выздоравливающих де-
гичные изменения и в других участках бело- тей и остался прежним или даже ухудшил-
го вещества, например в мозолистом теле, со- ся у тех, у кого заикание сохранилось», —
единяющим полушария мозга между собой.) поясняет нейробиолог.

У детей и взрослых, страдающих от за-
икания, она обнаружила нарушения в ле-
вой части мозга. У взрослых с правой сто-
роны наблюдалась также гиперактивность:
предположительно, это адаптивные измене-
ния, возникающие в более позднем возрас-
те. По словам Чан, главный вопрос заключа-
ется в том, существуют ли в самом раннем

86 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Нейробиология

возрасте заметные различия между теми Все выявленные до сих пор гены связаны
детьми, которые затем избавятся от заи- с внутриклеточным транспортом, то есть
кания, и теми, у которых оно сохранится. переносом молекул внутри клеток. В ис-
«Было бы важно иметь признак, по которо- следовании 2019 г. Драйна с коллегами
му можно достоверно судить, кто подверга- выяснили, что у мышей, имеющих мута-
ется максимальному риску сохранения заи- цию в гене GNPTAB, вокализация сопрово-
кания», — отмечает исследовательница. ждалась ненормально длинными паузами,
так же как при заикании. У этих живот-
Все дело в семье ных исследователи обнаружили снижен-
ное количество астроцитов, клеток голов-
В значительной степени такой риск пе- ного мозга, обычно в изобилии присут-
редается по наследству, через родитель- ствующих в состоящих из белого вещества
ские гены. Изучение близнецов и прием- проводящих путях, соединяющих два по-
ных детей показывает, что гены объясняют лушария. Возможно, недостающее зве-
42– 85% риска появления заикания. У одно- но между генетикой и неврологией заи-
яйцевых близнецов значительно больше об- кания — это лизосомы, занимающиеся
щих генов, чем у разнояйцевых, и в одном удалением отходов из клеток, и мутации
исследовании если заикание было у одно- в соответствующих генах влияют именно
го близнеца, то оно наблюдалось у второ- на работу лизосом.
го в 63% случаев, когда близнец однояйце-
вой, и в 19% случаях, когда разнояйцевой Покончить со стигматизацией
того же пола. Оставшаяся часть риска мо-
жет быть связана с условиями среды (один Наличие генетических причин у заикания
из признаков существования такого негене- не означает, что его нельзя лечить. Прово-
тического влияния — то, что не всегда одно- дятся новые исследования, совершенству-
яйцевой близнец тоже заикается), причем ются фармакологические подходы. Магуайр
некоторые факторы среды могут действо- с коллегами считают, что на сегодня мак-
вать в сочетании с генетической предраспо- симальные перспективы имеет использо-
ложенностью. Однако что это за факторы — вание препаратов, снижающих активность
точно не известно. дофамина в определенных областях мозга.
В частности, именно такой эффект имеют
Благодаря работе, которую генетик Дэн- нейролептики. Магуайр провел успешные
нис Драйна (Dennis Drayna) из Нацио- испытания рисперидона, оланзапина и лу-
нального института глухоты и других рас- разидона, все они уменьшали тяжесть за-
стройств коммуникации начал около 20 лет икания. Но ни один из них не получил одо-
назад, были идентифицированы некоторые брения Управления по санитарному над-
связанные с заиканием гены. Драйна побы- зору за качеством пищевых продуктов
вал в Пакистане, где приняты браки между и медикаментов (FDA) США. К сожалению,
двоюродными братьями и сестрами, из-за эти препараты могут давать нежелательные
чего могут проявляться скрытые генетиче- побочные эффекты, такие как набор веса
ские проблемы. «Легко удалось найти боль- и двигательные нарушения. Однако неко-
шие семьи, в которых было очень много слу- торые люди, и сам Магуайр в том числе, их
чаев заикания», — рассказывает ученый. принимают.

