В мире науки 2019-01-02

Illustration by Andrea Ucini

10 0 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

АВТО­ ОНАНУЕКРААВЕНСТВЕ
МАТИЗАЦИЯ
ПРЕДВЗЯТОСТИ

Как алгоритмы, разработанные, чтобы сократить бедность,
наоборот, могут сохранить ее навсегда

Вирджиния Юбэнкс

В конце 2006 г. Митч Дэниелс, в то время гу- архива евгеники — в США долго собирали
и анализировали обширную информацию о се-
бернатор штата Индиана, объявил о плане мь я х бедняков и людей, прина д лежа щи х к ра-
предоставить «самым нуждающимся жи- бочему классу. Как и Дэниелс, современные по-

телям штата больше шансов на то, чтобы литики и программные администраторы часто
открыть мир, где вместо существования рассчитывают на автоматизацию в реформи-
на пособие есть работа и достоинство». Он ровании системы социальной помощи. Это на-
правление иногда называют аналитикой бед-

подписал контракт на $1,16 млрд с консор- ности, цифровым регулированием бедности
посредством сбора, совместного пользования
циумом, включавшим ряд компаний, в том и анализа данных. Она принимает разноо-

числе IBM, на автоматизацию и приватиза- бразные формы: от прогнозирования плохого
обращения с детьми на основании статистиче-
цию процесса отбора для программ соци- ских моделей до создания карт передвижения
ального обеспечения штата Индиана. беженцев с использованием спутниковой съем-

ки высокого разрешения. Современное возрож-

Людям советовали вместо посещения окружных уч- дение аналитики бедности достигло апогея: захва-

реждений для заполнения заявлений на получение тывающие дух оценки с использованием потенци-

пособия подавать заявку через новую онлайн-систе- ала больших данных и искусственный интеллект

му. Около 1,5 тыс. государственных служащих пе- для повышения благосостояния, осуществления

ревели на негосударственные должности в регио- контроля, вынесения приговора, обслуживания

нальных кол-центрах. Социальные работники, ра- бездомных и т.д.

нее отвечавшие за ведение реестров нуждающихся Похоже, все подобные проекты вдохновляет вера

семей в местных службах социального обеспечения, в то, что бедность — это, в первую очередь, пробле-

теперь обрабатывали список задач, находящих- ма системного проектирования. Информация про-

ся в очереди в их системе управления потоками ра- сто не поступает туда, куда нужно, следовательно,

бот. Дела могли поступить из любого уголка штата, ресурсы используются неэффективно, возможно

каждый звонок переходил следующему свободному даже контрпродуктивно. Расцвет систем автома-

служащему. Правительство штата утверждало, что тизированного отбора, принятия решений, осно-

такой переход к электронным средствам связи по- ванного на алгоритмах, и прогнозная аналитика

вышает доступность услуг для нуждающихся, по- часто преподносятся как революция в обществен-

жилых людей и лиц с ограниченными возможностя- ном управлении. Но это может быть просто переве-

ми и экономит деньги налогоплательщиков. денный в цифровую форму возврат к существовав-

От гроссбухов окружных работных домов до фо- шему в прошлом нормированию экономики, осно-

тографических слайдов из Г осударственного ванному на псевдонаучных представлениях.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 101

Специальный репортаж

ОБ АВТОРЕ

Вирджиния Юбэнкс (Virginia Eubanks) — политолог, доцент Университета штата Нью-Йорк
в Олбани. Ее последняя книга — «Автоматизация неравенства: как высокотехнологичные сред-
ства составляют характеристики, контролируют и наказывают бедных» (Automating Inequality:
How High-Tech Tools Profile, Police, and Punish the Poor, 2018). Живет в Трое, штат Нью-Йорк.

Наука о бедных о тсутствуют основания для обращения за пособи-
ем, а также случаев мошенничества.
В 1884 г. Джозефин Шо Лоуэлл (Josephine Shaw
Lowell) в опубликованном труде «Государственная На самом же деле частная система кол-центров
помощь и частная благотворительность» (Public только обострила отношения между социальными
Relief and Private Charity) призвала правительства работниками и нуждающимися людьми, посколь-
прекратить предоставление государственной по- ку стало трудно убедиться в том, что семьи полу-
мощи семьям, оказавшихся в бедственном поло- чают все положенные им пособия. То, что вместо
жении из-за затяжных последствий депрессии личного обращения приоритет стали отдавать он-
1873–1879 гг. Лоуэлл, основательница Общества лайн-заявкам, стало проблемой для малоимущих
организации благотворительности в Нью-Йорке, семей, половина которых не имеет доступа в ин-
писа ла, что предоста вление да же у меренной под- тернет. Бумажные документы, накопленные за де-
держки без предварительного изучения мораль- сятилетия, оцифровать не смогли, и получателям
ных качеств лиц, обратившихся за помощью, пособий пришлось предоставлять всю документа-
не улучшает ситуацию, а создает бедность, поощ- ц и ю повторно. Негибка я а втоматизи рова н на я си-
ряя безделье и порок. Она обещала, что «частная стема не могла различить добросовестное заблуж-
благотворительная помощь должна и будет предо- дение, бюрократическую ошибку и попытку мо-
ставляться в каждом случае, и не следует прибе- шенничества со стороны заявителя. Каждый сбой,
гать к государственным источникам обеспечения». независимо от того, была ли это забытая подпись
Но как богатые филантропы могли взять на себя или ошибка программы, интерпретировался как
обязанности правительства по защите граждан потенциальное преступление.
страны от экономических потрясений? Лоуэлл
предлагала простое решение: сделать благотвори- Результатом эксперимента с автоматизирован-
тельность научно обоснованной. ным отбором в Индиане стал 1 млн отказов в пре-
доставлении пособий за три года, на 54% больше
Лоуэлл и другие сторонники так называемой на- по сравнению с предыдущим трехлетним пери-
учной благотворительности считали, что исполь- одом. Под давлением разгневанных граждан, за-
зование методов, основанных на данных и фак- конодателей (представителей обеих партий) и пе-
тах, позволило бы разделить бедных на тех, кто регруженных местных властей в 2009 г. Дэниелс
заслуживает, и тех, кто не заслуживает помощи, разорвал контракт с IBM, что привело к дорогосто-
и сделать социальную помощь более эффектив- ящему судебному разбирательству, оплачиваемо-
ной с точки зрения затрат и результатов. Это дви- му из средств налогоплательщиков, которое прод-
жение впервые стало применять методы, ныне из- лилось восемь лет.
вес тные ка к изу чение ус ловий жизни лиц, н у ж да-
ющихся в материальной поддержке. Полицейские Необъективность наблюдения
тщательно проверяли все аспекты жизни обратив-
шихся за помощью и подтверждали их истории, В аналитике бедности руководствуются не толь-
опрашивая соседей, лавочников, докторов и свя- ко желанием сократить затраты и повысить ре-
щенников. Так появилась практика составления зультативность. Ее сторонники также преследу-
характеристик и прогнозов, исследований мораль- ют похвальную цель: искоренить предвзятость.
ных качеств и классификации на их основе, в ре- Все-таки скрытая расовая дискриминация в про-
зультате которой появился не иссякший до сих пор гра м ма х соц иа л ьного обеспечен и я и мее т гл у бок ие
поток данных о семьях бедняков и рабочего класса. исторические корни.

Современные защитники аналитики бедно- В системе социального обеспечения детей тра-
сти считают, что качество государственных ус- диционной проблемой было не исключение людей
луг улучшится, если мы будем использовать эти с другим цветом кожи, а непропорциональное вклю-
данные для получения «оперативной информа- чение их в программы, в связи с чем ситуацию в их
ции» о мошенничестве и бесполезных тратах. Дэ- семьях изучают чаще. Согласно данным Нацио-
ниелс, например, обещал, что за предусмотрен- нального совета судей по делам несовершеннолет-
ные контрактом десять лет штат Индиана сэконо- них и семьи, в 47 штатах детей-афроамерикан-
мит $500 млн на управленческих расходах и еще цев забирают из семей с частотой, превышающей
$500 млн за счет выявления обстоятельств, когда долю представителей этой расы в общей численно-
сти населения. Например, в округе Аллегейни, штат

102 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Специальный репортаж

П енсильвания, в 2016 г. 38% детей, переданных под и н еобузданной сексуальности. По сути, это был
опеку, были афроамериканцами, хотя они составля- эксперимент из области евгеники: попытка замед-
ют менее 19% детского населения в округе. лить рост бедности за счет замедления роста чис-
ленности в бедных семьях.
В августе 2016 г. Департамент социального обе-
спечения окру га А л легейни за п усти л средство ста- Несом нен но, подобн ые A F ST п рогра м м н ые сред-
тис ти ческого моде л и рова н и я, которое, по и х м не- ства создаются исходя из стремления сдержать та-
нию, может предсказать, ка кие дети на иболее ве- кого рода фанатизм. Но необъективность людей —
роятно в будущем подвергнутся насилию или это встроенная функция моделей предсказания
будут лишены родительской заботы. Програм- риска. AFST полагается главным образом на дан-
му обследования семей округа Аллегейни (AFST) ные, собранные только о людях, обратившихся
разработала международная команда под руко- к государственным службам за поддержкой семьи.
водством экономиста Римы Вайтхинатан (Rhema Более обеспеченные семьи могут нанять няню для
Vaithianathan) из Оклендского университета тех- ухода за ребенком или консультироваться у вра-
нологий в Новой Зела ндии. В кома нд у вош ла та к- ча, чтобы избавиться от зависимости. Но посколь-
же Эмили Патнэм-Хорнстейн (Emily Putnam- ку они платят из своего кармана или пользуются
Hornstein), директор Сети данных о детях в Уни- частной стра ховкой, да нные о та ки х людя х не со-
верситете Южной Калифорнии. Эта программа бирают в архиве. Таким образом, AFST может про-
извлекает информацию, собранную в окружном пустить случаи насилия или отсутствия заботы
архиве, куда регулярно поступают выписки из де- о детя х в семь я х предста вителей среднего к ласса.
сятков государственных программ, в том числе Усиленное наблюдение за бедными систематиче-
сведения об условно освобожденных, данные тю- ски влияет на прогнозы модели, поскольку исполь-
рем, окружных служб психиатрической помощи, зование государственной поддержки само по себе
отделов по поддержанию уровня доходов и государ- интерпретируется как риск для детей. Проще гово-
ственных школ. Предоставляя данные за два де- ря, модель «путает» заботу о детях в бедных семьях
сятка лет, Департамент соцобеспечения надеется, с плохой заботой о детях.
что, так как мнение людей субъективно, AFST смо-
жет помочь сотрудникам дать улучшенные реко- К счастью, в округе Аллегейни не так много слу-
мендации о том, какие семьи требуют тщательного чаев, приведших или едва не приведших к смер-
изучения для обеспечения защиты детей. ти детей, чтобы предоставить необходимый объем
данных для достоверного моделирования, поэтому
Реформаторы из движения научной благотво- команда Вайтхинатан для оценки жестокого обра-
рительности XIX в. утверждали, что более объек- щения с детьми использовала в качестве замены
тивное принятие решений может трансформиро- связанную переменную. После ряда экспериментов
вать государственные программы, которые, как исследователи решили использовать вместо фак-
они считали, испорчены покровительством, по- тов причинения вреда помещение ребенка под опе-
литиканством «партийной машины» и узостью ку: те случаи, когда исходя из проверенной инфор-
мышления в вопросах, касающихся националь- мации о малыше начинается расследование в от-
ных меньшинств. Но они рассматривали вопрос ношении его семьи и в результате он передается
о необъективности слишком узко: по их мнению, под опеку на два года. Следовательно, предсказыва-
дискриминация имела эпизодический и предна- емый моделью результат — это решение агентства
меренный характер и была связана с эгоистиче- по опеке и судебной системы об изъятии ребенка
скими интересами. Однако сторонники научной из семьи, а не са м фа кт жес токого обра щения. Не-
благотворительности не сумели распознать, что смотря на то что такое проектное решение приня-
системная, структурная необъективность уже за- то по необходимости, а не по злому умыслу, благо-
ложена в их, как предполагалось, объективных на- получие детей само по себе субъективно, поэтому
у ч н ы х средс тва х и ме тода х. плохо подходит для прогнозного моделирования.

Основой научной благотворительности была, Кроме того, хотя AFST выявил, что существует не-
с одной стороны, строгая оценка, с другой — те- объективность в отношении выбираемой для про-
ория превосходства белой расы. Хотя представи- верки информации, непропорциональность систе-
тели этого движения превозносили научную бла- мы в отношении расовой принадлежности в основ-
готворительность, как базирующуюся на фак- ном появляется не на этом этапе. Как показывают
тах и ценностно нейтральную, они отказывались проводимые округом собственные исследования,
помогать только что освобожденным от рабства в действительности необъективность, связанная
афроамериканцам и поддерживали ограниче- с расовой принадлежностью, начинается не с про-
ние иммиграции. Сторонники научной благо- верки, а с «указания направления». Общество со-
творительности также проявляли исключитель- общает о сл учая х насилия и об отсутствии заботы
ный энтузиазм, защищая элиты белых от угроз, о детях в семьях афроамериканцев и смешанных
скрыто существовавших, по их мнению, внутри браках в три и четыре раза чаще соответствен-
белой расы: низкого интеллекта, преступности но, чем о таких же случаях в семьях белых. Когда

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 103

Специальный репортаж

поступают сообщения о детях, полномочия прове- расизма, а также когда к бедным относятся сурово
ряющего, позволяющие действовать по усмотре- и объявляют их вне закона, лишенная ограниче-
нию, не играют особой роли: проведенное в 2010 г. ний аналитика приведет к усилению дискримина-
исследование показало, что сотрудники, принима- ции и ухудшению экономического положения.
ющие обращения, проверяют 69% случаев, связан-
ных с детьми афроамериканцев и детьми из сме- Следует начинать с испытания самореализуемых
шанных браков, и 65% случаев, касающихся де- моделей — тех, что генерируют сам результат, ко-
тей белы х. По иронии, ослабление дискреционны х торый, как предполагается, они должны предска-
полномочий проверяющего может привести к росту зы вать. На п ри мер, ес л и боязн ь попас ть в зон у вы-
расовой несправедливости за счет исключения воз- сокого риска по оценке AFST приводит к тому, что
можности «поставить диагноз» на том этапе, когда родители избегают обращаться в государствен-
в результате подобной оценки можно преодолеть су- ные с л у жбы, у эти х людей может начатьс я стресс,
ществующие в обществе предрассудки. который, в свою очередь, может вылиться в наси-
лие или безразличие по отношению к детям. Не-
Преу величение опасности у щерба — это резуль- обходимо также определить политические рыча-
тат склонности людей верить, что технология при ги, способные остановить системы с негативными
принятии решений более объективна, чем мы или нежелательными эффектами. Данные, собира-
сами. Однако экономисты и специалисты по дан- емые такими системами, должны быть защищены,
ным с той же степенью вероятности, что и сотруд- но, что более важно, их нельзя получать в прину-
ники, принимающие и проверяющие звонки, мо- дительном порядке, чтобы семьи не чувствовали,
гут обладать ошибочными культурными представ- что они обменивают одно из основных прав чело-
лениями о бедных семьях белых и бедных семьях века — на неприкосновенность частной жизни, без-
людей с другим цветом кожи. Когда специалисты- опасность или целостность семьи — на дру гое, та-
разработчики создают подобные программы с уче- кое как право на обеспечение пищей или жильем.
том своих предположений, они скрывают важный
политический выбор за прикрытым математикой Наконец, необходимо установить ясные механиз-
фасадом технологической нейтральности. мы защиты тех, кто пострадал от системы анали-
тики бедности. Как указывается в «Белой книге»
Моделирование справедливости Всемирного экономического форума 2018 г. о дис-
криминации, связанной с машинным обучением,
Согласно предвзятому мнению, которое часто раз- в подобных разрабатываемых и внедряемых ав-
деляют администраторы и специалисты по дан- томатизированных системах принятия решения
ным, работающие в государственных службах, обязательно должны быть протоколы, предна-
а на л ити ка бед нос ти — это сис тема д л я сорти ров- значенные «для своевременного исправления лю-
ки, для осуществления сложного выбора: как ис- бых результатов, имеющих дискриминационный
пользовать ограниченные ресурсы для обеспече- характер» и такие, которые легко найти и приме-
ния огромных потребностей. Однако решение при- нить.
знать, что некоторым людям будет предоставлена
возмож нос ть д л я удовле творен и я свои х основн ы х Аналитика бедности не изменится кардиналь-
человеческих потребностей, а другим нет, — это но до тех пор, пока мы не перестанем рассказы-
политический выбор. Бедность — это не природ- вать лживые истории. Несмотря на распростра-
ная катастрофа, а результат системной эксплуа- ненное мнение, бедность в США — это не просто
тации и ошибочной политики. отклонение от нормы. По данным исследования,
проведенного социологами Марком Рэнком (Mark
Наука о данных действительно может сыграть R. Rank) и Томасом Хиршлом (Thomas Hirschl), 51%
роль в вопросах, связанных с большой несправед- а мерика нцев в возрасте от 20 до 64 лет в ка кой-то
ливостью. Передовые критики системы принятия момент окажутся за чертой бедности и почти две
решений на основе а лгоритмов пред ла га ют сосре- трети обратятся в государственные программы
доточиться при разработке на открытости, ответ- оказания помощи по бедности, такие как Needing
ственности и ориентированности на человека, для Families («Ну жда ющиеся семьи») и ли Medicaid. Та к
того чтобы испол ьзовать потен ц иа л бол ьш и х да н- что вместо разработки сложных «термометров»
ных для обеспечения социальной справедливо- д ля измерения мора льны х качеств на м необходи-
сти. Конечно, любая цифровая система, используе- мо укреплять почву под ногами. Это означает пол-
мая для принятия решений в демократическом об- ностью финансируемые государством программы,
ществе, должна базироваться на этих ценностях. гарантирующие достойную оплату и безопасные
Но аналитика бедности ограничивает свое поле де- условия труда, поддержку в предоставлении ухода
ятельности в лучшем случае постепенным повы- и укреплении здоровья, а также обеспечивающие
шением точности и справедливости систем, обще- защиту достоинства и самоопределения каждо-
ственная польза которых вызывает вопросы. Сна- го. До тех пор пока этого не будет, мы за нимаемс я
чала необходимо пересмотреть базовые принципы. не модернизацией сортировки, а автоматизацией
Это означает признать, что в условиях системного несправедливости.

