В мире науки 2019-01-02

Новые технологии

п ользоваться — исследовать как человека, так модель объекта, но, к сожалению, заказчики

и промышленные объекты. С усложнением кон- не всегда готовы предоставить таковую. Мы реши-

струкций усложняются и методы их контроля. ли, что сами должны выходить из этой ситуации.

Один из последних трендов в этой области — ис- Нами были созданы системы, которые позволяют

пользование технологий аддитивного производ- в реальном масштабе времени отсканировать де-

ства для создания новых изделий. Внутренние таль (это происходит достаточно быстро за счет

структуры подобных объектов очень сложны, роботизированного манипулятора) и с высокой

и даже если их простучишь, ничего не поймешь. точностью измерить даже шероховатость поверх-

— Какие конкретно методы у вас сейчас раз- ности. Так мы создаем высокоточную трехмерную

виваются? модель. Это придает новый качественный уровень

— Мы продолжаем применять и развивать наши точности результатов, которые мы получаем. Ре-

бетатроны, в том числе для рентгенографии: зюмируя, можно сказать, что наша инженерная

с ними выезжают в поле для контроля трубопро- школа активно движется в направлении роботи-

водов, резервуаров и для строительства опасных зации и автоматизации методов неразрушающе-

промышленных объектов. Но самое важное — те- го контроля.

перь на основе бетатронов мы можем создавать то- — Вы еще ведете обучение специалистов

мографические системы. в этой области?

Сейчас наша инженерная школа выполняет про- — Да, мы учим студентов приборостроению,

ект по федеральной целевой программе совместно электронике, наноэлектронике и другим специаль-

с Томским электромеханическим заводом. Мы соз- ностям. В этом году у нас произведен первый набор

даем томографические Сегодня вычислительные
системы для контро-

ля запорных клапанов мощности позволяют производить
и арматуры газопрово- сложные вычисления
и визуализировать их результаты.
дов. Это толстостенные
большие объекты весом
до 10 т, где в том числе

участвует бетатрон. Оператор может их посмотреть
Помимо этого, актив-

но развиваются мето- в режиме реального времени
ды ультразвуковой то- и оперативно оценить целостность
мографии. В 2010 г.,

согласно Постановле- исследуемого объекта
нию Правительства РФ

№ 220, у нас была созда-

на Международная научно-образовательная лабо- на уникальную магистерскую программу «Томо-

ратория неразрушающего контроля под руковод- графия промышленных систем». Студенты работа-

ством профессора Михаэля Кренинга, которая ин- ют на самом современном оборудовании мирового

тенсивно развивается. класса и после окончания программы готовы пере-

Как отдельное серьезное направление можно нести свой опыт на промышленные предприятия.

отметить системы тепловизионного, или термо- Мы не только обучаем студентов, но также обеспе-

графического контроля. У нас работает профес- чиваем подготовку, переподготовку и аттестацию

сор В.П. Вавилов, имеющий мировое признание сотрудников предприятий, которые занимаются

в этой области. В тепловых методах используется дефектоскопией, и выдаем им разрешения на ра-

температурный контраст изделия и меряется ди- боту в этой профессиональной области.

намический процесс его нагрева либо остывания, — А что за новое направление по сварочным

после чего появляется информация о внутренних процессам?

дефектах. Группа В.П. Вавилова специализирует- — В 2019 г. в Инженерной школе неразруша-

ся на методах обработки и разработке программ- ющего контроля и безопасности открывается

ного обеспечения. В прошлом году он выполнил направление «Автоматизация сварочных про-

проект по созданию роботизированной системы цессов и производств». В нашем подразделении

тепловизионной томографии, и эта система сейчас исторически существовало направление обуче-

признана самой быстрой в мире, обеспечивая ско- ния сварочным технологиям. Разработчики си-

рость контроля до 20 м/мин. стем неразрушающего контроля работают в тес-

Еще одно развиваемое направление — оптиче- ном контакте со специалистами по сварке, так

ский контроль, то есть роботизированные методы как основной объект неразрушающего контро-

оптической топографии, или профилометрии. Для ля — сварные соединения, где необходимо иметь

томографии часто нужно получить трехмерную полное понимание технологических процессов

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 49

Новые технологии

соединения д еталей. О бщая стра- 1
тегия нашей школы — автомати-

зация и роботизация процессов

контроля качества — также кос-

н ул ась и под г о т овк и спец и а л ис т ов

по сварке. С 2019 г. школа будет го-

товить профессионалов автомати-

зации сварочных процессов и тех-

нологии. Но это не просто «смена

вывески» — есть значительный на-

учный задел в этой области. Не-

давно сотрудники закончили соз-

дание и внедрение в производство

робота — сварщика топливны х

элементов для атомных электро-

станций. На мировом уровне эта

работа уникальна и демонстриру-

ет высокий профессиона лизм кол-

лектива.