В 2010 г. Драйна с коллегами сообщи- Сейчас Магуайр проводит крупномас-
ли о трех найденных генах. С заиканием штабное клиническое исследование препа-
были связаны мутация в GNPTAB (ранее рата под названием «экопипам», который
выяснилось, что этот ген участвует в раз- также тестируется для лечения синдрома
витии серьезного генетического заболева- Туретта. По сравнению с более ранними
ния, не имеющего отношения к заиканию), лекарствами экопипам взаимодействует
GNPTG и NAGPA. А затем Драйна получил с другим набором дофаминовых рецепторов.
вопрос через интернет от мужчины из Ка- В небольшом предварительном исследо-
меруна, который сообщил о большом коли- вании препарат улучшал плавность речи
честве заикающихся в своей семье, — позже и качество жизни и не имел явных побоч-
генетик встретил 71 человека из этой семьи, ных эффектов. Однако любое фармаколо-
и 33 из них заикались. Это позволило выде- гическое лечение заикания, которое будет
лить четвертый ген, AP4E1. (Информации одобрено FDA, вряд ли подойдет всем. «Я ду-
о пятом гене пока опубликовано не было.) маю, что будущее за персонализирован-
Драйна говорит, что вместе эти гены объяс- ной медициной, определением, что на са-
няют в лучшем случае 20– 25% случаев за- мом деле происходит с каждым конкретным
икания.

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 87

Нейробиология

ч­ еловеком, — говорит Магуайр. — Сейчас изнурительной учебы в аспирантуре по фи-
выясняется, что заикание на самом деле зике. Тревога и стресс не вызывают заика-
не имеет единой причины». ние, но могут его усиливать.

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

88 В мире науkи | [10] октябрь 2021



Illustration by Richard Borge Квантовые вычисления

90 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Квантовые вычисления

КвантовоеКВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
будущее
химии

Квантовые компьютеры выведут
молекулярное моделирование на новый
уровень точности, уменьшив зависимость

ученого от счастливого случая
Жаннетт Гарсиа

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 91

Квантовые вычисления

ОБ АВТОРЕ

Жаннетт Гарсиа (Jeannette M. Garcia) — старший управляющий Группы
квантовых технологических платформ, алгоритмов и теории компании
IBM Research. Исследования ее команды сфокусированы на практиче-
ском использовании вычислительной математики и теории квантовых
вычислений.

воей карьерой химика я в огромной степени обязана удаче.
В 2012 г. я оказалась в нужном месте (в исследовательской ла-
боратории компании IBM в Альмадене, штат Калифорния)
в нужное время — и совершила «ошибку». Чтобы получить из-
вестный продукт, мне следовало смешать в лабораторном ста-
кане три компонента. Задачей было заменить один из обычных компонентов его
версией, полученной из отходов пластика, чтобы повысить экологичность прочных
пластиков, называемых термореактивными пластмассами.

Вместо этого, когда я смешала два компо- ­добиться ­научного прогресса, то необходи-
нента, в стакане образовалась белая твер- мо получить возможность точно моделиро-
дая полимерная субстанция. Она была на- вать ее. В частности, если нам следует до-
столько прочной, что для того чтобы выта- стичь серьезного продвижения в области
щить ее, пришлось разбить стакан. Более химии, нам необходимо научиться пони-
того, после пребывания в течение ночи мать энергетику химических реакций с вы-
в разбавленной кислоте она снова превра- сокой степенью достоверности. В этом нет
тилась в исходные вещества. Совершенно ничего нового, просто подчеркивается глав-
случайно я открыла новое семейство пере- ное ограничение: предсказание свойств
рабатываемых термореактивных полиме- даже простых молекул с абсолютной точно-
ров. Сочти я это неудачным экспериментом стью выходит за пределы возможностей са-
и не продолжи дальнейшие исследования, мых мощных компьютеров. Именно здесь
мы бы так никогда и не узнали о том, что в ближайшие годы квантовые вычисления
получили. Это было научное везение в его открывают перспективу достижения значи-
лучшем виде, в русле благородной традиции тельных успехов.
Роя Планкетта (Roy Plunkett), который, за-
нимаясь химией охлаждающих газов, слу- Моделирование химических реакций
чайно изобрел тефлон. на классических компьютерах требует ап-
проксимации, поскольку они не в состоя-
Сегодня передо мной новая цель: умень- нии точно рассчитать квантовое поведение
шить роль интуиции и счастливого слу- более чем пары электронов: вычисления
чая в открытии новых химических ве- слишком объемны и занимают слишком
ществ. Такие стоящие перед нами пробле- много времени. Каждое приближение сни-
мы, как климатический кризис и COVID-19, жает ценность модели и увеличивает объем
настолько серьезны, что наш ответ не мо- лабораторной работы, которую должны вы-
жет зависеть от одной лишь удачи. Природа полнить химики, чтобы проверить и напра-
сложна и могущественна, и если мы хотим вить модель. А вот квантовые ­вычисления