104 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019



Illustration by Andrea Ucini

106 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

ОНАНУЕКРААВЕНСТВЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
ЦЕНА
НЕРАВЕНСТВА

Неравенство возможностей способствует ухудшению состо­
яния окружающей среды, и бедные страдают от последствий

Джеймс Бойс

Осенью 2016 г. битва за окружающую Индейцы опасались, что утечки нефти на участ-
среду в Северной Дакоте попала в за- ке трубопровода под водохранилищем вдоль реки
головки СМИ по всему миру. Мест- Миссури приведут к загрязнению их источников
ное племя индейцев сиу из резервации водоснабжения. Защитники окружающей сре-
Стэндинг-Рок и защитники окружаю- ды присоединились к протестующим, требуя пре-
щей среды выступили против предста- кратить растущую добычу ископаемого топли-
вителей корпораций и правительства, ва. Сторонники реализации проекта стоимостью
поддерживающих строительство тру- $3,8 млрд утверждали, что он сэкономит средства
бопровода Dakota Access для транспор- нефтяной промыш ленности, та к ка к тра нспорти-
тировки сланцевой нефти из формации ровка нефти по трубопроводу стоит меньше, чем
Баккен до терминала в Иллинойсе. При по железной дороге, и его сооружение приведет
температуре воздуха около 0° C полиция к созданию новых рабочих мест и обеспечит эф-
применила водометы против протесту- фект мультипликатора для местной экономки.
ющих, а частные охранники спустили
служебных собак. Поскольку цена нефти устанавливается на миро-
вы х ры н к а х, эконом и я зат рат не означае т, чт о д л я
потребителей нефть будет стоить дешевле, но при-
быль производителей в результате увеличится.

К декабрю 2016 г. Инженерный корпус армии
США объявил, что он не согласует строительство
перехода трубопровода через реку. В лагере про-
тес т у ющ и х это решен ие бы ло вс тречено ш у м н ы м

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 107

Специальный репортаж

ОБ АВТОРЕ

Джеймс Бойс (James K. Boyce) — почетный профессор экономики и старший научный сотрудник
Исследовательского института политической экономии Массачусетского университета в Амхерсте.
Автор готовящейся к выходу книги «Экономика для людей и планеты: неравенство в эпоху измене-
ний климата» (Economics for People and the Planet: Inequality in the Era of Climate Change).

одобрением. Однако президент Доналд Трамп че- между уровнем неравенства и средним доходом,
рез четыре дня после вступления в должность которое открыл экономист Саймон Кузнец в 1955 г.
в январе отменил постановление, и несколько ме- во время знаменитого исследования.
сяцев спустя транспортировка нефти по трубопро-
воду началась. Экологическая кривая Кузнеца, казалось, по-
зволяла немного отдохнуть от мрачных прогно-
Противостояние, похоже, показало, какова дей- зов о том, что рост производства и потребления
ствительность: когда люди, получающие выго- неминуемо ведет к еще большей деградации окру-
д у от использова ния и ли на несения у щерба окру- жающей среды. Может быть, человечество не по-
жающей среде, обладают большей экономической хоже на «раковую опухоль», рост которой «угрожа-
и политической властью по сравнению с теми, ет более крупному целому», как охарактеризовал
кому может быть причинен вред, такой дисба- наш вид историк охраны природы Родерик Нэш
ла нс приводит к у х удшению состояния окружа ю- (Roderick Nash). Началась оживленная дискуссия
щей среды. И чем больше неравенство, тем больше между аналитиками, рассматривавшими эконо-
ущерб. Более того, для людей, обладающих мень- мический рост как решение экологических про-
шей властью, ущерб, нанесенный окружающей блем, и теми, кто считал его сутью проблемы.
среде, имеет в конечном итоге гораздо более се-
рьезные последствия. Меня не убедила ни одна из сторон. Возможно,
потому, что я, когда мне было 20 с небольшим, жил
Мы наблюдаем подобные сит уа ц ии повсюд у. За- в деревне в Бангладеш среди беднейших людей
грязняющие окружающую среду электростанции в мире. Этот опыт оставил неизгладимое впечатле-
и свалки опасных отходов находятся в бедных рай- ние и заста вил понять, что человеческое общество
она х. О т за грязнен и я п итьевой вод ы с тра да ю т об- невозможно точно оценить, используя данные о на-
щины меньшинств. Но всегда ли существует такая селении или среднедушевые показатели. Многие
вза имосвязь межд у властью и у х удшением состо- жители Бангладеш голодали, но не из-за того, что
яния окружающей среды? А если так, то почему? в стране перенаселение или продовольствия на всех
И что можно с этим сделать? В Стэндинг-Рок ба- не хватает. Продуктов было достаточно, и все же об-
ланс между противоборствующими сторонами щины голодали, потому что у бедных не было денег,
почти был достигнут, но избрание Трампа потя- чтобы купить еду на рынке, и политической власти,
нуло вниз одну чашу весов. Однако опыт, а так- чтобы получить ее другим способом. Экономист
же изменение баланса сил вселяют надежду, что Амартия Сен (Amartya Sen) в своей книге «Бедность
меры по сокращению экономического и социально- и голод» (Poverty and Famines), вышедшей в 1981 г.,
го нера венс тва п ри несу т пол ьзу не тол ько л юд я м, объясняет, что голод обычно начинается в сходных
но и окружающей среде. условиях. Неравенство в распределении богатства
и власти, похоже, имеет принципиальное значение
Большее неравенство — больший ущерб для функционирования общества.

Серьезные исследования взаимосвязи между соци- В процессе размышлений о кривых Кузнеца —
альной властью и деградацией окружающей среды экономической и экологической — мне пришло
начались в 1990-х гг. Экономисты сообщили, что в голову, что неравенство, а не доход на душу на-
они обнаружили взаимосвязь между загрязнени- се лен и я, ле ж ит в основе дегра да ц и и окру ж а ющей
ем и доходом на душу населения, и график, отра- среды: судя по всему, оба показателя растут и сни-
жающий эту взаимосвязь, представляет собой па- жаются одновременно. Когда мы с аспирантом Ма-
раболу, ветви которой направлены вниз. На оси Y риано Торрасом (Mariano Torras) заново проанали-
откладывали значения уровня загрязнения возду- зировали экологическую кривую Кузнеца в 1998 г.,
ха и воды, на оси X — средний доход, показатели м ы обнару ж и л и с лед у ющее: в с тра на х с более н из-
сравнивали в десятках стран. При значениях годо- ким уровнем грамотности среди взрослого населе-
вого дохода от $0 до примерно $8 тыс. уровень за- ния, б льшим ограничением политических прав
грязнения увеличивался, но при дальнейшем ро- и гражданских свобод и более высоким неравен-
сте доходов уровень загрязнения уменьшался. Эта с твом в дохода х (эти показатели мы рассматрива-
закономерность стала известна как экологическая ли как индикаторы более неравномерного распре-
кривая Кузнеца из-за сходства с с оотношением деления власти) наблюдается тенденция к б олее

108 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Специальный репортаж

высокому уровню загрязнения воздуха и воды. Выше неравенство —
В результате проверки по указанным показателям меньше видов
каж у щаяся зависимость от среднед у шевого дохо-
да ослабевает, а для некоторых загрязнителей пол- Множество исследований показывают, что по мере увеличения
ностью исчезает. Мы также установили, что боль- разрыва между богатыми и бедными по всему миру растет раз-
шее неравенство связано с ограничением доступа мер ущерба для окружающей среды. Например, одно исследова-
SOURCES: “INEQUALITY AND ENVIRONMENTAL SUSTAINABILITY,” BY S. NAZRUL ISLAM. UNITED NATIONS DEPARTMENT OF ECONOMIC AND SOCIAL AFFAIRS WORKING PAPER NO. 145. UNITED NATIONS, AUGUST 2015 (number of species threatened); “A CROSS-NATIONAL к чистой питьевой воде и системам санитарии — ние выявило, что в странах с более высоким уровнем неравенства
ANALYSIS OF HOW ECONOMIC INEQUALITY PREDICTS BIODIVERSITY LOSS,” BY TIM G. HOLLAND, GARRY D. PETERSON AND ANDREW GONZALEZ, IN CONSERVATION BIOLOGY, VOL. 23, NO. 5; OCTOBER 2009 (factors linked to species loss); Graphics by Jen Christiansenкритически важным как для человека, так и для в доходах более высока доля видов, находящихся, согласно клас-
окружающей среды. сификации Международного союза охраны природы, под угрозой
Находящиеся под угрозой виды, 2012 г. (рыбы, исчезновения к1ор. рВеолсяоцбиояммеджокдлуандеероавтменесчтевноом, что наблюдается
птицы, млекопитающие, сосудистые растения) В ходе последующего исследования в 1999 г. мы более сильная в доходах и утра-
с моими соавторами изучали ситуацию в 50 аме- той видов по сравнению с другими основными факторами, такими
риканских штатах. Мы проанализировали взаи- как плотность населения и даже политика в области окружающей
мосвязь между эффективностью политики в обла- среды 2 . Только общее число видов имеет большее значение.
сти окружающей среды и распределением власти,
используя в качестве показателей участие в выбо- 1 Виды, находящиеся под угрозой исчезновения
ра х, дол ю взрос лого насе лен и я со сред н и м общ и м в странах по всему миру
образованием, справедливость налогообложения
и доступ к программе медицинского страхования 800
Medicaid. Мы обнаружили, что более высокий уро-
вень неравенства связан с более слабой политикой 600
в области охраны окружающей среды, а более сла- Каждая точка
бая политика — с большей нагрузкой на окружа- обозначает страну
ющ у ю сред у и с лабой системой здра воох ра нения.
Эти результаты показывают, что серьезное вли- 400
яние неравенства на здоровье связано не только
с физиологическим стрессом, насилием и ограни- 200
ченным доступом к медицинским услугам, что за-
фиксировано исследователями в области здраво- 0
охранения, но и с воздействием на окружающую
среду. 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

Первая реакция на наше исследование была Ниже Выше
довольно прохладной. В 1990-е гг., когда в моде
были свободные рынки и отсутствие регулирова- Неравенство доходов, 2010 г. (коэффициент
ния, от проблем неравенства отмахивались, как Джини, или уровень неравенства)
от устаревших и даже глупых. Один из рецензен-
тов заявил, что я ставлю не на ту лошадь. 2 Факторы, связанные с утратой видов

Тем не менее в 2000-х гг. неравенство вновь стало Плотность населения
цент ра л ьной пол ити ческой п роблемой. Рас т у щ и й Управление природоохранной
разрыв между 1% и всеми остальными, ужасные
последствия урагана «Катрина» для малоимущих деятельностью
жителей Нового Орлеана и диспропорции в эко- ВВП на душу населения
номике, последовавшие за финансовым кризисом
2008 г., — вопросы, связанные с неравенством, Неравенство доходов
вновь бы ли поста влены на повестк у дня. В это же
время появилось множество данных о том, что Число видов позвоночных
большая концентрация богатства и политической
власти приводит к ухудшению экологических по- 0 0,05 0,10 0,15 0,20
казателей, и не только относительно за грязнени я Доля влияния
возд у х а и вод ы. Учен ые ус та нови л и, чт о в с т ра на х
с б льшим неравенством в распределении дохода Б ольшее неравенство также связано с более высо-
выше доля растений и животных, которым угро- ким объемом выбросов углерода на душу населе-
жает уничтожение или исчезновение. Уровень ния и на единицу валового внутреннего продукта.
обезлесения выше в странах с высоким уровнем
коррупции. Государственные расходы на иссле-
дования и разработки в области охраны окружа-
ющей среды, а также на патентование изобрете-
ний в области экологии меньше в индустриальных
странах с более высоким уровнем неравенства.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 109

Специальный репортаж

Протест местных коренных американцев, встревоженных возможностью загрязнения источников водоснабжения,
по поводу трубопровода Dakota Access в Северной Дакоте перерос в более масштабные выступления по всей стране
против корпораций и политиков, обладающих большей властью, чем малоимущие общины

Эти исследования важны, если принять во вни- будущих периодов и будущих поколений. В этом JIM WATSON Getty Images
мание, что при более низком уровне неравенства случае, так же как и в случае с долгосрочными
люди имеют больше возможностей для охраны последствиями изменения климата, единствен-
воздуха, воды и природных ресурсов, от состояния ная возможность спасти окружающую среду —
которых зависят их здоровье и благополучие. За- ныне живущим взять на себя ответственность
щита окружающей среды и уменьшение неравен- за тех, «чьи лица пока скрыты под землей — не-
ства идут рука об руку. рожденных, будущего Народа», выражаясь слова-
ми из конституции ирокезов.
Право сильного
Второй возможный вариа нт: люд и, которы м на-
В результате любой деятельности, вызывающей носится вред, не знают об этом или не знают ис-
деградацию окружающей среды, появляются вы- точник его происхождения. Например, они видят,
игравшие и проигравшие. Некоторым людям эта что и х де ти болею т, но не пон и ма ю т, что п ри ч и на
деятельность приносит прибыль, иначе никто бы заболевания — выбросы находящегося поблизо-
ею не занимался. А некоторые испытывают по- сти нефтеперерабатывающего завода или электро-
следствия на себе, в противном случае деграда- станции. В подобных случаях решением служит
ция окружающей среды не рассматривалась бы обеспечение доступа к информации и, в частно-
как проблема. В связи с этим возникает главный сти, проведение политики, гарантирующей право
вопрос: почему те, кто получает от такой деятель- общества знать о неблагоприятном воздействии
ности прибыль, заставляют других расплачи- окру ж а ющей сред ы и его ис т оч н и к а х.
ваться за последствия деградации окружающей
среды? Наконец, возможен третий вариант. Люди хо-
рошо осведомлены о том, что на них приходится
На этот вопрос существуют три возможных ва- главный удар, и знают источники, но у них нет до-
рианта ответа, каждый из которых так или ина- статочной экономической и политической власти,
че связан с неравенством возможностей. Первый чтобы добиться своего при принятии социальных
вариант: такие последствия станут проблемой решений об использовании природных ресурсов

110 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Специальный репортаж

и нанесении ущерба окружающей среде. Пример — б едняки не имеют доступа к информации, в том
Стэндинг-Рок. В этом случае решить проблему числе о природе и причинах неблагоприятного
можно, изменив баланс сил. воздействия на окружающую среду, причиняю-
щего им вред.
Решения правительства, влияющие на окружа-
ющ у ю сред у, час то вк л юча ют а на л из затрат и ре- Орел — мой выигрыш, решка — ваш проигрыш
зультатов: какую прибыль можно извлечь и при
каких издержках? В этом расчете экономическая Исходя из принципа влияния власти при приня-
власть (также известная, как покупательная спо- тии социальных решений можно предсказать, что
собность) играет ключевую роль. Люди с большим не только большее неравенство приведет к боль-
кошельком фактически владеют большинством го- шему ущербу для окружающей среды, но что мак-
лосов. симальный ущерб будет нанесен общинам, на-
ходящимся в нижней части шкалы благососто-
Когда люди, которым может быть нанесен вред, яния и власти. В глазах принимающих решения
почти не обла да ю т пол ити ческой в лас тью, т е, кт о вред для окружающей среды в таких местах име-
принимает решения, могут свести к минимуму ет меньшую важность. Расовые и национальные
или игнорировать издержки и последствия. Край- меньшинства и общины с низким уровнем дохо-
ний случай подобной ситуации иллюстрирует не- дов на ход ят с я в зоне на ибол ьшего риск а. Резерва-
давно проведенная оценка затрат и результатов, ция Стэндинг-Рок, в которой 40% жителей (в три
выполненная Агентством по охране окружающей раза выше национального показателя) находятся
среды США для отмены плана «Чистая энергети- за официальной чертой бедности, была уязвима
ка» (Clean Power Plan). Уровень влияния на климат и в том и в другом отношении.
за пределами США просто приняли равным нулю,
мотивируя это тем, что ущерб для людей за пре- В то же время выгоды от осуществления дея-
делами страны не должен приниматься во внима- тельности, разрушающей окружающую среду, —
н ие п ри разработке пол ити к и Соед и нен н ы х Шта- увеличение прибыли производителей и сниже-
тов в области климата. н ие цен д л я по т ребит е лей — пол у ча ю т на ход я щ и-
еся на верхушке экономической шкалы. Прибыль
Покупательная способность и политическая идет в карман акционеров и руководителей корпо-
власть обычно связаны: те, у кого больше долла- раций, в основном довольно состоятельных. И чем
ров, час т о и мею т бол ьшее пол ити ческое в л и я н ие, больше потребители расходуют, тем больше они
и наоборот. Совместный эффект денег и власти выгадывают от снижения цен, соответственно,
можно описать в рамках концепции, которую я на- еще б льшую прибыль получают состоятельные
зываю принципом влияния власти при принятии производители.
социальных решений. Это означает, что приписы-
ваемая величина издержек и выгод от осуществле- Это не значит, что влиятельные люди не хотят,
ния деятельности, наносящей вред окружающей чтобы окружа юща я среда бы ла чистой и безопас-
среде, зависит от могущества людей, которых это ной. Но в знач ите л ьной с тепен и качес тво окру жа-
затрагивает. Когда те, кто получает выгоду от дея- ющей среды стало тем, что экономисты называют
тельности, негативно влияющей на окружающую квазиобщественным благом. Оно неодинаково до-
среду, обладают богатством и властью в отличие ступно для всех. Состоятельные люди могут себе
от тех, кому наносится вред, социальные решения позволить жить в более чистых местах, покупать
выносятся в пользу выигрывающих. Чем больше бутилированную воду и кондиционеры и получать
неравенство между богатыми и бедными, между более качественную медицинскую помощь. Они
теми, кто обладает большей властью, и менее мо- также могут более эффективно препятствовать
гущественными, тем больше степень деградации размещению объектов негативного воздействия
окружающей среды. ря дом с мес том и х прожива ния. Поскольк у эколо-
гический ущерб непосредственно их не касается,
Неравенство возможностей также усугубляет си- они с большей легкостью позволяют себе его игно-
туацию с отсутствием заботы о будущих поколени- рировать. Даже когда богатые люди не могут пол-
ях и нехваткой знаний об ущербе для окружающей ностью избежать последствий деградации окружа-
среды. Когда уровень неравенства высок, для бед- ющей среды, на их долю приходится относительно
нейших людей необходимость выживать изо дня малая часть по сравнению с размером получаемой
в день может вытеснить беспокойство о завтраш- выгоды.
нем дне; боязнь когда-нибудь потерять влияние
способствует тому, что очень богатые люди отно- Экологическая справедливость
сятся к природным ресурсам по принципу «Хва-
тай и беги» (пример тому — хищническая вырубка Исследователи с 1980-х гг. систематически фик-
лесов в Юго-Восточной Азии в 1960-х и 1970-х гг. сируют, что в США расовые и этнические мень-
при филиппинском диктаторе Фердинанде Мар- шинства и малообеспеченные общины чрезмер-
косе и индонезийском диктаторе Сухарто). При но подвергаются воздействию неблагоприят-
большом неравенстве высока вероятность, что ных экологических факторов. В одном из первых

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 111

Специальный репортаж

исследований социолог Роберт Буллард (Robert эффект распространяется на более широкие груп-

Bullard) изучал расположение объектов размеще- пы населения. Например, в крупных городах США

ния опасных отходов в Хьюстоне и обнаружил, что с большей сегрегацией в жилищном секторе по ра-

в основном они находятся в районах, где прожива- совому и этническому признаку увеличивается

ют афроамериканцы. риск заболевания раком в результате загрязнения

Последующие исследования показали, что сход- воздуха, причем для всех жителей, а не только не-

ная закономерность наблюдается во многих ча- белых. В городах страны, входящих в 5% городов

стях страны: существует сильная взаимосвязь с самым высоким уровнем расового и этническо-

между расовой и этнической принадлежностью го неравенства, касающегося воздействия техно-

и близостью расположения и влиянием объек- генного загрязнения воздуха, неиспанское белое

тов негативного воздействия. Ученые также ана- население в среднем больше страдает от неблаго-

лизировали, как можно объяснить подобную кор- приятных факторов, чем в городах, где различия

реляцию. Споры возникли по поводу очередности по степени негативного воздействия меньше. Эко-

событий: экологически опасные объекты постро- логическая справедливость выгодна всем.