— Много ли у вас заказов для

контроля таких изделий?

— Да, немало. Буквально перед ва-

шим приходом пришел запрос на контроль метал- 1, 2. Роботизированная система ультразвуковой
томографии
лических балок, которые напечатаны аддитивным
должен сказать: вот эта несплошность критична,
методом. Мы это успешно осуществляем. Сегодня а эта нет. Поэтому наша задача — найти несплош-
ности, а потом, основываясь на нормативных до-
это очень больша я отрас ль, потом у что констру к- кументах и конструкторской документации, при-
нимают решение. Поскольку у нас сейчас вся про-
торы не имеют достаточно информации для пони- мышленность стремится перейти на современные
комплексы производства, то есть использовать
мания того, как у них эта балка спекается внутри, ч ис лен но-п рогра м м ное у п ра в лен ие в с та н к а х, ро-
ботизированные и максимально автономные ли-
а это крайне важно для отработки технологиче- нии, мы тоже встраиваемся и стараемся предло-
жить соответствующие решения. Это существенно
ского процесса. Такая задача тоже решается — по- повышает достоверность контроля, увеличива-
ет его скорость и повторяемость, что тоже нема-
мочь конструктору отработать технологический ловажно. Если раньше, например, мы снимали
на пленки, то сейчас переходим к тому, чтобы сни-
процесс. мать на цифровые панели, и это тоже большой шаг
вперед, потому что означает снижение стоимости
— То есть для вас важно не просто найти де- и повышение качества.

фект, но и помочь достичь технологического со- Но необходимо и внедрение возможностей ис-
пользования таких приемников на законодатель-
вершенства? ном уровне. Например, сейчас есть нормативные
документы для контроля сварных соединений тру-
— Да. Мы такую задачу решали, например, с Но- бопроводов с помощью цифровых панелей. Не все
отрас ли еще и х внедри ли, но я д у ма ю, что мы а к-
восибирском для отработки заготовок для зубных тивно идем по этому пути и придем в ближайшие
три-пять лет к тому, что все объекты станут кон-
керамических протезов. Они делали их в рамках тролировать с помощью цифровых детекторов. Эту
информацию проще хранить, быстрее получать,
импортозамещения, и мы проверяли партии кера- и это не приводит к возникновению химических
отходов, образующихся в процессе проявки, печа-
мических пластин, чтобы было ясно, какой способ ти и т.д.

прессования наиболее подходит, какие выбрать Западные компании также активно движутся
в этом направлении. Например, компания BMW
оптимальные температуры. Они прессовали пар-

тии по 20–30 штук с различными технологиче-

скими параметрами, потом мы это контролирова-

ли. Затем все это отправлялось в зуботехническую

лабораторию, вырезалось, спекалось, проверялась

уса дка, и за казчик сра внива л, насколько мы точ-

ны в контроле. В итоге мы добились приемлемого

качества.

— Насколько часто удается обнаружить вну-

тренний дефект, хотя внешне все выглядит це-

лостно?

— Очень часто, и это нормально.

— Дефекты — это нормально?