92 В мире науkи | [10] октябрь 2021

Квантовые вычисления

работают по-другому. Каждый кванто- рост химических данных, полученных с по-
вый бит, или кубит, может отображаться мощью экспериментов, проводимых одним
на спиновые орбитали конкретного элек- из методов проб и ошибок, который получил
трона; квантовые компьютеры могут ис- название «высокопроизводительный скри-
пользовать квантовые явления, такие как нинг», позволил создать хорошо разрабо-
квантовая перепутанность, для описания танные химические модели. Промышлен-
электрон-электронных взаимодействий ное использование этих моделей включает
без каких-либо аппроксимаций. Квантовые в себя разработку новых лекарств и матери-
компьютеры сегодня достигли такого уров- алов.
ня, когда с их помощью можно начать мо-
делирование энергетики и свойств неболь- Ограничивающий фактор подобных моде-
ших молекул, таких как гидрид лития, что лей — необходимость упрощения. На каж-
открывает возможности построения моде- дом этапе моделирования необходимо вы-
лей, которые обеспечат более короткий путь брать ту или иную область, в которой можно
к открытиям, нежели те, что мы использу- пожертвовать точностью, чтобы не выйти
ем сейчас. за пределы вычислительных возможностей
компьютера. На нашем языке это означа-

Моделирование химических реакций Квантовые компьютеры
сегодня достигли такого
Квантовая химия как отдельная дисципли- уровня, когда с их помощью
на не нова. В начале XX в. немецкие химики, можно начать моделирование
такие как Вальтер Хайтлер (Walter Heitler) энергетики и свойств
и Фриц Лондон (Fritz London), показали, что небольших молекул, таких как
ковалентную связь можно объяснить с по- гидрид лития
мощью квантовой механики. В конце XX в.
с ростом производительности доступных ет работать с так называемыми крупнозер-
химикам вычислительных машин модели- нистыми моделями. Каждое такое упроще-
рование элементарных классических си- ние снижает общую точность вашей модели
стем нашло практическое применение. и ограничивает ее возможности для поис-
ка новых открытий. Чем грубее данные, тем
При этом, когда я работала над своей дис- более трудоемкой будет ваша работа в лабо-
сертацией в середине 2000-х гг. в Бостон- ратории.
ском колледже, мало кто из химиков, про-
водивших опыты в лабораториях, обладал Квантовый подход совершенно иной.
функциональными знаниями о том, что мо- В своем чистом виде квантовые вычисления
гут делать компьютеры в деле химического позволили бы нам моделировать природу
моделирования. Дисциплины (и необходи- такой, какая она есть, без каких-либо при-
мый набор навыков) были разными. Вместо ближений. Часто цитируется высказывание
того чтобы вникнуть в суть вычислитель- Ричарда Фейнмана «...природа не классиче-
ного подхода, проводившие опыты в лабо- ская, черт возьми, и если вы хотите ее моде-
раториях химики придерживались стра- лировать, то лучше воспользоваться кван-
тегии проб и ошибок, зачастую полагаясь тово-механической моделью». В последние
при этом не только на свои знания и опыт, годы мы наблюдаем стремительный рост
но и на удачу. Мне посчастливилось рабо- мощности квантовых компьютеров. Ком-
тать в исследовательской группе Амира Хо- пания IBM в 2020 г. дважды удвоила «кван-
вейды (Amir Hoveyda), который давно осоз- товый объем» своего компьютера — показа-
нал важность сочетания эксперименталь- тель количества и качества кубитов в систе-
ных и теоретических исследований. ме — и планирует к 2023 г. произвести чип
с более чем 1 тыс. кубитов. Для сравнения:
Сегодня теоретические исследования в 2016 г. их количество характеризовалось
и моделирование химических реакций для однозначными числами. Промышленные
понимания экспериментальных результа- компании тоже уверенно заявляют о мощ-
тов стали обычным делом — в результате ности и возможностях своих [квантовых]
того, что теоретическая дисциплина ста- машин.
новится все более изощренной и химики,
проводящие эксперименты в лаборатори-
ях, постепенно начинают использовать эти
модели в своей работе. Выходные данные
моделей обеспечивают эффективную петлю
обратной связи для новых открытий в лабо-
ратории. Возьмем один пример: ­взрывной