или там, где уже проживали менее богатые и вли- Экологическое неравенство наблюдается повсю-

ятельные общины? Или уже после строительства ду. В Англии и Нидерландах в более бедных райо-

таких объектов более со- нах и районах с небелым
населением в возд ухе
В крупных городахстоятельные жители уе-
хали, стоимость недви- фиксируется более высо-
кая концентрация взве-
США с большейжимости упала и в эти
районы переселились сегрегацией в жилищном шенных частиц и окси-
люди с меньшим дохо- секторе по расовому дов азота, которая при-
дом? В ряде исследо- и этническому признаку водит к возникновению
ваний этот вопрос из- и обострению проблем
учался непосредствен- с дыханием. В Дели, жи-

но, но как раз в тех, где увеличивается риск тели которого дышат
были получены резуль- заболевания раком наиболее загрязненным
таты, подтверждающие, в результате загрязнения возд у хом, бед н ые ж и ву т
что подобные токсич- в более загрязненных
ные объекты с самого районах. Во время ра-

начала размещали в ме- воздуха, причем для всех боты они также прово-
стах проживания об- жителей, а не только дят больше времени вне
щин, обладающих мень- небелых помещений, в том числе
шим влиянием. Дан- и вдоль дорог, около ко-
ные также показывают, торых самый высокий

что в случаях, когда бо- уровень загрязнения

лее состоятельные люди уезжали после возведе- воздуха. Эти люди не могут себе позволить конди-

ния объекта, этот процесс начинался еще до стро- ционеры или очистители воздуха. При этом они

ительства. Это свидетельствует о том, что общины получают меньше всего выгоды от деятельности

в переходном периоде более уязвимы при решении отраслей промышленности, вызывающих загряз-

вопроса о размещении объектов негативного воз- нение, включая электроэнергетику и транспорт.

дейс тви я в ра йона х и х п рож и ва н и я. Принцип влияния власти при принятии соци-

От непропорционального воздействия загряз- альных решений действует и на международ-

ненной окружающей среды страдают дети: растет ном уровне. От экологического ущерба чрезмерно

смертность в младенческом возрасте, дети рожда- страдают самые бедные страны. В меморандуме

ются с более низкой массой тела, увеличивается 1991 г. Лоуренс Саммерс (Lawrence Summers), быв-

частота нарушений развития нервной системы, ший тогда главным экономистом Всемирного бан-

а также частота и тяжесть приступов астмы, сни- ка, написал, что «есть неоспоримая экономическая

жается успеваемость в школе. Взрослые люди те- логика в том, чтобы вывозить токсичные отходы

ряют рабочие дни из-за собственной болезни или в беднейшие страны», потому что там размер упу-

необходимости ухаживать за больными детьми. щенных доходов от заболеваний и смертности бу-

Со временем негативные последствия для здоро- дет минимальным. Это заявление, возможно, было

вья приводят к усилению неравенства, в резуль- ироническим, но в природоохранной деятельности

тате которого общины становятся более уязвимы, часто действуют по такому сценарию. Каждый год

в первую очередь к воздействию неблагоприятных миллионы тонн токсичных отходов транспорти-

экологических факторов. ру ют из промыш ленно развиты х стра н в государ-

Несмотря на то что в наибольшей степени стра- ства Африки, Азии и Латинской Америки с низким

дают общины, находящиеся в зоне риска, часто уровнем дохода.

112 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Специальный репортаж

Базельская конвенция о контроле над транс- проблемы еще не решены. В Монтане индейцы
граничной перевозкой опасных отходов и их уда- племени черноногих выиграли процесс о растор-
лением — международное соглашение в области жении аренды земель площадью 9,3 тыс. га под
охраны окружающей среды, вступившее в силу объекты энергетики. Это стало кульминацией
в 1992 г., — оказалась неспособна остановить этот 30-летней борьбы.
поток. Учитывая расстояние между людьми, полу-
чающими выгоду от экономической деятельности, Существование тесных связей между неравен-
в результате которой образуются отходы, и теми, ством и состоянием окружающей среды позволило
кто испытывает на себе последствия от их разме- осознать, что если мы хотим восстановить баланс
щения, поговорка «С глаз долой — из сердца вон» в отношениях человека с природой, нам необхо-
приобретает мрачный смысл. димо восстановить баланс во взаимоотношениях
друг с другом.

Новый энвайронментализм Перевод: С.М. Левензон

Так что же можно сделать, чтобы снизить социаль- ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
ное и экологическое неравенство и, следовательно,
уменьшить вред, наносимый людям и планете? Д и т он А . Уг р о з а нер а в енс т в а // ВМ Н, № 11, 2 016.
Джозеф Стиглиц
Взаимоотношения между неравенством и окру- The Price of Inequality: How Today’s Divided Society Endangers
жающей средой — это «улица с двусторонним дви- Our Future. Joseph E. Stiglitz. W.W. Norton, 2012.
жением». Уменьшение неравенства в распределе- T he Great Div ide: Unequa l S ociet ies a nd W hat We Ca n Do about
нии богатства и власти содействует обеспечению Them. Joseph E. Stiglitz. W.W. Norton, 2015.
более чистой окружающей среды. Усилия по за- Rewriting the Rules of the American Economy: An Agenda for
щите права на чистую и безопасную окружающую Growth and Shared Prosperity. Joseph E. Stiglitz. W.W. Norton,
среду способствуют обеспечению большего равен- 2015.
ства. Главное и в том и в другом — мобилизация Globa l i z at ion a nd It s Discontent s Rev isited: A nt i-g loba l i z at ion i n
для осуществления изменений. the Era of Trump. Joseph E. Stiglitz. W.W. Norton, 2017.
Роберт Сапольски
В X X в. целью энва йронмента лизма в СШ А бы ла Why Zebras Don’t Get Ulcers: The Acclaimed Guide to Stress,
защита природы от людей. Просвещенные эли- Stress-Related Diseases, and Coping. Third edition. Robert M.
ты нередко считали себя защитниками природы S ap olsk y. Holt P ap erback s, 2 0 0 4.
от безответственных народных масс. Отсюда оста- T he Spi r it L e vel: W hy Gre ater E qua l it y Ma kes S ociet ies St ron ger.
вался всего лишь шаг до принятия неизбежного R icha rd Wi l k i nson a nd K ate P icket t. Bloomsbu r y P ress, 2010.
компромисса межд у за щитой окру жа ющей среды B eh ave: T he Biolog y of Hu m a n s at O u r B est a nd Wor st. R ob er t M.
и экономическим благосостоянием в широких мас- S ap olsk y. Pen g u i n P res s, 2 017.
штабах. Вирджиния Юбэнкс
Automating Inequality: How High-Tech Tools Profile, Police, and
В X X I в. мы наблюдаем расцвет нового энва йрон- Punish the Poor. Virginia Eubanks. St. Martin’s Press, 2018.
ментализма. Его цель — защитить людей, страда- Джеймс Бойс
ющих от ущерба, нанесенного окружающей сре- I nequa l it y a nd Env i ron ment a l P rotect ion. Ja mes K . Boyce i n I n-
де, от тех, кто пол у чает выгод у от у х удшения. Ба- equality, Cooperation, and Environmental Sustainability. Edited by
ланс сил между этими сторонами может меняться Jean-Marie Baland, Pranab Bardhan and Samuel Bowles. Princeton
со временем. Когда защитники окружающей среды University Press, 2006.
со всей страны присоединились к коренным аме- The Haves, the Have-Nots, and the Health of Everyone: The Re-
риканцам из Стэндинг-Рок, чтобы утвердить их lationship between Social Inequality and Environmental Quality.
право на чистую и безопасную окружающую сре- L a ra Cush i ng et a l. i n A n nua l Rev iew of P ubl ic Hea lt h, Vol. 36, pa ges
ду, стрелка весов начала двигаться. Протестую- 193 –209; Ma rch 2015.
щие, основываясь на ранее достигнутых успехах Economic Inequality and the Value of Nature. Moritz A. Drupp et
движения за равные права и защиту окружающей a l. i n E colog ic a l E conom ics, Vol. 150, pa ges 3 4 0 – 3 45; Aug ust 2018.
среды, подошли близко к тому, чтобы остановить
многомиллиардное предприятие.

В других, менее широко освещавшихся случа-
ях, новый энвайронментализм одержал важную
победу. В штате Вашингтон, например, активи-
стам удалось заблокировать предполагавшееся
строительство самого крупного в стране угольно-
г о т ерм и на ла и сох ра н и т ь зем л и и ис т оч н и к и во-
доснабжения племенных общин. Строительство
еще одного угольного терминала — в Окленде,
ш т ат К а л ифорн и я, — снача ла бы ло п редо т вра ще-
но сторонниками экологической, трудовой и эко-
номической справедливости, но юридические

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 113

ИГО КААрхеология Photographs by Christoffer Rudquist

АРХЕОЛОГИЯ

Новый метод, позволяющий определить,
кому принадлежали маленькие фрагменты
ископаемых костей, помогает ответить на важные
вопросы: когда, где и как одни виды человека
взаимодействовали с другими

Катерина Дука и Томас Хайем

114 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Археология

Среди ископаемых осколков могут
быть ценнейшие человеческие кости,
проблема в том, как их выявить

w w w.sci-r u.org В ССТЕОНГАЕ
[01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 115

Археология

обравшись в Денисову
пещеру, расположенную
в южной части Сибири,
всегда испытываешь не-
вероятное облегчение.
После одиннадцатичасовой тряски в ав-
томобиле от Новосибирска на юг по сте-
пям и предгорьям Алтая за очередным
поворотом грунтовой дороги внезапно
появляется полевой лагерь — и все не-
приятные ощущения от долгого путе-
шествия словно испаряются. В пейза-
же преобладают окруженные крутыми
склонами долины, стремительные реки
и традиционные деревянные дома мест-
ных жителей, а над головой парят бер-
куты. В нескольких сотнях метров отсю-
да, высоко над рекой Ануй, находится та
самая известняковая Денисова пещера,
которая привлекает возможностью про-
вести самые яркие исследования в обла-
сти происхождения человека.

Денисова пещера стала центром революции, пере- Фрагмент кости из Денисовой пещеры. Благодаря
вернувшей представления научного сообщества зооархеологии с помощью масс-спектрометрии (ЗооМС)
о том, как жили и взаимодействовали между собой недавно удалось определить, что он принадлежал
наши предки в раннем палеолите. Наш вид Homo человеку или человекообразной обезьяне.
sapiens появился в Африке сотни тысяч лет тому
назад. И когда он начал распространяться в Европу ДНК, полученные в результате скрещивания Homo
и Азию, то встретился там с другим видом челове- sapiens с другими видами человека. Однако мы еще
ка, неандертальцами, которые, прежде чем исчез- не знаем, когда и где пересекались их пути, как ча-
нуть окончательно, тысячелетиями сосуществова- сто они скрещивались и как повлияли друг на дру-
ли на одной территории с Homo sapiens. Ученые зна- га в культурном плане. В то же время нам известны
ют, что эти виды встречались, потому что от наших результаты нескольких важных археологических
предков современным людям достались фрагменты раскопок, соответствующих этому переходному пе-
риоду, где встречаются каменные орудия и другие

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В середине и конце каменного века человек (Homo sapiens) распространялся из Африки по Евразии. Вслед за тем
на всей этой территории исчезли группы архаичных людей, в том числе неандертальцы и денисовские люди.

Исследователи стремятся понять, какими были взаимодействия между разными группами людей и сколько они
длились. Однако в местах многих археологических раскопок того периода нет костей, видовую принадлежность ко-
торых можно было бы однозначно определить по их анатомическому строению.

Сейчас, используя сочетание различных методов, ученые могут проверить множество неидентифицированных
костных фрагментов, выбрать среди них те, которые можно отнести к определенному периоду, и секвенировать их
ДНК. Таким образом уже удалось сделать несколько открытий о взаимодействии людей разных видов.

116 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Археология

артефакты. Однако во многих из них, в том числе могли делать схожие вещи и даже могли передать
и в Денисовой пещере, нет ископаемых останков, часть своих традиций Homo sapiens, когда наши
по внешнему строению которых можно было бы виды встретились. Возможность определить вид
определить их видовую принадлежность. Это не по- и возраст ископаемых останков означает, что уче-
зволяет нам установить, что и когда делал каждый ные смогут восстановить последовательность со-
конкретный вид. бытий, произошедших в этих местах, с невероят-
ной точностью и таким образом прояснить важ-
Сейчас ученые наконец сумеют ответить ную главу в первобытной истории человека.
на эти вопросы благодаря новой методике, кото-
рая называется «зооархеология с помощью масс- Миссия невыполнима
спектрометрии» (ЗооМС). Мы можем, анализи-
руя строение белка коллагена, сохранившегося Российские археологи изучают Денисову пещеру
в эти х, каза лось бы, неи нформати вн ы х ос та н ка х, с 1980-х гг. Но тол ько в 2010 г. п роизош ло событие,
выяснить, принадлежит ли кость гоминиду (чело- которое сделало это место центром всеобщего вни-
веку или другой человекообразной обезьяне), а за- мания. В том году исследователи из Института эво-
тем попытаться выделить ДНК из образца. Та- люционной антропологии Общества Макса Планка
ким образом можно определить кость с точностью в Лейпциге опубликовали результаты генетическо-
до вида, будь это Homo sapiens, неандерталец или го анализа кости, найденной в 2008 г. в Денисовой
кто-то еще. Б олее того, м ы можем п ровес ти тес ты пещере российскими археологами Анатолием Дере-
для определения возраста останков. вянко и Михаилом Шуньковым. ДНК, которую уче-
ные смогли извлечь из кусочка фаланги пальца,
Непосредственное определение возраста иско- показала, что кость принадлежит ранее неизвест-
паемых останков — это разрушительный про- ному виду людей, который был настолько же род-
цесс, приходится жертвовать костью для ее ана- ственен неандертальцу, насколько и мы. Фалан-
лиза. Поэтому музейные хранители обычно не хо- га принадлежала маленькой девочке, получившей
тят давать целые кости для таких работ, однако им имя «женщина X», она оказалась представителем
не так жалко мелкие обломки. вида, который ученые теперь называют «денисов-
ский человек», или «денисовец». После этого в пеще-
Точное определение возраста ископаемых остан- ре нашли еще несколько костей и зубов, принадле-
ков, связанных с находками материальной культу- жащих как денисовцам, так и неандертальцам.
ры, особенно интересно в случае Денисовой пеще-
ры и других мест, где, как нам известно, в прошлом Открытия в Денисовой пещере показывают, на-
обита л и разн ые ви д ы че ловек а. Неко торые исс ле- сколько важную информацию можно извлечь
дователи утверждают, что артефакты, имеющие из ископаемых останков с помощью современ-
символическое или декоративное значение, отра- ных генетических методов. Они могут расска-
жают наличие современных когнитивных способ- зать нам не только о наличии ранее неизвестного
ностей и уникальны для вида Homo sapiens. Другие вида, но и о том, как он взаимодействовал с н ашим
считают, что неандертальцы и иные виды также

SERGEY ZELINSKY Institute of Archaeology and Ethnography of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Исследователи
осматривают
w w w.sci-r u.org археологические
отложения
в Денисовой пещере,
прежде чем взять
образцы для ЗооМС
и радиоуглеродного
анализа
[01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 117

Археология

ОБ АВТОРАХ

Катерина Дука (Katerina Douka) — археолог из Института изучения истории человечества
Общества Макса Планка в Йене. Она возглавляет группу, разыскивающую среди найденных
в Азии неидентифицированных фрагментов костей те, которые принадлежали неандертальцам
и денисовским людям.

Томас Хайем (Thomas Higham) — руководитель отделения радиоуглеродного анализа
Оксфордского университета. Он занимается определением возраста костей, найден-
ных при археологических раскопках на территории Евразии и относящихся к среднему
и верхнему палеолиту.

в идом. Например, благодаря генетическому анали- и звлечено б олее 135 тыс. костей, но 95% из них на-
зу мы знаем, что неандертальцы и люди современ- столько фрагментарны, что не удавалось опреде-
ного типа скрещивались по меньшей мере триж- лить их видовую принадлежность. С другой сторо-
ды за последние 100 тыс. лет и что неандертальцы ны, сохранность биомолекул, и в том числе ДНК,
и денисовцы, а также денисовцы и люди современ- в этих костях потрясающая. Два самых полных ге-
ного типа тоже скрещивались друг с другом. В ито- нома древних людей восстановлены именно из ко-
ге устоявшиеся к тому времени представления, стей, найденных в этой пещере. Мы задумались,
что Homo sapiens вышел из Африки и в мгновение есть ли способ на месте проверить тысячи костных
ока просто стер с лица земли популяции архаич- фрагментов, чтобы найти принадлежащие людям.
ных людей, уступили место более сложному сце- Если бы мы смогли это сделать, то, возможно, по-
нарию, включающему скрещивание и поток генов лучили бы новые генетические и хронологические
между этими группами. Такая модель происхож- данные или даже открыли бы новый вид людей,
дения современного человека называется «замеще- обитавших в пещере. Именно тогда мы поняли, что
ние с протечкой». Однако большинство ископаемых для этой цели можно использовать ЗооМС.
костей, найденных в Денисовой пещере, настолько
фра гментарны, что мы не можем разобраться, ка- Метод ЗооМС, называемый также идентификаци-
кие из них принадлежат людям. ей белка коллагена методом отпечатков пептидных
масс, позволяет исследователям определять си-
Мы присоединились к денисовскому проекту стематическое положение животного по фрагмен-
шесть лет назад, поскольку хорошо разбираем- ту кости с помощью анализа белков костной тка-
ся в хронологии, особенно в использовании ме- ни. Белок кости коллаген состоит из сотни неболь-
тода радиоуглеродного анализа для определе- ших частей, которые называются пептидами, а их
ния временных периодов в археологических рас- состав немного различается у животных разных
копках. Для образцов, относящихся к среднему групп. Сравнивая пептиды в неизвестном костном
(250 – 40 т ыс. ле т наза д) и верх нем у (40 – 10 т ыс. ле т фрагменте с такими же у известных животных,
на за д) па леол и т у, т а к а я дат и ровк а особен но ва ж- можно правильно определить семейство, род и ино-
на, поскол ьк у час т о в мес та х раскопок не на ход я т гда даже вид животного. ЗооМС, впервые предло-
каменных орудий, по которым можно точно опре- женный англичанами Майклом Бакли (Michael
делить период. Мы работаем, чтобы обеспечить Buckley), сейчас работающим в Манчестерском
на де ж н у ю дати ровк у д л я на ходок в Ден исовой пе- университете, и Мэттью Коллинзом (Matthew
щере и на других палеолитических стоянках Ев- Collins) из Йоркского университета, уже более де-
разии. сяти лет использовался для идентификации костей
животных, найденных в археологических раскоп-
Наша группа прибыла на место раскопок в 2014 г. ках. Метод относительно дешевый ($5– 10 за обра-
и на встрече команды ученых, работавших с Дени- зец) и требует минимального повреждения образ-
совой пещерой, предложила идею, которая должна ца: для анализа достаточно всего 10–20 мг кости.
была помочь получить более точную картину вза- Кроме того, он быстр: за неделю один человек мо-
имодействия нашего вида, неандертальцев и дени- жет проверить сотни фрагментов костей.
совцев. Было очевидно, что все найденные остан-
ки людей в Денисовой пещере совсем небольшие, Насколько нам известно, никто раньше не ис-
от 3 до 5 см длиной. Например, фаланга «женщи- пользовал ЗооМС для поиска человеческих костей.
ны X» была размером с чечевичное зерно и веси- Но мы пришли к выводу, что у нас есть все шан-
ла всего 40 мг. Большинство найденных костей сы. Мы решили, что можно использовать даже ма-
были сильно разрушены, главным образом хищ- ленькие фрагменты кости, поскольку в Денисо-
никами, такими как гиены, которые жили в этой вой пещере очень низкая и стабильная температу-
пещере, заводили детенышей и грызли там ко- ра и там прекрасно сохраняются ДНК и коллаген
сти. Начина я с 2008 г. из Денисовой пещеры бы ло из костей. Мы знали, что не сможем определить

118 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Археология

Чья это кость?