— Да. Во-первых, они могут образовываться с те-

чением времени. Во-вторых, я хочу подчеркнуть,

что не каждая найденная несплошность — это де-

фект. Дефект ли это, решает технолог, который

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

Новые технологии

внедрила томограф для автомобилей. Установле- — Последнее, что у нас появилось, — создание си-
ны роботизированные манипуляторы: один пе- стемы ультразвуковой томографии для термоядер-
реносит источник излучения, второй — это циф- ного реактора. Это реактор ITER, и от России в нем
ровой детектор. Они могут позиционироваться активно участвует Научно-исследовательский ин-
вокруг всех деталей автомобиля по заданной мо- ститут электрофизической аппаратуры (НИИЭФА)
де л и. Д у ма ю, м ы т оже к э т ом у п ри дем. К а к п роиз- им. Д.В. Ефремова. Он производит компоненты сте-
вод и т е л и и ра зрабо т ч и к и, м ы г о т овы к э т ом у у же нок дивертора, которые обеспечивают внутри удер-
сейчас. жание плазмы. Архисложная задача с точки зрения
материаловедения и производства. Это суперслож-
— Насколько уникальны для нашей страны ные сплавы, которые никто никогда не контролиро-
технологии, которыми вы владеете? вал. Но это нужно делать. И поэтому, как только мы
окунулись в эту область в 2014 г., мы нашли их как
— Это и дар, и проклятие. С одной стороны, мы своих заказчиков и партнеров. В сотрудничестве
можем делать действительно уникальные вещи. с немецкими коллегами мы создали для них робо-
И мы здесь, наверное, если не ключевой игрок, тизированный ультразвуковой томограф. Сейчас
то один из ключевых и точно единственный, кто выходим на новый уровень. В НИИЭФА расширяет-
может производить комбинации методов, потому ся производство, им нужно больше деталей, кото-
что обычно предприятие или институт специали- рые будут еще более сложной формы, значит, нуж-
зи руе т с я на од ном-д ву х ме т ода х. но ускорить контроль, улучшить качество контро-
ля. Нужно также получать CAD-модели объектов.
— А почему проклятие?
— Потому что мы должны постоянно находить Поэтому к 2020 г. в Н ИИЭФА будет
себе заказы. стоять новая система, которая нач-
нет осуществлять роботизирован-
— То есть заказчики за вами не гоняются? ный томографический ультразвуко-
— Крупные заказы — это всегда процесс долго- вой к онтроль.
го обсуждения и согласования, встраивание в пла-
ны инвестиционного развития, бюджетирова ние. Еще од и н кру п н ы й за к аз — с Том-
Мы выбрали для себя путь усложненного техно- ским электромеханическим заво-
логического развития, передовых решений. При дом для контроля запорной армату-
этом мы вместе с нашим заказчиком должны быть ры для «Силы Сибири». Это проект
в постоянном поиске источников финансирова- «Газпрома» по строительству гази-
ния, нахождения оптимального баланса стоимо- фикационной нитки, но, по сути, за-
сти и качества. Можно накрутить стоимость до не- дача универсальная. Это обеспече-
бес, но при этом качество тоже будет запредельное. ние контроля толстостенных литых
Но это ведь далеко не всегда нужно. Избыточное конструкций.
качество — тоже плохо.
— Расскажите о конкретных проектах — са- Здесь вот в чем особенность. Мы
мых интересных и сложных. готовы не только обеспечивать кон-
троль, но и увязать данные контро-
ля с данными, которые предостав-
ляют проектировщик и технолог.
То есть мы связываем все в одну ин-
теллектуальную систему производ-

2 ства. Мы перешли к автоматизиро-

ванным решениям по рентгеновской
томографии на основе бетатрона, потому что там
очень толстые стенки и обычные аппараты бессиль-
ны. Интересно также решение в области ультразву-
кового контроля. Так как объекты большие, с массой
до 10 т, стандартное решение, которое используется
для объектов сложной формы, — ультразвуковая им-
мерсионная ванна — здесь не подходит, потому что
это огромный расход воды и времени на контроль.

Мы здесь искали решение по снижению коли-
чества воды, которое используется для контроля,
либо по полной ее замене. И нашли способы, позво-
ляющие с помощью оригинального устройства, ко-
торое мы сделали, обеспечить качественный аку-
с ти ческ и й конта кт. На эт у огром н у ю поверх нос ть
нам хватает буквально литра воды.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 51

Новые технологии

— Почему? Разве у вас дефицит воды? — Уже есть опыт клинического применения?

— Дело в том, что мы контролируем не только ме- — У нас были опытные работы. В клини-

таллы. Композиционные материалы активно вхо- ке НИИ онкологии под руководством академи-

дят в нашу жизнь. А помимо того что они сложны ка Е.Л. Чойнзонова мы показали эффективность

по структуре, они еще и обычно активно напиты- этих методов. Е.Л. Чойнзонов популяризирует

ваются водой. Нельзя, скажем, деталь от вертоле- идею интраоперационной терапии в российской

та или самолета надолго опустить в воду. Но вы мо- онкологии. Сейчас мы подошли к тому состоянию,

жете ее смочить, более того, вы можете даже ис- когда готовы коллаборационно изготавливать та-

пользовать не воду, а какую-то легкоиспаряемую кую технику для нужд отечественного здравоох-

жидкость. Уверен, что это решение в дальнейшем ранения.

будет востребовано. Более того, у нас уже есть кон- А по поводу перспективных направлений сло-

такты с холдингом «Вертолеты России» в отноше- жилось понимание, что нам нужны скрининго-

нии проведения контроля узлов вертолета. Они вые системы для раннего обнаружения раковых

хотят у себя подбирать те перспективные мето- опухолей. Сейчас есть научные проекты в рамках

ды неразрушающего контроля, которые позволят программы повышения конкурентоспособности

обеспечить качество продукции для внутреннего ведущих исследовательских университетов, или

и внешнего рынков, сделать ее более конкуренто- программы 5–100, и один из таких проектов на-

способной, упрочить наши позиции. Надеюсь, это правлен на создание системы, которая в перспек-

сотрудничество мы будем успешно развивать. тиве может стать основой для малодозовой маммо-

Это не единственное наше решение в авиаци- графии. Мы уже обсуждали это с нашими онколо-

онной области. В прошлом году мы внедрили гами, интерес у них, безусловно, имеется.