w w w.sci-ru.org [10] октябрь 2021 | В мире науkи 93

Квантовые вычисления

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

94 В мире науkи | [10] октябрь 2021



50, 100, 150 лет тому назад

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

96 В мире науkи | [10] октябрь 2021

ESTABLISHED 1845



Editor in Chief: Laura Helmuth Editors Emeriti: Mariette DiChristina, John Rennie
Copy Director: Maria-Christina Keller
Creative Director: Contributing Editors: Gareth Cook, Lydia Denworth, Ferris Jabr, Anna Kuchment,
Managing Editor: Michael Mrak
Chief Features Editor: Ricki L. Rusting Robin Lloyd, Melinda Wenner Moyer, George Musser, Ricki L. Rusting
Chief News Editor:
Chief Opinion Editor: Seth Fletcher Art Contributors: Edward Bell, Zo Christie, Lawrence R. Gendron, Nick Higgins
Senior Editors: Dean Visser
Michael D. Lemonick Art Director: Jason Mischka
Associate Editors: Mark Fischetti, Josh Fischman, Clara Moskowitz,
Madhusree Mukerjee, Jen Schwartz, Kate Wong Senior Graphics Editor: Jen Christiansen
Gary Stix, Lee Billings, Sophie Bushwick,
Andrea Thompson, Tanya Lewis, Sarah Lewin Frasier President: Dean Sanderson

Executive Vice President: Michael Florek

Vice President, Commercial: Andrew Douglas

Publisher and Vice President: Jeremy A. Abbate

© 2021 by Scientific American, Inc.

Оформить подписку на журнал «В мире науки» можно:

в почтовых отделениях по каталогам: по РФ и странам СНГ:
«Роспечать», подписной индекс: ООО «Урал-Пресс»,
81736 — для физических лиц, www.ural-press.ru
19559 — для юридических лиц; СНГ, страны Балтии и дальнее зарубежье:
«Почта России», подписной индекс: ЗАО «МК-Периодика»,
16575 — для физических лиц, www.periodicals.ru
11406 — для юридических лиц; РФ, СНГ, Латвия:
«Пресса России», подписной индекс: 45724, ООО «Агентство "Книга-Сервис"»,
www.akc.ru www.akc.ru

Читайте в следующем номере

Снять заклятие с Венеры

Три новые космические миссии возобновят исследования,
главная цель которых — обнаружить, как и почему Венера
стала «злым близнецом» Земли.

Охотники за метаном

Новая технология поможет четко выявлять выбросы
метана, но готовы ли ее внедрять нефтегазовые компании
и регулирующие государственные органы?

Пумы Лос-Анджелеса

Амбициозный проект призван помочь пумам, обитающим
в горах Санта-Моники, найти путь к другим популяциям,
чтобы избежать вырождения вследствие инбридинга.

СПЕЦИАЛЬНЫЙ РЕПОРТАЖ:
АУТОИММУННЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
Тело против самого себя

Миллионы людей страдают от того, что иммунная система,
которая должна защищать человека, вместо этого
нападает.

Предательство изнутри

Инвалидизирующие симптомы, невнятные анализы,
неэффективные методы лечения: путешествие одного
человека в мир аутоиммунитета.

Женщины в группе риска

Почему примерно четыре из пяти человек, страдающих
аутоиммунными заболеваниями, — женского пола?