С помощью ЗооМС исследователи могут определить, к какой таксономической группе относится фрагмент кости. ЗооМС ана-
лизирует сохранившийся в костях белок коллаген. Фермент разрезает коллаген на пептидные цепочки. С помощью лазера пеп-
тидам придают электрический заряд, а затем они движутся в сторону детектора, регистрирующего момент попадания на него
пептида. В результате получается спектр значений, своеобразный «отпечаток пальца», который можно сравнить с базой данных,
содержащей такие коллагеновые «отпечатки» животных разных видов, и определить, кому принадлежала загадочная кость.

Ископаемый Фермент Фермент трипсин разрезает
фрагмент трипсин длинные нити коллагена
в определенных местах,
получается смесь длинных
и коротких пептидных цепей

Костный образец Выделенный Пептидные
помещают в сильную коллаген фрагменты
кислоту или основа- Пептиды помещают
ние для выделения Лазер в масс-спектрометр
коллагена

Коллаген кости

Длинные медленные
пептиды

Короткие быстрые Детектор Получается характерный
пептиды спектр — определен-
ное сочетание длинных
Короткие и коротких пептидов
быстрые Длинные
пептиды медленные
пептиды

Длинные пептидыIllustration by Falconieri Visuals Время
перемещаются
медленно, короткие ИнтенсивностьЧеловек Лошадь
пептиды перемеща-
ются быстро и скорее
попадают на детектор
Медведь

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 119

Археология 2

1

Для анализа ископаемых фрагментов с помощью ЗооМС нужно отпилить образец весом 20 мг от каждого маленького
кусочка (1). Другие образцы берут для радиоуглеродного определения возраста (2).

с помощью ЗооМС вид животного. Коллагеновые в том же году мы взяли пробы из нескольких тысяч
пептиды у человека и человекообразных обезьян «бесполезных» во всех отношениях фрагментов ко-
схож и нас тол ько, что м ы и х не разл и ч и м. Од на ко стей, которые были недавно найдены в этом месте.
в палеолите никаких человекообразных обезьян
в этой части мира не бродило. Так что если мы мо- В теории казалось, что все можно сделать бы-
жем определить, что фрагмент кости принадлежит стро. Однако на практике это была огромная кро-
группе гоминидов, объединяющей человека и че- потливая работа по извлечению крошечных фраг-
ловекообразных обезьян, то мы можем утверж- ментов для анализа из каждого осколка кости так,
дать, что имеем дело с каким-то видом человека, чтобы потенциально ценные образцы не сопри-
и направить образец на генетический анализ, что- касались с чем-нибудь, что может их загрязнить.
бы определить его вид. Большую часть работы выполнила наша студент-
к а Са ма нта Брау н (Sa ma nt ha Brow n) в ра м к а х сво-
На той встрече в Денисовой пещере в 2014 г. был ей магистерской диссертации, проводя долгие
и крупнейший специалист по древней ДНК Сванте часы в лаборатории в Оксфордском университете.
Паабо (Svante P bo) из Института эволюционной
антропологии Общества Макса Планка, руководи- В этом проекте мы сотрудничали с Бакли. Когда
тель проекта по изучению генома неандертальца. мы набрали 700–800 образцов кости, Браун отпра-
В 2010 г. его группа опубликовала исследования ге- вилась к нему в лабораторию, чтобы их обработать
нома денисовского человека. Мы не пересекались и проа на лизировать. Результаты оказа лись инте-
по работе ранее, и нам хотелось узнать, что он ду- ресными: нам попались мамонты, гиены, лошади,
мает о наших идеях обследования фрагментов ко- северные олени, шерстистые носороги — полный
стей и будет ли ему интересно сотрудничество спектр животных ледникового периода, но, к со-
в данном проекте. Он воспользовался этой возмож- ж а лен и ю, пепти дов, х ара кт ерн ы х д л я гом и н и дов,
ностью и сразу же нас поддержал. Затем мы обсуди- там не было. Мы расстроились, но решили прове-
ли план с Анатолием Деревянко из Российской ака- рить вторую партию, чтобы посмотреть, удаст-
демии наук и руководителем раскопок Михаилом ся ли нам найти хотя бы одну человеческую кость
Шуньковым. Они тоже з аинтересовались. Позже во всей этой массе обломков. Мы думали, что шан-
сов немного, но продолжали надеяться.

120 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Археология

Однажды летним вечером 2015 г. мы получили костей из Виндии выяснилось, что среди находок

электронное письмо от Бакли. Он обнаружил, что преобладают кости пещерного медведя, они со-

в одном из наших образцов, DC1227, были пептид- ставляют около 80%, поэтому мы не ожидали най-

ные маркеры, характерные для гоминидов. У нас ти такое же разнообразие фауны, как выявленное

был фрагмент человеческой кости — это как найти в Денисовой пещере. За проект взялась Кара Кубяк

иголку в стоге сена! Мы были в восторге, казалось, (Cara Kubiak), которая тогда была нашей студент-

что наша безумная идея привела к успеху. кой. Из 383 проанализированных образцов в 28-м

На следующий день рано утром мы отправились внезапно обнаружилась характерная для гомини-

в нашу оксфордскую лабораторию, чтобы найти дов пептидная последовательность. Позже сотруд-

среди архивных образцов эту кость. Мы несколь- ники Паабо с помощью генетических методов под-

ко смутились, увидев, что найденная кость была твердили, что это неандерталец. Кость была дли-

малюсенькой даже по денисовским меркам — все- ной примерно 7 см, и, что интересно, на ней были

го 25 мм длинной, так что для исследований было следы порезов и другие признаки воздействия че-

маловато материала. Но учитывая исключитель- ловека. На костях неандертальцев иногда встреча-

ную биомолекулярную сохранность находок в Де- ются такие отметины, что можно считать веским

нисовой пещере, мы понадеялись, что этого хватит доказательством убийства и каннибализма.

для тех методов, которые мы хотели использовать, Данный образец, названный Vi-*28, оказался

чтобы узнать как можно больше о кости. Мы сфо- ключевым для нашей работы по определению хро-

тографировали ее с высоким разрешением, сдела- нологии событий. Так сложилось исторически, что

ли компьютерную томографию и взяли до-

Найденная кость принадлежалаполнительные образцы для определения
возраста и проведения изотопного анали-

не неандертальцу, у этогоза, а затем Браун отвезла кость в Лейпциг,
чтобы сделать анализ ДНК в лаборатории

человека были неандертальскаяПаабо.
мама и папа денисовецЧерез несколько недель мы получили ре-

зультаты определения возраста. Отсут-

ствие радиоактивного углерода в образце означа- археологи, чтобы сохранить кости из Виндии, об-

ло, что нашей маленькой косточке больше 50 тыс. рабатывали их консервантами. Это значительно

лет. И вскоре мы узнали от Паабо, что митохон- затрудняло датировку, поскольку из консервантов

дриальная ДНК, которая в клетке находится в вы- углерод попадал в кости. К счастью для нас, Vi-*28

рабатывающих энергию органеллах и передается в отличие от других человеческих костей консер-

детям от матери, свидетельствует о том, что мать вантами не обрабатывали, поскольку считали, что

этого человека была неандертальцем. Среди ты- это кость животного. Радиоуглеродная датировка

сяч «мусорных» костей мы нашли фрагмент ко- показала, что Vi-*28 принадлежала неандерталь-

сти человека и доказали, что наш подход работа- цу, жившему более 47 тыс. лет назад. Это откры-

ет. Сотрудники Паабо планировали получить зна- тие, опубликованное в 2017 г. вместе с данными,

чительно больше информации из ядерного генома которые мы получили по другим неандертальцам,

кости, которую теперь называли в честь места на- свидетельствует о том, что неандертальцы исчез-

ходки Denisova 11. Мы тем временем решили прове- ли из Виндии более 40 тыс. лет назад, прежде чем

рить наш подход в другом месте. современные люди появились в этих краях. Пре-

Мы и они дыдущие датировки, показывавшие присутствие
неандертальцев 30 тыс. лет назад, были ошибкой,

Пещера Виндия в Хорватии — важнейшее место полученной из-за загрязнения углеродом, который

для изучения поздних неандертальцев в Евро- не был эффективно удален. ЗооМС снова доказала

пе. Долгие годы на основе радиоуглеродных дан- свою полезность.

ных считалось, что неандертальцы могли жить С помощью данного метода добились успеха

здесь 30 тыс. лет назад, а значит, был период, ког- и другие группы исследователей. В 2016 г. Фри-

да их присутствие перекрывалось с присутствием до Уэлкер (Frido Welker), который сейчас работает

анатомически современных людей, которые поя- в Музее естественной истории в Дании, с коллега-

вились в этом районе 42–45 тыс. лет назад. Такое ми сообщили, что они использовали ЗооМС для

длительное сосуществование позволяло предпо- идентификации 28 ранее не опознанных остан-

лагать, что неандертальцы были не вытеснены, ков гоминидов среди осколков костей в знамени-

а ассимилированы современными людьми. Прово- той пещере Грот-дю-Рен в Бургундии во Фран-

дя повторную оценку возраста находок в Виндии, ции. Несколько десятков лет назад работавшие

мы решили, что было бы интересно использовать здесь исследователи нашли неандертальские

З ооМС для проверки неопознанных костей в этом кости в сочетании со множеством удивительно

месте. В предыдущем исследовании более целых сложных изделий, таких как костяные орудия,

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 121

Археология

п одвески и другие украшения, — элементами так подтвердившие исходное предположение. Мито-
называемой шательперонской культуры, которая хондриальная ДНК показывала нам лишь поло-
сч итае т с я переход ной ме ж д у сред н и м и верх н и м вину картины. Найденная кость принадлежала
палеолитом. Это открытие противоречило усто- не неандертальцу, у этого человека были неандер-
явшимся представлениям, что на такую изобре- тальская мама и папа денисовец, на языке генети-
тательность способен только H. sapiens. Поэтому ков — гибрид первого поколения. Исследователи
возникла продолжительная дискуссия о том, дей- опубликовали это поразительное открытие 6 сен-
ствительно ли неандертальцы имели отношение тября в ж у рна ле Nature в с татье, где первы м а вто-
к этим продвинутым изделиям или же археоло- ром была Вивиан Слон (Viviane Slon) из Институ-
гические слои здесь каким-то образом перемеша- та эволюционной антропологии Общества Макса
лись, так что кости неандертальцев оказались ря- Планка.
дом с более поздними изделиями, принадлежав-
шими H. sapiens. Теперь благодаря ДНК мы знали, что Denisova 11
была женщиной, жившей приблизительно
Те 28 фрагментов костей, которые Уэлкер с колле- 90– 100 тыс. лет назад. А с помощью анализа плот-
гами с помощью ЗооМС идентифицировали как че- ности костной ткани, проведенного на основе сде-
ловеческие, точно бы ли из одного с лоя с орудиями ла н ной на м и К Т, на ш кол лега Бенс Ва йола (Bence
и у кра шениями. Бы ло проведено секвенирова ние, Viola) из Торонтского университета приблизитель-
и результаты получились однозначными: кости но определил, что на момент смерти ей было 13 лет.
принадлежали неандертальцам, а не H. sapiens. В свою очередь, у ее отца денисовца несколько со-
Исследование убедительно подтвердило, что неан- тен поколений назад был предок неандерталец.
дертальцы действительно владели шательперон- Конечно, мы никогда не узнаем, как в доисториче-
ской и другими переходными культурами и были ские времена возникали такие союзы, нам извест-
умнее, чем обычно принято считать. но только, что они были. Мы также никогда не смо-
жем узнать, как умерла Denisova 11, понятно лишь,
Гибридный ребенок что ее останки, по-видимому, попали в пещеру бла-
годаря хищнику, вероятно, гиене.
Все время, пока мы работали в Виндии, мы продол-
жа ли а на лизировать образцы из Денисовой пеще- Мы никогда не узнаем, обгладывала ли ее гиена
ры, надеясь добавить еще человеческих образцов после того, как девочка умерла и была ритуально
в нашу коллекцию. Усилия увенчались успехом — похоронена, или же она погибла от зубов хищника.
еще двумя костями гоминидов: DC3573, которая, На протяжении десятков тысячелетий маленький
как оказалось, принадлежала неандертальцу, жив- кусочек ее тела лежал непотревоженный в пещере
шем у более 50 тыс. лет наза д, и DC3758 возрастом и, возможно, оставался бы там еще много лет, если
40 тыс. лет, в которой к сожалению, не сохранилось бы не современна я нау ка, позволивша я на м вдох-
древней ДНК. Среди более 5 тыс. осколков костей нуть жизнь в эту историю. Мы надеемся, что с по-
мы нашли в общей сложности пять человеческих мощью ЗооМС раскроем еще много секретов, хра-
образцов, которые никогда бы не были обнаруже- нящихся в костях.
ны, если бы не ЗооМС.
Перевод: М.С. Багоцкая
Но самое интересное было еще впереди. В мае
2017 г. в Институте эволюционной антропологии ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
Общества Макса Планка мы встретились со стар-
шими сотрудниками лаборатории Паабо, и в том Вонг К. Последний из гомининов // ВМН, № 11, 2018.
числе с Маттиасом Мейером (Matthias Meyer)
и Джанет Келсо (Janet Kelso). Мы хотели узнать Identification of a New Hominin Bone from Denisova Cave, Siberia
о результатах исследования образца Denisova 11 —
удалось ли выделить ядерную ДНК, по которой Usi ng Col la gen F i nger pr i nt i ng a nd M itochond r ia l DN A A na lysis. Sa-
можно было бы получить гораздо более подробную
информацию о том, кем был обладатель этой кости. m a nt ha Brow n et a l. i n S cient i f ic Repor t s, Vol. 6, A r t icle No. 23559;

Не так часто в науке случается получить совер- March 29, 2016.
шенно потрясающие новости, но Мейеру и Кел-
со это уда лось. Они рассказа ли, что я дерна я ДНК Pa laeoproteom ic E v idence Ident i f ies A rcha ic Hom i n i ns A ssociated
оказалась необычной: одна половина ее была ха-
рактерной для неандертальцев, а другая, каза- with the Ch telperronian at the Grotte du Renne. Frido Welker et al.
лось, была унаследована от денисовца. Они пред-
положили, что Denisova 11 была гибридом 50 на 50. i n P roceed i ngs of t he Nat iona l Academy of S ciences US A , Vol. 113,
Чтобы исключить возможность ошибки, исследо-
ватели вновь запустили процесс идентифика- No. 40, pages 11,162–11,167; October 4, 2016.
ц ии д ля перепроверки результата. Через несколь-
ко мес я цев бы л и пол у чен ы да н н ые, окон чате л ьно Direct Dating of Neanderthal Remains from the Site of Vindija

Cave and Implications for the Middle to Upper Paleolithic Transition.

Thibaut Devi se et al. in Proceedings of the National Academy of Sci-

ences US A , Vol. 114, No. 4 0, pa ges 10,6 0 6 –10,611; October 3, 2017.

The Genome of the Offspring of a Neanderthal Mother and a Den-

isova n Fat her. Viv ia ne Slon et a l. i n Nat u re, Vol. 561, pa ges 113 –116;

September 6, 2018.

122 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

50, 100, 150 лет тому назад

ЯНВАРЬ 1969 Примечание: Законом о контроле над гелием (1927)
экспорт этого газа был приостановлен; иностран-
Проблема абортов. Аборт — ные компании, такие как Luftschiffbau Zeppelin,
должны были использовать огнеопасный водород.
в современном мире все еще са-
мый распространенный и са- ЯНВАРЬ 1869
мый криминальный способ
контроля рождаемости. В по- Ловля сельди. Доктор Луис
следние годы в нескольких
странах данная практика была Фейхтвангер недавно вернул-
легализована, вследствие это- ся из путешествия в Мэн и при-
го искусственный аборт вы- слал нам несколько фактов
шел из тени и стал одной из тем дискуссий в мире. в отношении ловли сельди. Он
Предмет споров касается широкого спектра вопро- говорит, что этот сезон ока-
сов: морально-этических, медицинских, социаль- зался самым богатым за мно-
ных, экономических, правовых, политических. гие годы. 12 октября 80 хогсхе-
Опыт стран, которые легализовали аборты, пред- дов (бочек объемом 238 л) сель-
ставляет большой объем достоверных данных, ди были подняты на борт за один улов и еще 30
с помощью которых можно оценить все за и против за два дня до этого. Ка ждые две та кие бочки да ют
этой практики. В США аборты были признаны пре- один баррель рыбьего жира, который стоит на рын-
ступлением по статутному праву только с 1930 г. ке $22,50 за баррель, он используется для выделки
Сегодня они все еще под запретом в большинстве кожи и заправки другой рыбы, а также в качестве
штатов, исключение составляют случаи серьезной смазочного масла. Кроме этого продукта остатки
угрозы жизни матери. от переработки 5 хогсхедов сельди дают тун (бочка
объемом 954 л) рыбного гуано, лучшего из извест-
Танец твердых тел ных удобрений, которое стоит $20 за тун.