на предприятии Объединенной двигателестрои- — В чем суть этой системы?

тельной корпорации первую в России ро-

ботизированную систему цифровой ра- Облучение во время
диографии, которая успешно прошла операции позволяет
апробацию. Все эти примеры внедрения заменить пятинедельный
в отрасли очень показательны. Они го-
ворят о том, что мы движемся в правиль-

ном направлении, и производители все курс радиационной
чаще вступают с нами в коллаборацию. терапии и в восемь-десять
У нас складываются отношения не типа раз снижает вероятность
«к лиент — производитель», а скорее пар-
тнерские. Только в совместной работе мы

можем прийти к искомому результату: локального рецидива
обеспечению качественной продукцией

и хорошему экспортному потенциалу.

— Вы упомянули о медицинском применении — Обычно при рентгеновском исследовании ис-

бетатрона. Можно ли рассказать об этом под- пользуется контраст поглощения. Мы же будем ис-

робнее? пользовать не только его, но и фазовый, и темно-

— Не буду останавливаться на тех областях, где польный контрасты, который мы внедряем в со-

мы делаем кардиографы, наноэлектроды и т.д., трудничестве с коллегами из Технологического

хотя это тоже перспективно. Скажу о применении института Карлсруэ (Германия). Наши сотрудни-

неразрушающего контроля. Первой и крупной раз- ки и аспиранты проходили там стажировку и при-

работкой в этой области были бетатроны для ин- везли идею по использованию двумерных дифрак-

траоперационной терапии. У нас сейчас ведут- ционных решеток для комплексного контраста.

ся переговоры с крупными компаниями (Rusatom В результате мы получаем сложные интерферен-

Healthcare, «Алмаз — Антей») по созданию произ- ционные картины, которые способны анализиро-

водственных линий для подобных комплексов и ос- вать и «вытаскивать» информацию о крайне ма-

нащению ими отечественных клиник. Итальян- лых объектах. Более того, мы рассчитываем, что

цы активно работают на линейных ускорителях предлагаемый подход позволит распознавать ха-

в тех же самых целях и получают очень хороший рактер образования: злокачественная или добро-

эффект, поскольку, оказывается, во время опера- качественная опухоль. На мой взгляд, это перспек-

ции облучение позволяет заменить пятинедель- тивная и заслуживающая развития область, ведь

ный курс радиационной терапии и в восемь-де- в этом секрет будущего долголетия — нашего и на-

сять раз снижает вероятность локального рециди- ших детей.

ва. Э то очен ь хороша я тех нологи я, п ри этом у нас Беседовала Наталия Лескова

она проще в обслуживании и дешевле: это полное

импортозамещение.

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



Микробиология

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

Партнерские Микробиология
связи в мире
МИКРОБИОЛОГИЯ
микробов
распространены

в природе

КОМАНДНЫЕРогир Браакман
и Джеффри Марлоу

Illustration by William B. Hand

ИГРОКИ
гораздо
w w w.sci-r u.org шире и более
значимы, чем мы
представляли

[01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 55

Микробиология

ОБ АВТОРАХ

Рогир Браакман (Rogier Braakman) — исследователь, работающий
в Массачусетском технологическом институте. Занимается изучением
эволюции метаболизма и обратных связей между живыми организмами
и окружающей средой.

Джеффри Марлоу (Jeffrey Marlow) — постдокторант Гарвардского
университета. Занимается исследованием метаболизма микро-
организмов в сложных системах.

од 800-метровой толщей воды у берегов Орегона носовые фары
подводного аппарата Alvin выхватывают из мрака разноцвет-
ный оазис — покрывающий дно плюшевый ковер из белых,
желтых, оранжевых микроорганизмов с вкраплениями из ко-
лоний моллюсков. Красный морской окунь с опаской рассма-
тривает аппарат своими выпуклыми молочно-белыми гла-
зами; из меловой скальной породы вырываются струйки пу-
зырьков газа. Луч света носового фонаря, как поводок, тянет
за собой аппарат, открывая все новые и новые фрагменты раз-
ноцветного ковра, кажущегося бесконечным.