«Все знают: мир из Атомов построен, — Кроличья напасть. Кролики, завезенные некогда
Но был не прост познанья долгий путь, —
Сперва алхимики прошли неровным строем, в Австралию из Англии, угрожают сегодня стать
Пытаясь вглубь Металлов заглянуть, ч у мой масштаба казней египетски х на уда ленны х
Чтоб в Золото расплавить Соль и Ртуть; и малонаселенных равнинах. Всего лишь год-два
А непокорный вековым канонам, назад кроликов считали безобидными. Теперь,
Лавуазье покончил с Флогистоном когда бедствие разрослось до таких масштабов,
И дал дорогу Газовым Законам, мы все, конечно, можем говорить, что никто этого
Раскрыв реакций истинную суть». не предвидел. В Англии у диких кроликов множе-
Джон Апдайк (перевод Н.А. Воронель). ство врагов; здесь же их почти нет.
Оригинальное стихотворение из 11 строф Апдай-
ка было навеяно тематическим выпуском журнала Поддельный виски. Газета New York World прове-
Scientific American «Материалы» (сентябрь 1967 г.).
ла проверку качества алкогольных напитков в раз-
ЯНВАРЬ 1919 личных барах города. Было исследовано боль-
шое количество образцов бренди, продаваемо-
Воздушные суда и огонь. го по цене 30–50 центов за рюмку, а также виски
по 20–30 центов за рюмку — и обнаружено толь-
К разжалованию дирижа- ко два настоящих. Если такое происходит с алко-
блей как инструмента войны голем в лучших заведениях, какое же пойло под-
привели не аэропланы, а нео-
правданно высокий риск, свя- носят в дешевых ка-
занный с использованием во- баках, где рюмку
дорода. Гелий, инертный не- виски можно купить
горючий газ, — самый легкий за 5–10 центов?
после водорода, и его относи-
тельно много во всех минералах, содержащих ра- Легкий танк Renault FT
дий, торий или уран, но операция по выделению со снятым вооружением
гелия из этих минералов требует больших затрат используется после
(от $1,5 тыс. до $6 тыс. за 0,03 м3), поэтому вопрос окончания войны
об использова нии его вместо водорода никогда се- в качестве тягача —
рьезно и не рассматривался. К следующей весне ге- крайне неэффективная,
лий будет производиться в нашей стране по себе- но, вероятно,
стоимости примерно $100 за 3 м3, и масштаб дости- необходимая мера,
жения будет полностью реализован. поскольку в ходе войны
было убито много
лошадей, 1919 г.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 123

Квантовая физика

124 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Квантовая физика

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

СТРАННОЕ

ПОВЕДЕНИЕ
Недавние эксперименты сокрушили надежду на то, что
нарушающее порядок явление квантовой перепутанности
можно объяснить ошибочной интерпретацией экспериментов

Рональд Хансон и Кристер Шальм

Illustration by Kenn Brown and Chris Wren, Mondolithic Studios

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 125

Квантовая физика

ОБ АВТОРАХ

Рональд Хансон (Ronald Hanson) — физик из Делфтского технического университета
и научный руководитель исследовательского центра QuTech, созданного совместно
с Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO), работа ко-
торого сфокусирована на квантовых вычислениях и квантовой интернет-технологии.

Кристер Шальм (Krister Shalm) — физик из Национального института стандар-
тов и техники и Колорадского университета в Боулдере, где он разрабатывает
инструменты для проверки фундаментальных проблем квантовой механики.

Не все революции начинаются лишь в 2015 г., сп устя более 50 лет пос ле того, ка к
Б е л л п ред лож и л свое нера венс тво, у чен ые смогл и
с больших потрясений. В случае кван- проверить предсказания теоремы Белла наиболее
товой механики такая тихая революция полным из возможны х способов. Эти эксперимен-
началась в 1964 г., когда физик Джон ты завершают поиски, которые вели несколько по-
Белл (John Bell) опубликовал уравнение. колений ученых, и знаменуют собой начало новой
На основе этого уравнения в форме ма- эры в развитии квантовых технологий.
тематического неравенства был предло-
жен тест с целью проверки глубинных Скрытые переменные
философских вопросов, которые не да-
вали покоя первооткрывателям кванто- Чтобы понять уравнение Белла, мы должны вер-
вой механики. нуться к корням квантовой механики. Этот на-
бор правил описывает поведение света и веще-
Проблема была следующая: могут ли частицы, от- ства на микроуровне. Атомы, электроны, фотоны
деленные друг от друга огромными расстояния- и другие субатомные частицы ведут себя абсолют-
ми, сохранять связь так, что измерение, выпол- но не так, как то, что мы наблюдаем в нашей по-
ненное над одной из них, влияет на вторую. Со- вседневной жизни. Одно из главных отличий со-
гласно классической физике, этого быть не может. стоит в том, что эти крохотные частицы суще-
Но в ра м к а х к ва нт овой т еори и э т о п роис ход ит по- ствуют в неопределенных состояниях. Взять,
стоянно. Используя свое уравнение, Белл предло- например, спин электрона. Если электрон, спин
жил способ определить, действительно ли Вселен- которого направлен вбок, проходит через магнит-
ная настолько странна. ное поле, ориентированное вверх и вниз, то поло-
вину времени он будет смотреть вверх, а другую
За прошедшую половину столетия его простое половину — вниз, но конечное состояние будет
уравнение основательно изменило наше представ- принципиально случайным. Сравните это с под-
ление о квантовой теории. Многие из квантовых брасыванием монеты. Мы могли бы подумать, что
технологий, которые сегодня изобретают физики, результат подбрасывания монеты — такое же слу-
обязаны своим появлением тесту Белла. Но только чайное событие, но если бы мы точно знали массу
моне ты, на п ра в лен ие и ве л и ч и н у си л ы, с ко т орой
мы ее подбросили, а также все детали воздействия
на нее воздушных потоков, мы смогли бы точно

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В 1964 г. физик Джон Белл обнаружил, что явление квантового перепутывания — когда две частицы могут сохранять
«призрачную» связь, даже находясь далеко друг от друга, — приводит к математическому конфликту с нашей интуи-
тивной картиной природы.

Со времени предложения Белла экспериментаторы опробовали много версий его теста. Большинство результа-
тов, по-видимому, говорят в пользу существования квантового перепутывания. Однако в каждом из этих экспери-
ментов присутствовали лазейки, открывающие возможность того, что где-то за сценой действуют «скрытые пара-
метры», которые дают результат, маскирующийся под квантовую перепутанность.

Наконец в 2015 г. несколько научных групп провели первые тесты Белла, в которых все лазейки были закрыты и ко-
торые исключили любое объяснение с помощью локальных скрытых переменных.

126 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Квантовая физика

предсказать, на какую сторону монета призем- он направлен вверх, у другого он будет смотреть
лится. Однако спин электрона ведет себя совсем вниз. Такие корреляции, безусловно, удивитель-
не так. Даже если бы мы обладали исчерпываю- ны, когда электроны находятся достаточно дале-
щими сведениями обо всех свойствах электрона ко друг от друга, так, что они не могут связаться
и его спина до того, ка к он пройдет через ма гнит- друг с другом со скоростью света прежде, чем спи-
ное поле, квантовая неопределенность не позво- ны каждого из них будут измерены. Каким обра-
лит нам узнать, по какому пути он пойдет (но мы зом все-таки вторая частица узнает, что спин пер-
можем вычислить вероятность того, что спин его вой направлен вверх? Эйнштейн, как хорошо из-
будет направлен вверх или вниз). Хотя когда уче- вестно, назвал эту синхронизацию «призрачным
ные фактически измеряют квантовую систему, все дальнодействием».
эти возможности каким-то образом перестают су-
ществовать и единственный результат определен: Анализ Эйнштейном, Подольским и Розеном это-
у электрона в результате спин ориентирован в кон- го примера, опубликованный в 1935 г. в ставшей
кретном направлении либо вверх, либо вниз. классической статье, начинался с двух весьма раз-
умных предположений. Во-первых, если ученые
Когда в нача ле X X столетия физики форм улиро- могут предсказать результат измерения с опреде-
вали квантовую теорию, некоторые из ее основопо- ленностью, в природе должно существовать какое-
ложников, такие как Альберт Эйнштейн и Эрвин то свойство, которое соответствует этому резуль-
Шредингер, чувствовали себя некомфортно из-за тату. Эйнштейн назвал эти свойства «элементами
неопределенности квантовых свойств. Возможно, действительности». Например, если мы знаем, что
полагали они, в природе на самом деле нет неопре- спин электрона направлен вверх, мы можем пред-
деленностей и теория, которая придет на смену сказать вполне определенно, что если он летит че-
квантовой механике, вероятно, точно предскажет рез соответствующее магнитное поле, то всегда
поведен ие час ти ц. Тогда с та не т возмож н ы м п ред- будет отклоняться вверх. В этой ситуации спин
видеть результат измерения спина электрона ана- электрона был бы элементом действительности,
логично тому, как возможно точно знать, на какую поскольку четко определен и никакой неопреде-
сторону упадет монета, если у тебя есть достаточ- ленности нет. Во-вторых, событие в одном месте
но информации. не может мгновенно повлиять на удаленное собы-
тие; воздействие не может распространяться бы-
Шредингер ввел в научный оборот идею о кван- стрее скорости света.
товом перепутывании (нем. Verschr nkung), чтобы
описать ква нтову ю неопределенность, связыва ю- Приняв эти допущения, давайте проанализи-
щую две частицы или более. Согласно квантовой руем два квантово перепутанных электрона, на-
теории, свойства частиц могут быть ква нтово пе- ходящихся в двух удаленных друг от друга ме-
репутаны таким образом, что их совместное значе- стах, у двух людей, Алисы и Боба. Предположим,
ние точно известно, а значения для каждой из них что Алиса измеряет спин электрона относитель-
остаются полностью неопределенными. В каче- но оси Z. Из-за строгой антикорреляции она сра-
стве а на логии можно предста вить две игра льные зу же узнает, какой результат будет, если Боб тоже
кости, на каждой из которых при броске выпадает измерит спин электрона относительно оси Z. Со-
случайный результат, но сумма их всегда состав- гласно ЭПР, Z-компонента спина электрона Боба
ляет 7. Шредингер использовал идею квантового тоже будет элементом действительности. Анало-
перепутывания в знаменитом мысленном экспери- гично, если Алиса решит измерить спин относи-
менте, в котором неопределенность состояния ато- тельно оси X, она будет знать с определенностью
ма оказывается квантово перепутанной с тем, жив результат измерения спина электрона Боба отно-
или мертв кот. Безусловно, любой кот либо мертв, сительно оси X. В этом случае X-компонента спи-
либо жив, а не находится в каком-то абсурдном на электрона Боба будет элементом действитель-
промежуточном состоянии, рассуждал Шредин- нос ти. Но поскол ьк у А л иса и Боб на ход ятс я да леко
гер, с ледовательно, мы должны поста вить под во- друг от друга, решение Алисы измерить спин от-
прос идею, что атомы вообще могут иметь неопре- носительно оси Z или X не может повлиять на то,
деленные свойства. что происходит у Боба. Следовательно, чтобы объ-
яснить строгую антикорреляцию, предсказанную
Эйнштейн совместно с Борисом Подольским квантовой механикой, значение спина электро-
и Ната ном Розеном (все вмес те извес тн ы ка к ЭПР) на Боба должно быть строго предсказуемо относи-
продолжили эксперимент еще на один шаг, проа- тельно как оси Z, так и оси X. Это, очевидно, про-
нализировав два квантово перепутанных электро- тиворечит квантовой теории, которая утверждает,
на, на ход я щ и хс я да леко д ру г о т д ру га. Предс та вь- что, согласно та к назы ваемом у п ри н ц и п у неоп ре-
те, что спины частиц квантово перепутаны таким деленности Гейзенберга, спин может иметь строго
образом, что при измерении вдоль одного и того определенное значение относительно одного-един-
же направления значения их всегда будут про- ственного направления и неопределенные относи-
тивоположны. Например, если ученые измеряют тельно всех прочих.
спин одного из электронов и обнаруживают, что

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 127

Квантовая физика

Как закрыть все лазейки

Квантовая механика предлагает картину Вселенной, резко конфлик-
тующую с нашим интуитивным представлением о действительности.
Некоторые ученые, включая Альберта Эйнштейна, надеялись, что
альтернативные теории с действующими за сценой так называемы-
ми скрытыми параметрами, возможно, объясняют какие-то из самых
странных выводов квантовой теории. До недавнего времени ни один
из экспериментов не мог убедительно исключить локальные скрытые
параметры, но в 2015 г. все изменилось.

Несогласие Эйнштейна
с квантовой теорией основыва-
лось на двух принципах: реали-
стичность и локальность.

Реалистичность — идея, что объекты
имеют определенные свойства: яблоко,
например, красное или желтое.
Локальность — идея, что на объект
влиять может только то, что находится
в его окружении; воздействие не может
передаваться быстрее, чем свет.

Однако квантовая механика Согласно квантовой
предполагает, что действительность механике, частица
намного причудливее. может находиться
в двух состояниях
одновременно.

Например, …может быть …желтым… …а суперпозицией
квантовое яблоко… не красным или… того и другого.

Частицы могут даже быть квантово
перепутанными друг с другом. То есть
если вы бросаете взгляд на одно ябло-
ко и видите, что оно красное, то другое
мгновенно становится желтым.

Квантовое перепутывание
существует независимо
от расстояния между частицами.

Эйнштейн отказывался принять эту концепцию,
назвав ее «призрачным дальнодействием».
Он заявлял, что, должно быть, существуют
локальные скрытые параметры, неизвестные
наблюдателю, которые управляют этим кван-
товым перепутыванием, поскольку в против-
ном случае воздействие должно передаваться
быстрее света.

128 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Квантовая физика

В 1964 г. Джон Белл открыл, что Тест Белла. Два наблюдателя проводят независимые измерения двух
квантовая теория конфликтует предположительно квантово перепутанных частиц. Белл вычислил
с любой из теорий, использу- максимальную корреляцию, которая должна наблюдаться между
ющей скрытые параметры. Он результатами двух наблюдателей, если работают локальные скрытые
придумал способ проверить, переменные, ограниченные скоростью света.
действительно ли локальные
скрытые параметры могут Экспериментаторы
объяснить наблюдаемое «при- вскоре принялись
зрачное дальнодействие». за работу, проводя
этот тест. Но две
лазейки предо-
ставили скрытым
параметрам неко-
торую отсрочку.

1. Лазейка локальности 2. Лазейка детектирования
Измерительные станции расположены Детекторы позволяли
достаточно близко, что позволяет части- измерять лишь часть кван-
цам во время теста поддерживать связь тово перепутанных частиц,
со скоростью меньше, чем скорость света. а не их все.

В 2015 г. группа ученых В почти идеальной решетке Электрон
разработала несколько атомов углерода существуют Атом азота
вариантов теста Белла, дефекты — случайные вклю-
в которых обе лазейки чения атома азота.
были закрыты.
Один из них, в Делфтском В некоторых местах рядом с такими
техническом универси- атомами азота существует вакан-
тете, начинается с двух сия, не занятая атомом углерода,
крошечных бриллиантов. «дефект», который действует как
ловушка для электронов.

Направленность Используя два электрона в двух
спина электрона кристаллах алмаза, разнесенных
на расстояние 1280 м, ученые мо-
Вверх Вниз гут быть уверены, что нет времени 1280 м
для их связи друг с другом даже
Или в суперпо- со скоростью света в течение
зиции (одновре- промежутка, необходимого для
менно направлен определения параметров измере-
и вверх, и вниз). ния и спина электрона.

Лазейка локальности
закрыта.

Ученые используют лазеры для Электрон Квантово перепутанные Квантово перепутанные Эти фотоны летят через
перевода электронов в возбуж- Фотон Фотон университетский го-
денное состояние, которые затем родок до тех пор, пока
испускают фотоны, квантово пере- Электрон не встретят друг друга
путанные со спинами электронов. в фотодетекторах.

При встрече фотоны становятся Первый тест Белла без лазеек. Эти результаты дали окончательное Вселенная
квантово перепутанными. Таким В Делфте ученые провели доказательство того, что локальные решительно
же образом их соответствующие 245 сеансов, в которых была скрытые параметры не могут объяснить странна.
удаленные электроны — которые квантово перепутана пара последствия квантового перепутывания.
легче обнаружить и измерить, электронов, разнесенная
чем фотоны, — тоже становятся на 1280 м. В каждом из сеан- Illustration by Matthew Twombly
квантово перепутанными. сов они измерили частицы
и обнаружили, что 80% были
Зеркало скоррелированы — значитель-
но больше, чем было бы воз-
Детектор Квантово можно с участием локальных
перепутан- скрытых параметров.
ные фотоны Эксперименты в США, Австрии
и Германии показали анало-
Лазейка детектирования закрыта гичные результаты.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 129

Квантовая физика

Этот конфликт привел ЭПР к выводу, что кванто- м ножества направлений корреляция между ре-
ва я т еори я непол на. Он и п ред полож и л и, чт о, воз- зультатами измерений, полученными Алисой
можно, есть шанс разрешить это противоречие, и Бобом, будет сильнее согласно квантовой тео-
добавив в теорию дополнительные параметры (пе- рии, нежели согласно любой из теорий локальных
ременные). Другими словами, вероятно, существу- скрытых параметров, — разница, получившая на-
ет более глубокая теория, которая стоит за кван- звание «неравенство Белла». Эта разница возника-
товой механикой и в которой электроны обладают ет, поскольку скрытые параметры не могут влиять
дополнительными свойствами, описывающими, друг на друга быстрее, чем скорость света, а следо-
как они ведут себя при совместном измерении. вательно, ограничены в том, как они могут коорди-
Возможно, эти дополнительные параметры от нас нировать свои усилия. Наоборот, квантовая меха-
скрыты, но если бы у нас появился к ним доступ, ника позволяет спинам двух электронов существо-
то мы смогли бы точно предсказать, что случит- вать совместно в одном квантово перепутанном
ся с электронами. Очевидная неопределенность неопределенном состоянии, которое может растя-
квантовых частиц — результат нашего неведения. н у тьс я на огромные расс тояния. Ква нтова я пере-
Физики называют любое такое расширение кван- путанность позволяет квантовой теории предска-
товой механики, содержащее эти скрытые пара- зывать корреляции, которые могут быть на 40%
метры, «теорией локальных скрытых параметров». сильнее.
Определение «локальный» здесь относится к скры-
тым сигналам, которые не могут распространять- Теорема Белла полностью изменила мышление
ся быстрее скорости света. физиков. Она показала математический конфликт
между эйнштейновской точкой зрения и кванто-
Уловка Белла вой теорией и очертила мощный способ для экспе-
риментальной проверки их обеих. Поскольку те-
Эйнштейн не ставил под сомнение предсказания орема Белла — это математическое неравенство,
самой квантовой механики; он скорее считал, что которое ограничивает степень корреляции для
существует более глубокая истина в форме скры- любой теории локальных скрытых параметров,
тых параметров, которые управляют действитель- экспериментальные данные, которые выходят
ностью. После статьи ЭПР 1935 г. интерес к этим за границы этих ограничений — другими слова-
основополагающим вопросам квантовой механи- ми, которые «нарушают» неравенство Белла, — по-
ки угас. Возможность существования скрытых па- кажут, что теории локальных скрытых параметров
раметров рассматривалась чисто с философской не могут описать природу.
точки зрения, как не имеющая практической цен-
ности, — предсказания теорий, в которых скры- Вскоре после публикации статьи Белла физики
тые параметры имелись, и тех, где их не было, ока- Джон Клаузер (John Clauser), Майкл Хорн (Michael
зались идентичными. Но все изменилось в 1964 г., Horne), покойный Абнер Шимони (Abner Shimony)
когда Белл потрясающим образом показал, что и Р ичард Холт (R icha rd Holt) (гру ппа, пол у чивша я
при определенных обстоятельства х теории название CHSH) выявили аналогичные неравен-
со скрытыми параметрами и квантовая механи- ства, которые легче проверить экспериментально.
ка предсказывают разные вещи. Это открытие оз- Ученые провели первые опыты в конце 1960-х гг.,
начало, что можно экспериментально проверить, и с тех пор эксперименты все больше и больше
действительно ли теории лока льны х скрыты х па- приближались к предложенной Беллом идеаль-
раметров — а значит, и более глубокая истина при- ной схеме. В экспери мента х бы ла обнару жена кор-
роды, на которую надеялся Эйнштейн, — могут су- реляция, которая нарушает неравенство Белла
ществовать. и которую, по-видимому, нельзя объяснить теори-
ями локальных скрытых параметров. Тем не менее
Белл проанализировал мысленный эксперимент до 2015 г. во всех опытах обязательно использова-
ЭПР, но с небольшой уловкой: он позволил Алисе лись одно или несколько дополнительных допуще-
и Бобу измерять спины электронов относительно ний из-за несовершенства схемы эксперимента.
любых возможных направлений. В традиционном Эти допущения создавали лазейки, с помощью ко-
эксперименте Алиса и Боб должны проводить из- торых теории локальных скрытых переменных те-
мерения относительно одного и того же направле- оретически могли пройти тест.
ния, а следовательно, обнаружить, что их резуль-
таты на 100% скоррелированы: если Алиса обна- Практически во всех экспериментах в XX в. уче-
ружила, что спин направлен вверх, то Боб всегда ные генерировали квантово перепутанные фото-
получит спин, направленный вниз. Но если Али- ны у источника и направляли их на измеритель-
са и Боб иногда измеряют относительно различ- н ые с та н ц и и (которые и гра л и рол ь А л исы и Б оба).
ных осей, иногда их результаты не синхронизиро- Каждая из станций, Алиса и Боб, измеряла по-
ваны, и именно здесь и появляется разница между ляризацию своего фотона — направление, в ко-
квантовой теорией и теориями со скрытыми па- тором происходят колебания его электрическо-
раметрами. Белл показал, что для определенного го поля (поляризацию можно рассматривать как
спин фотона), — относительно одного из двух

130 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Квантовая физика

направлений. Затем ученые вычисляли средние перепутыванием и измерить с высокой точностью.
значения корреляции между результатами, полу- Проблема в том, что в этих случаях частицы были
ченными на этих двух станциях, и вставляли их расположены чрезвычайно близко друг к другу,
в уравнение Белла, чтобы проверить, нарушается оставляя открытой лазейку для локальности. Та-
ли неравенство. ким образом, хотя все тесты Белла были искусны,
все их результаты могли быть объяснены, по край-
Эксперименты с условиями ней мере в принципе, теорией локальных скрытых
параметров. Тест Белла, в котором все лазейки за-
В первой серии экспериментов использовалось крыты одновременно, стал одной из самых гранди-
фиксированное направление измерений. В этом озных проблем в квантовой физике.
случае есть достаточно времени, чтобы скрытые
параметры (если использовать то, что направ- Благодаря быстрому прогрессу в способности
ления, в которых ведутся измерения на каждой ученых управлять квантовыми системами и из-
из сторон, известны) могли повлиять на резуль- мерять их в 2015 г., спустя 80 лет после того, как
тат. То есть скрытые сигналы могли бы рассказать вышла статья ЭПР, и 51 год после появления урав-
Бобу, ка кое на п ра влен ие испол ьзуе т А л иса д л я из- нения Белла, стало возможным провести экспе-
мерения поляризации своего фотона, без необхо- римент Белла в идеальных условиях — его часто
димости лететь быстрее света. Эта так называе- называют не имеющим лазеек экспериментом
мая лазейка локальности означает, что теория Белла. И действительно, прошло немного време-
скрытых параметров могла бы соответствовать ни, и четыре различные группы получили резуль-
таким квантовым корреляциям. В 1982 г. фран- тат, свидетельствующий, что неравенство Белла
цузский физик Ален Аспе (Alain Aspect) с сотруд- нарушается при всех устраненных лазейках, тем
никами выполнил тест: фотоны направлялись самым дав железное свидетельство против теорий
в противоположные концы большого помещения, локальных скрытых параметров.
и измерялась их поляризация. Пока фотоны были
еще в полете, направление, в котором прибор изме- Как закрыть лазейки
ря л пол я риза ц и ю, период и ческ и мен я лось. В кон-
це 1990-х гг. Антон Цайлингер (Anton Zeilinger), Один из нас (Рональд Хансон) и его коллеги прове-
сейчас работающий в Венском университете, и его ли первый эксперимент с целью закрыть все лазей-
кол леги еще больше усовершенствова ли эт у стра- ки в Делфтском техническом университете в Ни-
тегию, используя по-настоящему случайное (непе- дерландах, используя схему, которая близко повто-
риодическое) изменение направления, в котором ряла оригинальную концепцию ЭПР. Мы квантово
измерялась поляризация. Кроме того, эти направ- переп у та л и сп и н ы д ву х элект ронов, на ход я щ и хс я
ления измерений определялись лишь в последний внутри кристалла алмаза, в месте, называемом то-
момент перед проведением измерения, поэтому чечным дефектом, там, где должен был распола-
скрытые си гна л ы дол ж н ы бы л и переда ватьс я бы- гаться атом углерода, но отсутствует. Два квантово
стрее скорости света, чтобы повлиять на результат перепутанных электрона находились в различных
эксперимента. Лазейки для локальности были пол- лабораториях на противоположных сторонах тер-
ностью перекрыты. ритории университетского городка, и чтобы удо-
стовериться, что между ними никакая связь не-
Однако эти эксперименты имели один недоста- возможна, мы использовали быстрый генератор
ток: с фотонами сложно работать. Б льшую часть случайных чисел, чтобы задать направление из-
времени тесты совсем не давали ответ потому, что мерения. Это измерение заканчивалось и здесь же
[квантово перепутанные] фотоны попросту не об- записывалось на жесткий диск раньше, чем какая-
разовывались или же терялись по дороге. Экспери- либо информация об измерении на другой сторо-
ментаторы были вынуждены принять допущение, не могла прийти со скоростью света. Скрытый сиг-
что удачные попытки дают репрезентативное под- нал, сообщающий одной измерительной станции,
м ножес тво всего м ножес тва поп ыток («доп у щен ие какое направление использовалось для измерения
о достоверности выборки»). Если это допущение спина на другой, не имел достаточно времени, что-
было отброшено, результаты не нарушали бы не- бы пройти из одной лаборатории в другую; таким
равенство Белла. Возможно, в тех попытках, ког- образом, лазейка для локальности была надежно
да фотоны были утеряны, происходило нечто иное, закрыта.
и если бы их данные были включены, то результат
не вступил бы в конфликт с теориями локальных Такие строгие временные рамки требовали
скрыты х пара метров. Ученые смогли за крыть эт у от нас разнести два электрона на расстояние более
так называемую лазейку обнаружения в нынеш- чем километр, примерно на два порядка величины
нем столетии, отказавшись от фотонов и исполь- дальше, чем предыдущее мировое достижение для
зуя частицы материи, такие как запертые ионы, квантово перепутанных систем частиц материи.
ат ом ы, сверх п ровод я щ ие цеп и и я д ра в ат ома х а л- Мы добились такого результата, воспользовав-
маза, все из которых можно связать квантовым шись методом, получившим название «обмен кван-
товым перепутыванием», при котором мы с начала

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 131

Квантовая физика

квантово перепутываем каждый из электронов квантово перепутаны. При достаточной мощности
с фотоном. Затем мы посылаем фотоны, чтобы те лазеров можно сгенерировать десятки тысяч кван-
встретились на полпути между двумя лаборатори- тово перепутанных фотонных пар в секунду. За-
ями на полупрозрачном зеркале, на каждой сторо- тем мы посылаем эти фотоны на удаленные стан-
не которого мы поместили по детектору. Если мы ции (разнесенные на 184 м в эксперименте НИСТ
обнару ж и ваем фо т он ы на разн ы х с т орона х зерк а- и на 60 м в венском эксперименте), где мы измеряем
ла, то спины электронов, ква нтово переп ута нны х состояние их поляризации. В то время, пока фото-
с каждым из фотонов, сами становятся кванто- ны летят к измерительным станциям, наша систе-
во перепутанными. Другими словами, квантовая ма решает, в каком направлении измерять поляри-
перепутанность между электронами и фотонами за ц ию та ким образом, чтобы ника кой из скрыты х
передается двум электронам. Этот процесс пред- параметров не смог повлиять на результат. Таким
расположен к ошибкам: фотоны могут потерять- образом, все лазей ки лока л ьнос ти перекрыты. Са-
ся на пути от кристалла алмаза к зеркалу, так же мая сложная задача при использовании фотонов —
как и в более ранних экспериментах на основе фо- помешать им потеряться, поскольку мы должны
тонов. Но мы начинали тест Белла, только если оба зарегистрировать более двух третей фотонов, ко-
фотона обнаруживались; таким образом мы зара- торые образуются в нашей установке, чтобы избе-
нее реша ли проблем у потери фотонов. Та к мы за- жать появления лазеек обнаружения. Большин-
крывали лазейки обнаружения, поскольку не ис- ство обычных однофотонных датчиков работают
ключали результатов любой проверки теста Бел- с 60-процентной эффективностью — они беспо-
ла из списка наших окончательных результатов. лезны для этого эксперимента. Однако в НИСТ мы
Хотя потеря фотонов из-за большого расстояния разработали специальные однофотонные детекто-
в нашем случае не ограничивала качества кванто- ры, сделанные из холодных сверхпроводящих ма-
вой перепутанности, она все же сильно лимитиро- териалов, которые способны зафиксировать более
вала скорость, с которой мы могли проводить тест 90% попадающих на них фотонов. Таким образом,
Белла, — всего несколько в час. и здесь мы все лазейки закрыли.

После безостановочного проведения эксперимен- Повторяя эти измерения поляризации на многих
та в течение нескольких недель в июне 2015 г. мы различных квантово перепутанных фотонных па-
обнаружили, что неравенство Белла нарушалось ра х более 100 тыс. раз в сек у н д у, м ы могл и быс т ро
не менее чем в 20% случаев, в полном соответствии набрать статистику по корреляции между состо-
с предсказаниями квантовой теории. Вероятность яниями поляризации фотонов. Корреляция, на-
того, что такие результаты могли бы появиться блюдавшаяся в обоих экспериментах, была намно-
в какой-либо из моделей с локальными скрытыми го сильнее, чем предсказанная теориями скрытых
параметрами, — даже если допустить, что приборы параметров. Фактически вероятность того, что ре-
вступили в злонамеренный сговор, используя все зультаты НИСТ могли быть получены случайно,
имеющиеся данные, — была 0,039. Вторая серия составляет порядка одной миллиардной (величи-
экспериментов, проведенная в декабре 2015 г., по- на даже менее вероятная, чем выиграть в лотерею
казала аналогичное нарушение неравенств Белла. Powerball), а в венском эксперименте — еще мень-
ше. Сегодня группа НИСТ регулярно использует
В том же году три другие группы провели те- усовершенствованную версию нашей схемы экс-
сты Белла, в которых были устранены все изъя- перимента, чтобы получить нарушение неравен-
ны. В сентябре физики Национального института ства Белла с такой же степенью вероятности менее
с та н дартов и тех ники (НИС Т ) и и х кол леги во гла- чем за одну минуту, и дальнейшее усовершенство-
ве с одним из нас (Кристером Шальмом) использо- вание ускорит получение такого же результата бы-
вали квантово перепутанные фотоны, а в этом же стрее на два порядка величины.
месяце группа Цайлингера проделала то же самое.
Вскоре после этого Харальд Вайнфуртер (Harald Как приручить квантовое перепутывание
Weinfurter) и его группа из Мюнхенского универ-
ситета им. Людвига и Максимилиана использова- Эти эксперименты заставили нас прийти к выво-
ли атомы рубидия, разнесенные на 400 м в схеме, ду, что любая модель локальных скрытых параме-
аналогичной схеме группы Хансона (результаты тров, в том чис ле и та, в пользу которой выст у па л
были опубликованы в 2017 г.). Эйнштейн, несовместима с природой. Корреляция
между частицами, которую мы наблюдали, проти-
Обе научные группы, НИСТ и венская, квантово воречит нашей интуиции, демонстрируя, что при-
перепутали состояния поляризации двух фотонов, зрач ное да л ьнодейс твие дейс твите л ьно и мее т ме-
используя мощные лазеры для возбуждения специ- сто.
альных кристаллических материалов. Очень ред-
ко, примерно один из миллиарда фотонов лазер- Наши результаты также указывают на удиви-
ного излучения, попадающих на кристалл, испы- тельную силу, которой обладает квантовая пере-
тывает трансформацию и расщепляется на пару путанность и которую мы, вероятно, когда-ни-
дочерних фотонов, чьи состояния поляризации будь сможем использовать. B ближайшее время

132 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Квантовая физика

н аиболее перспективная область, где могут быть На более обобщенном уровне методы, разрабо-
использованы тесты Белла с закрытыми наглухо танные для лишенной лазеек схемы установки
лазейками, — это генерирование случайных по- Белла, возможно, позволят создать фундаменталь-
с ледовательностей. Сл у ча йные чис ла — критиче- но новые типы коммуникационных сетей. Такие
ски важный ресурс во множестве криптографиче- сети, часто называемые квантовым интернетом,
ских методов и технических средств обеспечения смогут выполнять задачи, которые не под силу
безопасности. Если вы можете предсказать сле- классическим информационным сетям. Кванто-
дующее число, которое выдает генератор случай- вый интернет, вероятно, позволит обеспечить без-
ных чисел, вы можете незаконно получить доступ опасную связь, синхронизацию часов, создать сеть
к множеству финансовых и коммуникационных ква нтовы х датчиков, а та кже обеспечить безопас-
систем. Поэтому хороший источник случайных ный доступ к удаленным квантовым компьютерам
ч исе л, которые невозмож но п редсказать, ж изнен- в облаке. Другая цель — «независимые от устройств
но необходим. Два наиболее распространенных системы криптографии», в которых (в близкой ана-
способа генерации случайных чисел — с помощью логии к трансляции случайных сигналов) поль-
математических алгоритмов или с использовани- зователь сможет подтвердить надежность обще-
ем физических процессов. С помощью математиче- го ключа, проверив соответствие его критериям,
ского а лгоритма, ес ли вы знаете ус ловия, исполь- устанавливаемым неравенствами Белла.
зуемые в качестве «порождающего элемента», вы
часто можете строго предсказать данные на выхо- Опорная сеть будущего квантового интернета
де. При использовании физического процесса тре- будет сформирована на основе связей квантово-
буется детальное понимание физического явле- го перепутывания, в точности так же, как в схе-
ния, лежащего в его основе. Упустите даже един- ме установки для проверки неравенств Белла с по-
ственную деталь — и хакер сможет использовать мощью центров дефектов в кристалле алмаза,
случайность или управлять ею. История крипто- удерживаемых атомов и фотонов. В 2017 г. наша
графи и пол на п ри меров, когда оба ти па генерато- группа в Делфте продемонстрировала метод, по-
ров случайных чисел успешно взламывались. зволяющий многократно повысить качество пере-
путывания спинов удаленных частиц, а в 2018 г.
Впрочем, квантовая механика приготовила нам мы повысили скорость квантового перепутыва-
подарок. Можно «извлечь» случайность, присущую ния на три порядка величин. Основываясь на этом
по своей внутренней природе квантовым процес- прогрессе, ученые работают над первой рудимен-
сам, чтобы получить действительно случайную тарной версией квантового интернета, который
последовательность. Корреляцию, измеренную по плану должен быть реализован между несколь-
в опыте Белла, в котором отсутствовали какие- к и м и города м и в Н и дерла н да х в 2020 г.
либо лазейки, можно преобразовать в достоверно
случайную последовательность. Примечательно, Когда 80 лет назад создавалась квантовая тео-
что потенциальному хакеру можно даже передать рия, скептиков раздражали ее очевидные проти-
управление частью экспериментальной установки воречия с выработанной на протяжении веков фи-
(которая генерирует квантово перепутанные фото- зической интуицией; сегодня четыре эксперимен-
ны). Даже в этом экстремальном случае можно ге- та нанесли окончательный удар по этой интуиции.
нерировать числа, которые случайны настолько, В то же время эти результаты открыли дверь для
насколько это позволяет природа. В начале 2018 г. такого использования природы, которое ни Эйн-
наша группа в НИСТ смогла использовать нашу штейн, ни Белл не могли даже представить. Тихая
лишенную лазеек схему установки Белла, чтобы революция, начало которой положил Джон Белл,
получить 1024 действительно случайных битов сегодня в полном разгаре.
из экспериментальных данных десятиминутно-
го сеанса. Было признано, что эти биты случай- Перевод: А.П. Кузнецов
ны, с точностью не хуже, чем одна триллионная.
Для сравнения: обычному генератору случайных ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
чисел потребовалось бы несколько сотен тысяч
лет, чтобы получить достаточно данных для непо- Малдасена Х. Черные дыры, кротовые норы и секреты
средственного измерения качества их случайно-
сти до такого уровня. Сейчас мы работаем над тем, к в а н т ов ог о п р о с т р а нс т в а-вр емен и // ВМ Н, № 1–2, 2 017.
чтобы вк л юч ить на ш генератор с л у ча й н ы х ч исе л
в трансляцию для общего пользования. Этот ин- Loophole-Free Bell Inequality Violation Using Electron Spins Sep-
струмент мог бы работать в качестве источника
случайных чисел с привязкой по времени, переда- a r ated by 1.3 K i lomet res. B. Hensen et a l. i n Nat u re, Vol. 526; pa ges
вая их по интернету с заданными интервалами,
и использоваться в целях обеспечения безопасно- 682 – 686; October 29, 2015.
сти всем, кому это необходимо.
Si g n i f ic a nt-L o ophole-F re e Test of B el l’s T he orem w it h Ent a n g le d

Photons. Marissa Giustina et al. in Physical Review Letters, Vol. 115,

A r t icle No. 25 0 4 01. О п у бл и к ов а но он л а й н 16.12.2015.

Strong Loophole-Free Test of Local Realism. Lynden K. Shalm

et al. in Physical Review Letters, Vol. 115, Article No. 250402.

О п у бл и к ов а но он л а й н 16.12.2015.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 133

Лагуна-дель-Мауле в Чили состоит из кольца
риолитов (в центре), выброшенных во время
извержений древних вулканов

134 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

СКРЫАТЫЙ
ГЕОЛОГИЯ

Под Чили, возможно, зреет
супервулкан с холодным
нутром, что в корне
меняет представление
о механизмах запуска
сильных извержений

Шэннон Холл

Вертолет Airbus забарахлил ANGIE DIEFENBACH U.S. Geological Survey

w w w.sci-r u.org в ледяном воздухе на высоте сотен
метров над чилийскими Андами.
Каждый раз, когда он кренится
на повороте, он ныряет на 20 м
вниз — и зазубрины горных вершин,
кажется, врежутся в борт вертолета
Брэда Сингера (Brad Singer) и войдут
сквозь зияющую дыру, где снята дверь
для удобства фотографирования.
Сотрясения и прямая дорога на землю
не придают уверенности Сингеру,
геологу, привыкшему к ровным
площадкам вокруг Висконсинского
университета в Мадисоне, хотя
он и пристегнут. «Как будто ты
на больших американских горках», —
так он вспоминает об этом.

[01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 135

Геология

ОБ АВТОРЕ

Шэннон Холл (Shannon Hall) — удостоенная награды научная
журналистка, проживающая в Скалистых горах. Основные
темы — астрономия, геология, окружающая среда.

Однако внушающая бла- Лон г-Ва л л и в К а л ифорн и и, где в доба влен ие к вы-
бросам того, что Сингер называет «обычными
гоговейный ужас кар- взрывами», громадный вулкан вырвал в земле
углубление величиной в 500 км2 приблизительно
ДЫ Н тина, лежащая дале- 765 тыс. лет назад. Такое геологическое сходство,
А ко внизу и напомина- да еще жуткое вздутие земли в районе Лагуна-
дель-Мауле, начавшееся десять лет назад или око-
ющая об обширной ло того, дает основание предположить, что дан-
ный район может стать следующим супервулка-
ЧИЛИ вулканической дея- ном в мире.
Лагуна-
дель-Мауле тельности, отвлека- Супервулканы обладают одними из самых раз-
ет его от опасности ру шительны х си л на на шей п ла нете. Во время и х
падения. Однажды эксплозии как минимум 1 тыс. км3 твердых по-
род и пепла вырывается наружу единовременно,
Сингер и его колле- то есть выбрасывается в 2,5 тыс. раз больше ма-
териала, чем при грандиозном извержении стра-
АРГЕНТИНА ги летели над потоком товулкана Сент-Хеленс в 1980 г. Из карт магма-
тического очага Лагуна-дель-Мауле недавно ста-
бледно-розовой лавы, ло известно, что он достаточно вырос, чтобы при
случае сразу выбросить такую массу в воздух.
разливавшейся на 20 км2 Хотя Ла г у на-дель-Мауле вып ускае т пар пос тепен-
но, в ходе небольших извержений, но выглядит это
застывшего ландшафта. как модель древних гигантов.

Здесь легко могли бы разме- Надо отметить еще одну важную особенность,
которая отсутствовала у других известных супер-
ститься 25 вершинных крате- вулканов: формирование происходит на наших
глазах. До нынешнего дня все, что геологи знали
ров, как Килауэа. И это была толь- о подобных «мастодонтах», было результатом ана-
литической работы над образцами, которые тща-
ко часть того, что геолог приехал уви- тельно отбирались по крупицам из древних гор-
ных пород, отложений пепла и других остатков,
деть. В этом вулканическом районе, называемом а потом проводилась реконструкция несколь-
ких аспектов извержения. Но Лагуна-дель-Мауле
Лагуна-дель-Мауле, можно наблюдать 50 лавовых

потоков и 70 отложений пепла вокруг 54-киломе-

трового льдисто-голубого озера. Сингер отмечает,

что только сверху можно по-настоящему осознать

гигантские размеры этого региона, а он исследу-

ет его последние 20 лет. Только так можно понять,

что Ла г у на-дель-Мауле содержит са м у ю больш у ю

в мире коллекцию недавно излившихся риолитов,

которые в расплавленном виде могут быть особен-

но взрывными и опасными.

Геологи считают, что эти потоки и отложения

созданы 25–30 различными вулканами в течение

пос ледни х 20 тыс. лет. И эти па мятные черты вы-

глядят устрашающе, как и место под названием

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Map by Mapping Specialists

Мощные разрушительные силы затаились в супервулканах, чьи извержения столь грандиозны, что могут пере-
кроить континенты.

Высоко в Андах, в районе Лагуна-дель-Мауле, вызревает вулканическая система, которая может достичь разме-
ров супервулкана на наших глазах. Магматический очаг здесь уже достаточно велик, а следы прошлых извержений
говорят о большой мощности.

Как ни удивительно, эксплозия подобных гигантов происходит в условиях не перегретых расплавов горных по-
род, а практически твердых масс. Ученые заняты исследованиями пусковых механизмов, которые могут сработать
в течение десятилетий.

136 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Геология

Как извергаются супервулканы

Самые большие вулканы планеты не подпитываются постоянно бурлящим очагом магмы. Согласно последним исследовани-
ям, их основание сложено относительно холодными, почти твердыми горными породами. Теоретически выделены два раз-
личных источника пусковых механизмов, которые могли бы быстро разогреть породы до уровня эксплозии.

Восходящий мантийный плюм Бурлящие пузырьки

1 Некоторые супервулканы, например Йеллоустонский, располо- 1 Вулканические зоны лежат поверх двух сталкивающихся
жены над поднимающимся горячим мантийным потоком. Ближе литосферных плит, где в глубине Земли образуется рас-
к поверхности Земли находится очаг прохладнее, главным образом каленная магма. Вверху очаг с кристаллическим кашеобразным
кристаллический, с небольшим количеством горячего жидкого веществом — вязким расплавом риолитов — ждет своего часа.
вещества.

Прохлад- Прохлад-
ный магма- ный магма-
тический тический
очаг очаг
Жидкая
магма

Мантийный плюм Сдвигающаяся
океаническая плита

Преимущественно жидкая магма Кашеобразная смесь (95% —
Преимущественно кристаллы кристаллы, 5% — расплав
риолитов)

2 Расплавленный материал мантийной струи 2 Магма достигает очага, и кристаллы плавятся под воздей-
медленно движется наверх на протяжении со- ствием жара. Расплав поднимается в камере, освобождая
тен лет, подогревая очаг при контакте. летучую жидкость, состоящую главным образом из пузырьков
воды. Продолжительный нагрев и поднимающиеся пузырьки мо-
гут провоцировать выталкивание расплава риолитов, создавая
небольшие извержения.

Поднима-
ющиеся
риолиты

Интрудирующая магма Нагрев (красный) и всплытие
3 Разогретые кристаллы пузырьков (голубой)
3 Пузырьки собираются у верха очага, выталкивая все больше
быстро плавятся, вероятно, риолитов в тектонические трещины. Когда расплав достига-
в течение десятилетий, образуя ет вершины, его давление падает, а пузырьки быстро увеличи-
взрывчатую массу, которая про- ваются в объеме. Так может возникнуть большое извержение
рывается наружу гигантским вплоть до размеров супервулкана.
извержением.

50% массы
в жидком
состоянии

Illustration by Emily Cooper

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 137

Геология

п робуждается прямо сейчас, впервые открывая супервулкана могут дать о себе знать всему миру.
Несколько вулканов когда-то образовали столь гу-
живой взгляд на развитие катастрофы. «В истории стые завесы пепла, что, как ученые полагают, они
перекрыли солнечный свет и Земля погрузилась
человечества не представлялось случая воочию в вулканическую зиму.

понаблюдать за мощным извержением супервул- В новое врем я н и од и н из су первул к а нов не п ро-
являл активности. Но в 2008 г. Мэттью Прит-
канов», — говорит Сингер. (Перспектива подобного чард (Matthew Pritchard), геофизик из Корнелл-
ского университета, просматривая данные, полу-
испытания вызывает большую озабоченность со- ченные со спутника, заметил необычный сигнал,
идущий от чилийских Анд. На экране его компью-
тен тысяч жителей близлежащих городов. Извер- тера открылись необычные светящиеся кольца.
Структуры такого типа характеризуют любое из-
жение супервулкана не предвидится в скором вре- менение высотных отметок поверхности Земли.
Но кольца, подобные этим, как правило, распола-
мени, но правительственные учреждения Арген- гаются на вершине отдельного известного вулка-
на, а здесь эта структура распространялась по об-
тины и Чили пристально следят за этим регионом.) ширной территории в 400 км2, занятой холмами
и плато. Случилось что-то необычное. Просма-
Рассматрива я Ла г у на-дель-Мауле кру пным п ла- тривая ранние изображения, Притчард выяснил,
что поднятие, которое, должно быть, происходило
ном и учитывая знания о других, «старших» су- между 2004 и 2007 гг., имело скорость 20 см в год.
Это самая большая скорость изменения уровня
первул к а на х, у чен ые п ри ш л и к неож и да н ном у за- земной поверхности, когда-либо зарегистрирован-
ная в мире, и она в десять раз превышает усилен-
ключению: гигантские подземные вулканические ное поднятие в Йеллоустоне, которое наблюдалось
несколько раз за последние несколько лет (потом
очаги, подогревающие этих монстров, не пред- оно остановилось).

ставляют собой жаркие бассейны расплавленной Подвижки в Лагуна-дель-Мауле наряду с дан-
ными о районах вулканической активности спо-
лавы, согласно прежним научным взглядам. На- собствовали в последние годы организации ряда

п ро ти в, масса нас т ол ько п рох ла д на, чт о час т о на-

ходится в твердом состоянии. Данное представ-

ление ставит вулканологов перед новой загад-

кой: чтобы произошло извержение, твердая магма

должна расплавиться и подняться быстро, за пе-

риод около десятка лет, поэтому геологам предсто-

ит объяснить, как может произойти резкий пере-

ход состояния от холодного к перегретому.

Недавно Сингер и некоторые его коллеги наблю-

дали признаки того, как прохладный магматиче-

ский очаг, возможно, был атакован пузырьками го-

рячей воды снизу; наблюдая за другими вулкана-

ми, ученые нашли доказательства того, как магма

вырвалась из нижней, более раскаленной камеры

в верхнюю, что холоднее. Пока ученые ста-

раются собрать воедино все объяснения, на- 1
стоящие наблюдения в Лагуна-дель-Мауле,

вероятно, смогут пролить свет на крупней-

шие взрывы планеты.

NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS AND U.S./JAPAN ASTER SCIENCE TEAM Растущая мощность

Вырвавшиеся на свободу силы историче-
ских супервулканов были ошеломляющи
и неустойчивы. Так, например, приблизи-
тельно 631 тыс. лет назад, во время извер-
жения одного из них на территории нынеш-
него Йеллоустонского национального парка
в США, смертоносные волны горячего газа,
вулканических обломков, пепла и ядовитой
пыли накрыли всю поверхность и измени-
ли ландшафт. Изверженный материал за-
полнил все долины, и его горячие тяжелые
массы спеклись в крутые обрывы, достигшие
толщины 200 м, наблюдаемые сегодня. За-
тем небо потемнело от пепла, который вы-
пал на огромной полосе Северной Америки,
ос та лс я та к же с лой обломоч ной пород ы, об-
разовавшей треугольник, его стороны про-
тянулись от нынешней границы с Канадой
до Калифорнии и далее до Мексиканско-
го залива. Порой отголоски деятельности

138 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Геология

2

Черты вулканического ландшафта Лагуна-дель-Мауле видны на космическом снимке (1): растительность (красный) и по-
крытые снегом вершины гор (белый). Геологи устанавливают датчики около озера, чтобы определить поднятие земли (2).

BRAD S. SINGER University of Wisconsin–Madison экспед и ц и й с це л ью оп реде л ить, на са мом л и де ле к олебательных движений, проходящих по ним,
этот ра йон близок к извержениям, и ес ли это та к, а также изменений силы тяжести и электропрово-
то как велики они могут быть. В 2013 г. Сингер димости различных горных пород, — все указы-
приступил к выполнению пятилетнего проекта вает на то, что район расположен над бассейном
по изучению прошлого и настоящего состояния в 450 км3, содержащим взрывчатую риолитовую
данной системы. Работая с Национальной служ- магму. Сингер говорит, что если вся эта масса взле-
бой геологии и горного дела Республики Чили, он тит на возд у х, то она превратится в 1 тыс. км3 пеп-
со своими коллегами установил около 50 датчиков ла, обломков и лавы, что характеризует минималь-
на земле. Они запустили вертолеты над озером для ную силу извержения супервулкана.
сканирования земной поверхности. И, взяв в руки
лопаты и молотки, они отправились за образцами Магма несет опасность не только при одновре-
древних горных пород, которые затем могли бы ис- менном извержении всей массы. При задейство-
следовать в лаборатории. вании всего 10% от полного объема данных запа-
сов магмы мощность извержения будет в два раза
Все данные свидетельствовали, что под поверх- превышать Кракатау, который, не будучи супер-
ностью Земли назревает что-то очень большое. вулканом, унес жизни 36 тыс. людей в Индонезии
«Я не хочу быть паникером или кем-то вроде того, в 1883 г.
но все говорит о том, что происходит развитие
очень большого скопления магмы в недрах Лагуна- Холодный каменный убийца
дель-Мауле», — поясняет Джудит Файрстейн (Ju-
dith Fierstein), геолог Калифорнийской вулканиче- Одни ученые измеряют размеры Лагуна-дель-
ской обсерватории в Менло-Парке Геологической Мауле, а другие в это время более озабочены тем-
службы США. Данные о подземных структурах, пературным режимом. В классическом представ-
собранные по крупицам на основании изучения лении ма гма бу рлит в гл убине а ктивного вулка на
в жидком виде, а затем поднимается к поверхности

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 139

Геология

земной коры, как шарик в гелевом светильнике. ос таются таковыми до момента их излияния. Это

Однако в 2014 г. Адам Кент (Adam Kent) из Уни- значит, что горячая магма недолговечна, она ра-

верситета штата Оргон и Кари Купер (Kari Cooper) зогревается только непосредственно перед извер-

из Калифорнийского университета в Дейвисе сде- жением. Работа Купер с образцами из Таупо по-

лали потрясающее открытие, которое побудило казывает, что данные системы перешли в жидкое

многих из научного сообщества считать, что неко- состояние только за 40 лет до извержения. В Лонг-

торые вулканы на самом деле могут иметь холод- Велли разжижение продолжается от десятков

ную природу. до нескольких сотен лет. В Йеллоустоне оно проис-

Кент и Купер исследовали крошечные кристал- ходит лишь десятилетия. Купер говорит, что эти

лы, заключенные в изверженных горных породах, сроки могут сократиться до нескольких лет, ведь

которые были отобраны на вулкане Худ в Орего- ученые имеют склонность публиковать весьма

не. До того как эти кристаллы были извергнуты, осторожные, с большим запасом, оценки.

они росли в магматическом очаге, наращивая слой Что можно сказать о Лагуна-дель-Мауле? Ско-

за слоем, во многом напоминая рост годичных ко- рее всего, это крупное магматическое тело из ка-

лец дерева, при этом фиксируя всю историю из- шеобразной кристаллической массы. Сингер

менений магмы, в том числе ее состав, давление и его коллеги утверждают, что на 95% оно состо-

и температуру. Кристал- ит из кристаллов и толь-

лы, привезенные с вул- Cупервулканы имеют ко 5% занимает расплав.
кана Худ, например, по- обыкновение быть Кашеобразная масса от-
казали, что магма в тече- холодными — и они носительно прохладная —
ние 99% времени своего около 800° C; лава, низ-
образования находилась вергавшаяся каскадом

при температуре, недо- по склонам вулкана Ки-
лауэа на острове Гавайи
остаются таковымистаточной для излияния.
На самом деле она была
этим летом, была, напри-
до момента ихне жидкой, а кашеобраз- мер, около 1200° C, то есть
излияния. Это значит,ной, представляла собой на 50% горячее. Результа-

сеть кристаллов с жидко- ты исследований подкре-
пляют мнение, что хлад-
что горячая магмастью между ними. Кент
поясняет: «Ну, знаете, как
нокровные гиганты могут
недолговечна, онаарахисовое масло — когда проснуться в одночасье.
разогревается тольковы вынимаете его из хо- Натан Андерсен (Nathan

лодильника и пытаетесь Andersen), геолог Орегон-
ского университета, ис-
непосредственно переднамазать, а оно слишком
твердое». следовавший мелкие кри-
с та л л ы, вк л ючен н ые
извержениемЭти выводы застави-

ли ученых задумать- в лаву потоков Лагуна-

ся, а не относится ли это к другим вулканам. дель-Мауле, обнаружил, что в магме они пробыли

По-видимому, следует ожидать положительно- только от 10 до 100 лет.

го ответа. В 2007 г. Купер и ее коллеги провели Пробуждение гиганта

аналогичные анализы кристаллов, извержен-

ных в Новой Зеландии в вулканической зоне Та- Однако при взгляде на эту картину напрашива-

упо, расположенной в центре острова Северного, ется вопрос: как эти замороженные системы рас-

где известны несколько извержений супервулка- плавляются и мобилизуются столь быстро? В Йел-

нов. Ученые сделали вывод, что эти кристаллы лоустоне последнее крупное извержение супервул-

б льшую часть времени своего формирования на- кана случилось, когда жидкая магма поднялась

ходились в условиях прохладной твердой магмы. из недр Земли и ударила наверху в отвердевший

В конце 2017 г. Сингер и его коллеги проанализи- очаг, по утверждению Кристи Тилл (Christy Till),

ровали вулканические обломки, собранные на су- геолога из Университета штата Аризона. Ее мо-

первулкане Лонг-Валли, и пришли к тем же ре- дель представлена в общих чертах, ведь ни один

зультатам. В магматическом очаге в Йеллоустоне ученый не снимал точных измерений в то время,

также содержится прохладная кристаллическая но из анализа вулканических обломков следует,

смесь. что поднимающаяся жидкая магма смешивалась

Хотя Кент и Купер нашли признаки пребыва- с затвердевшей, расплавляя кристаллы. При этом

ния магмы при немного большей температуре нагревалась вся вулканическая камера, и добав-

в нескольких местах Северной и Южной Америк, ленный объем жидкого расплава поднимал дав-

напрашивается вывод, что в целом супервулка- ление, пока не происходило само излияние на по-

ны имеют обыкновение быть холодными — и они верхность.

140 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Геология

Однако надо отметить, что в Чили все может настолько, чтобы самостоятельно произошел ги-
происходить по-другому. Тилл поясняет: «Не суще- гантский выброс, для этого понадобится помощь
с твуе т ед и ной моде л и д л я всех вул к а нов». Йе л лоу- местного землетрясения. Команда Сингера в на-
стон, например, находится на вершине мантийной стоящее время пытается определить возможные
струи, а Лагуна-дель-Мауле и Лонг-Валли — нет. источники такого дополнительного «пускового
В этих местах одна литосферная плита погружает- устройства».
ся под другую, расплавляя породы и превращая их
в магму по мере воздействия. Как объясняет Ан- Даже при условии, что в районе Лагуна-дель-
дерсен, это создает различные условия возникно- Мауле имела бы место серия небольши х изверже-
вения извержений: бывает, что нагревается толь- ний, а следы их работы в прошлом запечатлены
ко часть содержимого вулканического очага и про- в покровах лавы и пепла, последствия все же могут
исходит интенсивное бурление пузырьков. отразиться на всей Южной Америке. Пепел может
задерживать воздушные потоки в данном регионе
Когда Андерсен изучал кристаллы изверженных и, возможно, целые годы пагубно воздействовать
в прошлом пород, собранные в Лагуна-дель-Мауле, на сельское хозяйство в Аргентине (где он, скорее
он выяснил, что базальтовая магма, зарождающа- всего, и осядет ввиду преобладания восточных ве-
яся глубже, не полностью пронизывает вулкани- тров). Кроме того, принесенный пепел грозит выве-
ческую систему. Магма такого типа застряла в ос- с ти из с троя да мбу бл из рек и Мауле, вызва в к ата-
новании верхней камеры Лагуна-дель-Мауле, пре- строфические паводки, которые могли бы ударить
имущественно заполненной риолитами. Эти два по городу Талька, расположенному в долине реки,
типа горных пород никогда не смешивались. Ба- население которого насчитывает более 200 тыс.
за льтова я ма гма ох ла ждаетс я при оста новке, вы- человек.
деляя теп ло, ид у щее на верх. При этом выделяют-
ся также легко испаряющиеся пузырьки водяного Команда Сингера сняла свои полевые датчики,
пара. Как только тепло и пузырьки начинают под- но ученые из Чили и Аргентины приняли эстафе-
ниматься, они расплавляют некоторые из сосед- ту, установив новые измерительные приборы для
них кристаллов, создавая струи, полные пузырь- наблюдений над озером. В настоящее время в дан-
ков, устремляющиеся к вершине очага. На этом ном регионе продолжаются подъемы на воздуш-
этапе нагнетается столь большое давление, что ном шаре к облакам, что представляется менее
струи прорываются сквозь твердую поверхность опасным. Но если на озере будут в дальнейшем за-
очага. мечены тревожные знаки, исследователи тотчас
же смогут точно предсказать следующее извер-
Такое положение дел беспокоит Сингера. Если жение, поскольку сейчас они имеют возможность
неустойчивые потоки пузырьков постоянно под- лучше рассмотреть ту искру, что способна разбу-
н и ма ю тс я в нед ра х Ла г у на-де л ь-Мауле, то д л я н и х дить холодного зверя.
нет выхода. Вокруг горного озера не наблюдается
никаких характерных элементов гидротермаль- Перевод: В.И. Сидорова
ной деятельности, как, например, вроде гейзера
Старый Сл у жа ка и ли фу марол, горячи х источни- ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
ков, активных участков жерл. Сингер беспокоится:
«По-моему, все это говорит о потенциально боль- Биндеман И. Тайная жизнь супервулканов // ВМН, № 10,
шей опасности района Лагуна-дель-Мауле по срав- 2006.
нению с другими системами». Если некоторая
часть газов имела бы возможность утечь, то рост Rapid Remobilization of Magmatic Crystals Kept in Cold Stor-
очага мог бы замедлиться. Сингер продолжает: age. Kari M. Cooper and Adam J.R. Kent in Nature, Vol. 506, pages
«Но так как этот магматический бассейн заключен 4 8 0 – 4 83; Febr ua r y 27, 2014.
внизу и созревает при определенной температуре,
в этих условиях, вероятно, система способна очень Rapid Cooling and Cold Storage in a Silicic Magma Reservoir Re-
сильно вырасти, как в Йеллоустоне перед послед- corded in Individual Crystals. Allison E. Rubin et al. in Science,
ним кру пным извержением. Это может оказатьс я Vol. 356, pa ges 115 4 –1156; Ju ne 16, 2017.
переломным моментом. И это станет извержением,
какого люди еще никогда не видели». Incremental Heating of Bishop Tuff Sanidine Reveals Preerup-
tive Radiogenic Ar and Rapid Remobilization from Cold Storage.
Итак, хотя магматический бассейн под Лагуна- Nat h a n L . A nder sen et a l. i n P ro ce e d i n gs of t he Nat ion a l A c ademy
дель-Мауле едва достигает размеров, присущих of Scien ces USA, Vol. 114, No. 47, pages 12, 407–12, 412; Novem-
супервулканам, но он может даже их превысить ber 21, 2017.
за ближайшие столетия. Сегодня опасения Син-
гера больше имеют гипотетический характер — Petrochronologic Perspective on Rhyolite Volcano Unrest at La-
и механизм извержения тоже. Вполне вероятно, g u na del Mau le, Ch i le. Nat ha n L . A ndersen et a l. i n Ea r t h a nd Pla n-
например, что поднимающийся расплав, насы- et a r y S cience L et ters, Vol. 493, pa ges 57–70; Ju ly 1, 2018.
щенный пузырьками, не сможет усилить д авление

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 141

Photographs by Ethan Hill МЕДИЦИНА

ПУТЬ
ИЗ

МИРА
БЕЗМО ВИЯ

Достигнут долгожданный прогресс
в лечении глухоты с помощью
генной инженерии

Дина Файн Марон

142 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Медицина

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 143

Медицина

ОБ АВТОРЕ

Дина Файн Марон (Dina Fine Maron) — бывший заместитель
редактора Scientific American. В настоящее время работает
репортером в журнале National Geographic.

анна Кордерман (Hannah Corderman) изо всех сил ста-
рается заполнить пробелы в своем восприятии окру-
жающего мира, но пока они только увеличиваются.
Она не всегда слышит собеседника и просто кивает
или улыбается в ответ, когда ей кажется это уместным.
Улавливать отдельные слова становится все труднее,
несмотря на то что усилитель громкости звука в ее
устройстве выставлен на максимум. «Многое из того, что мне говорят, я совсем
не слышу, — сетует она. — Но я стараюсь хотя бы домыслить».

Домысливать тоже становится все труднее. через дес ять, а ес л и повезе т — через 20 ле т
Ханна страдает наследственным заболева- она полностью оглохнет и ослепнет.
нием под названием «синдром Ашера», ко-
торый проявляется медленной, но неуклон- Ребенком Ханна просто слышала чуть
ной утратой двух основных чувств. Причи- хуже других. Но однажды летом, уже будучи
на тому — мутация, выводящая из строя с т уденткой, она, гл я д я раз за разом на ноч-
белки структур внутреннего уха и сетчат- ное небо из окна своего дома в Нидеме, штат
ки, которые отвечают за восприятие звука Массачусетс, видела все меньше звезд —
и света. На раннем этапе ухудшения слу- и подумала, что их закрывают облака.
ха еще в подростковом возрасте Ханна на- Но звезды продолжали исчезать, и Ханна
чала терять зрение и вынуждена была от- обратилась к врачу. Диагноз был ужасаю-
казаться от вождения автомобиля в темное щий: синдром Ашера тип 2А, утрата зрения
время суток. Недавно этот процесс ускорил- и слуха, развивающаяся в течение многих
ся. Сегодня, в свои 24 года, она плохо видит лет. Она приняла эту весть спокойно — и ре-
уже и днем. Никакие имеющиеся в распо- шила, что ее жизнь будет продолжаться. Се-
ря жен и и врачей средс т ва не позвол я ю т за- годня, спустя семь лет после постановки ди-
медлить процесс, и девушка осознает, что агноза, она окончила колледж и занимается
маркетингом в семейной конструкторской

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Глухота — один из самых распространенных врожденных дефектов. Среди немногих способов избавления от нее —
генная терапия, прошедшая проверку в опытах на животных.

Безопасность и эффективность этого метода доказаны в ходе лечения больных с некоторыми другими патологиями
и сегодня апробируются в клинике для борьбы с потерей слуха.

Один из многообещающих подходов состоит во введении во внутреннее ухо частиц, несущих нормальную копию
дефектного гена, ответственного за патологию. Манипуляции, проведенные на лабораторных мышах, привели в ряде
случаев к почти полному восстановлению слуха у подопытных животных.

144 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Медицина

ком па н и и, борясь изо всех си л со свои м не- Ханна Кордерман живет с синдромом Ашера с рождения. Ее слух
дугом, которому, как она сама говорит, ее и зрение медленно, но неуклонно ухудшаются.
не сломить.
В качестве вектора для доставки в организм
Врачи ма ло что мог у т сделать в та кой си- нужного гена был использован один из ви-
туации. Иногда они имплантируют больно- русов, но его доза и иммунный ответ были
му кохлеарный аппарат, который возбужда- слишком высоки, что привело к аутоиммун-
ет слуховой нерв в обход волосковых клеток ной атаке на организм пациента и его ги-
внутреннего уха и дает хоть какие-то слу- бели. Трагедия охладила энтузиазм обще-
ховые ощущения, хотя и весьма притуплен- ственности, финансирование работ было
ные. Что касается глаз, то ретинальные урезано, а врачи в своем отношении к подоб-
электростимуляторы светочувствительных ным экспериментам стали крайне осмотри-
клеток применяются редко, поскольку полу- тельными.
чаемое изображение слишком далеко от ре-
альности. Впрочем, оставались энтузиасты, кото-
рые продолжали исследования, в основном
Нельзя сказать, что Кордерман неукосни- на изол и рова н н ы х к ле тк а х и лабораторн ы х
тельно следит за публикациями в научных животных, в надежде разработать мето-
журналах, но она знает об экспериментах ды тера пии, на целенной на та кие с ложные
на нескольких сотнях мышей в ряде лабо- заболевания, как остеоартрит, рак и диа-
раторий в Бостоне, не так далеко от ее дома. бет I типа. Они уменьшили дозу вирусных
Полученные в результате целенаправлен- препаратов, используемых в качестве век-
ного скрещивания грызуны страдали тем торов, чтобы не вызвать слишком сильный
же заболеванием, что и она, но ситуация иммунный ответ, а кроме того, отказались
с н и м и бы ла л у ч ше. Испол ьзуя ме тод ы ген-
ной терапии, биологи включили в их геном
сегменты ДНК, компенсирующие дисфунк-
цию дефектных генов, которые кодируют
аномальные белки. В прошлом году биолог
Гвенаэль Желеок (Gwena lle G l oc) с колле-
гами из Бостонской детской больницы со-
общили о беспрецедентном успехе в восста-
новлении слуха у таких мышей после инфу-
зии ДНК во внутреннее ухо. Примерно в это
же время группа ученых из Гарвардской ме-
дицинской школы достигла успехов — прав-
да, более скромных — в применении анало-
гичного подхода к лечению мышей с дру-
гим наследственным заболеванием. Третья
группа недавно использовала метод редак-
тирования генома для нокаутирования де-
фектного гена у грызунов с «синдромом Бет-
ховена», другой разновидностью прогрес-
сирующей глухоты. Все эти достижения
позволяют надеяться на то, что генетиче-
ски обусловленную глухоту — самую рас-
пространенную в США патологию из всех
болезней такого рода — можно вылечить
и даже предотвратить.

За помощью к вирусам

У генной терапии долгое, полное успехов
и неудач прошлое. В 1999 г. произошел наде-
лавший много шума трагический инцидент
с 18-летним пациентом по имени Джесси
Джелсинджер (Jesse Gelsinger), страдавшим
печеночной недостаточностью: он умер в ходе
одного из первых клинических испытаний
с использованием генной терапии, прово-
димых в Пенсильванском университете.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 145

Медицина

1 Генетики скон- Как восстановить слух
струировали
гены для введения Некоторые из наиболее распространенных причин по-
их в волосковые тери слуха в раннем детстве имеют генетическую при-
клетки внутрен- роду. За восприятие звуковых сигналов и передачу их
него уха, а также в головной мозг отвечают волосковые клетки во вну-
модифицировали треннем ухе, но в результате мутаций они утрачивают
один из векторов– эту способность. Опыты на лабораторных мышах при-
переносчиков этих вели к разработке метода замены поврежденных генов
генов — аденоассо- на интактные. Для этого последние включают в части-
циированный вирус. цы модифицированных аденоассоциированных вирусов
(AAV) и инъецируют их во внутреннее ухо. Проникнув
Аденоассоциированный Интактный ген в волосковые клетки, вирус высвобождает нормальные
вирус (AAV) гены во внутреннюю среду уха. Если этот подход проя-
вит себя хорошо в клинических испытаниях, его можно
2 Из вирусной будет использовать для устранения патологии при рож-
частицы удаляют дении ребенка.
гены, отвечающие
за ее инфекционность,
и заменяют их генами
волосковых клеток.

Внутренние Наружные
волосковые клетки волосковые клетки

Наружное Внутреннее ухо
ухо
Среднее ухо

3 Вирусную
частицу, не-
сущую интактные
гены волосковых
клеток, инъецируют
во внутреннее ухо.

4 AAV инфицирует Повреж-
два типа во- денные
лосковых клеток. Оба волоски
они существенны для Интактный ген
восприятия звука, Мутантный ген
и мутации в соот-
ветствующих генах
лишают их этой воз- Восста-
можности — полно- новленные
стью или частично. волоски
Интактный ген
Дефектные
волосковые клетки Функциональные
волосковые клетки
5 Белки — продукты встроенных Белки Illustration by Emily Cooper
генов — укрепляют поврежден-
ные волоски. Они становятся упруги-
ми и расположенными упорядоченно,
а не хаотически.

146 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019

Медицина

от аденовирусов в качестве векторов и пе- у Кордерман, болезнь прогрессирует медлен-

решли на вирусы других разновидностей. но, что позволяет устранить генетически об-

Особенно многообещающим представлялся условленное повреждение. Оно затрагивает

аденоассоциированный вирус (AAV ), оказы- волосковые клетки внутреннего уха — имен-

вающий мягкое воздействие на иммунную но они улавливают звуковые волны, прихо-

систему. В некоторых случаях векторные дящие извне, и передают соответствующие

вирусы предварительно упаковывали в жи- сигналы головному мозгу. У Кордерман в ре-

вые клетки и в таком виде вводили в орга- зультате мутации в специфическом гене во-

низм-мишень, что сужало поле их действия. лосковые клетки «ослаблены», а между тем

Главными в этой области исследований ста- эти клетки играют ключевую роль в воспри-

ли «подбор вектора, оптимального для дан- ятии звука. «Их можно уподобить системе

ного заболевания и мишени, а также его зажигания в двигателе автомобиля, — гово-

дозы», — говорит Синтия Данбар (Cynthia рит Дэвид Кори (David Corey) из Гарвардского

E. Dunbar) из Национальных институтов университета, который занимается восста-

здоровья, которая недавно занимала пост новлением слуха у лабораторных мышей. —

президента Американского общества ген- Без них услышать что-либо невозможно».

ной и клеточной терапии.

Все эти усовершенствования дали Один из основных критериев
результаты. Недавно Управление восстановления слуха
по санитарному надзору за каче- у мышей — их реакция на резкий
ством пищевых продуктов и ме-
дикаментов (FDA) США выдало не-

сколько разрешений на примене- неожиданный звук: они мгновенно
ние генной терапии в медицине, подпрыгивают на месте. Так
указывая тем самым, что время ре- ведут себя многие пролеченные
волюционного подхода наконец-то
пришло. В августе 2017 г. FDA дало

зеленый свет одной из разновидно-

животные, но не всестей генной терапии под названием

Kymriah, направленной на борьбу

со специфической формой лейкоза у детей, Генная терапия для этих клеток — воз-

а в декабре того же года одобрило примене- можность искоренить дефект, а не компен-

ние метода для лечения людей с редкой на- сировать его с помощью высокотехнологич-

следственной формой слепоты. Фармацев- ных устройств. «Достигнутый в последние

тические компании и венчурные инвесторы годы прогресс — важный многообещающий

вкладывают в разработки методов генной шаг в борьбе с глухотой», — говорит Теодор

терапии огромные средства. На состояв- Фридманн (Theodore Friedmann) из Кали-

шейся в 2018 г. ежегодной конференции форнийского университета в Сан-Диего, ко-

Американского общества генной и клеточ- торый сам не принимал участия в соответ-

ной терапии присутствовало 3,4 тыс. чело- ствующих разработках. Конечно, мышь —

век; пять лет назад число участников было не человек, и переносить полученные

всего 1,2 тыс. на грызунах результаты на Homo sapiens не-

Сегодня в центре внимания специалистов корректно. Но они приоткрывают дверь к по-

находится лечение больных с потерей слуха, следующему совершенствованию методов

которая часто имеет наследственную при- борьбы с потерей слуха с помощью генетики.

роду. Среди обычных людей бытует мнение, Стройные ряды
что глухота развивается с возрастом или

становится следствием травмы; на самом Однажды в 2017 г. я наблюдала, как аспи-

деле это один из самых распространенных рант Кори Бенсе Дьердь (Bence Gy rgy)

врожденных дефектов: он встречается у трех из Гарвардского университета «проскаль-

из 1 тыс. новорожденных. Более чем в поло- зывает» в эту дверь. Он склонился над ле-

вине случаев причина кроется в генетиче- жащей на лабораторном столе мышью, ге-

ских аберрациях; это относится и к синдро- ном которой содержал гены дефектных во-

му Ашера. Таким пациентам генная терапия лосковых клеток. Мышь находилась под

показана в первую очередь, поскольку за па- наркозом, и Дьердь сделал крошечный над-

тологию отвечает мутация в единственном рез на коже за ухом животного. Раздвигая

гене и, идентифицировав ее, вы сразу по- тончайшие слои тканей, он добрался до ма-

лучаете диагноз. В некоторых случаях, как ленького участка среднего уха — мембраны

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 147

Медицина

Используя вирусы для доставки функциональных генов во внутреннее ухо глухих мышей, Гвенаэль Желеок и Джеффри
Холт из Бостонской детской больницы восстанавливают слух у подопытных животных

окна улитки, — открывающего доступ к вну- Методом проб и ошибок и путем пере-
треннему уху, и с помощью тонкой иглы на- стройки некоторых вирусных генов биоло-
чал медленно вводить в него розоватый ги нашли несколько штаммов AAV, которые
раствор, содержащий примерно 200 млрд справляются с обеими задачами. Они видо-
частиц вируса AAV, каждая из которых со- изменили поверхностные вирусные белки,
держала нормальную копию гена, опосреду- принимающие участие в связывании с ми-
ющего восприятие звука. шен ью; в резул ьтат е ви русн ые час ти ц ы без
труда распознавали молекулы волосковых
Использование вирусов, например AAV, клеток обоих типов и вирус проникал в по-
для транспортировки столь драгоценного следние. В статье, опубликованной Дьердем
груза повышает шансы генов прибыть к ме- с коллегами в 2017 г., сообщалось, что авто-
сту назначения во внутреннем ухе. Выяс- ры сконструировали особым образом моди-
нилось, однако, что не любой штамм AAV фи ц и рова н н ые A AV, дос ти га вш ие це л и, ко-
подходит для этой цели. Отличительная торые опосредовали образование упругих
особенность оптимального AAV как векто- функциональных волосков у мышей с гене-
ра заключается в его способности инфици- тически обусловленной глухотой. Другая
ровать волосковые клетки не одного, а двух группа исследователей использовала AAV
типов. Другие его штаммы доставляют для доставки полноценных копий ДНК в во-
ДНК во внутренние ряды волосковых кле- лосковые к ле тк и, с ход н ые с та ковы м и у ма-
ток, которые общаются с нервными клетка- леньких детей.
ми, но не годятся для инфицирования на-
ружных рядов, которые в первую очередь Однако доставка генетического материа-
опосредуют усиление звука. «Для полного ла — это тол ько час ть тера п и и. Ну ж но сна-
восстановления чувствительности вектор чала идентифицировать мутации, отвеча-
должен быть одинаково хорош для клеток ющие за дефект. Работы по и х поиск у нача-
обоих типов», — говорит Кори, участвовав- лись в 1990-х гг. с выявления семей, члены
ш и й в реша ющ и х экспери мента х по восс та- которых страдали потерей слуха и зрения,
новлению функций волосковых клеток. сходной с синдромом Ашера, и сравнения

148 В мире науkи | [01/02] январь/февраль 2019