Шел 2010 г. Один из нас (Джеффри Марлоу) вместе на то что на его долю в атмосфере приходится все- NERISSA ESCANLAR ( illustration reference for Braakman )
с двумя коллегами протиснулись внутрь титано- го 0,00018%, он отвечает за 20% суммарного повы-
вой сферы аппарата Alvin за несколько часов до на- шения ее температуры. По оценкам, каждый год
чала экспедиции. Прильнув к иллюминаторам, мы примерно 10% метана попадает в атмосферу из ис-
погружаемся все глубже и глубже. Наша цель — го- точников, расположенных на морском дне. Пото-
ристый участок Гидрат-Ридж, на котором из зем- ки метановых пузырьков могли бы привести к эко-
ной коры выделяется огромное количество мета- логической катастрофе, но что-то препятствует
на. С каждым годом ученые открывают все больше попаданию метана в атмосферу, и это «что-то» —
таких метановых источников (в ходе одной только специфические бактерии.
экспедиции 2016 г. в восточной части Тихого оке-
ана их обнаружено 450), и все актуальней стано- Они обитают на морском дне под слоями бак-
вится вопрос, касающийся их влияния на окру- терий белого цвета и осколками раковин моллю-
жа ющ у ю сред у. Ведь мета н относится к числ у га- сков, жадно поглощая метан. Их обширные коло-
зов, вызывающих тепличный эффект: несмотря н и и, где ба кт ериа л ьн ые час ти ц ы на ход ят с я в т ес-
ной связи друг с другом, видоизменяют ландшафт,

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Давно известно, что микроорганизмы сыграли ключевую роль в формировании биосферы Земли. Считалось, что
микробные сообщества ведут жесточайшую борьбу друг с другом за ресурсы.

Но недавно полученные данные о микроорганизмах, обитающих в грунтовых водах и океанах, показали, что мно-
гие из них на самом деле сотрудничают друг с другом.

Это наводит на мысль, что партнерские отношения между микроорганизмами — а не их изолированность —
послужили основой формирования того способа жизни, какой мы видим, и удивительной способности биосферы
порождать новые виды живых систем.

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

Загадочное Микробиология
исчезновение молекул
Скальная порода
В осадочных горных породах под морским Слой микроорганизмов
дном загадочным образом пропадают образуе- Осадочная порода
мые там молекулы метана и сульфатов. Уже дав-
SOURCES: “A MARINE MICROBIAL CONSORTIUM APPARENTLY MEDIATING ANAEROBIC OXIDATION OF METHANE,” BY ANTJE BOETIUS ET AL., IN NATURE, VOL. 407; OCTOBER 5, 2000; “SINGLE CELL ACTIVITY REVEALS DIRECT ELECTRON TRANSFER IN METHANOTROPHIC CONSORTIA,” но высказывалось мнение, что к этому исчезно-
BY SHAWN E. MCGLYNN ET AL., IN NATURE, VOL. 526; OCTOBER 22, 2015; “METHANE-DERIVED CARBONATES AND AUTHIGENIC PYRITE FROM THE NORTHWESTERN BLACK SEA,” BY J. PECKMANN ET AL., IN MARINE GEOLOGY, VOL. 177, NOS. 1–2; JUNE 30, 2001; Illustration by Tami Tolpa вению причастны микроорганизмы, но найти
тот их вид, который в одиночку поглощал бы
оба вещества, не удавалось. В конце концов вы-
яснилось, что участие в этом принимает не один
вид микробов, а два, работающих совместно.

Ионы водорода
4Н+

Сульфат Кислород
2(SO4)2- 4О2

Метан Сульфид Гидроксильные
СН4 2H2S ионы 2ОН-

Скопление ANME/SRB Диоксид Ион кальция Бисульфид
углерода Са2+ 2HS-
Бикарбонат
СО2 2HCO3- 3 Вода
2Н2О

Классический симбиоз Вода 4
Н2О
Метан — высокоэнергетическое соединение,
но его молекулы трудно расщепить и, соот- Карбонат Метан ANME SRB Сульфат
ветственно, трудно эту энергию высвободить. кальция 2СН4 2(SO4)2-
Однако есть микроорганизмы-метанотрофы
(ANME), которым это под силу. Они расщепля- СаСО3 1 8 электронов 2
ют молекулы метана, но высвобождаемые
Не в масштабе
при этом электроны 1 могут накапливаться,

замедляя метаболизм метанотрофов. К счастью,
соседствующие с ними сульфатредуцирующие
бактерии (SRB) поглощают избыток электронов

2 , используя их для превращения сульфатов

в сульфиды 3 и потребляя высвобождаемую
энергию. В итоге отщепляемый от молекул
метана углерод осаждается в составе карбоната
кальция 4 , образуя объемные холмы в месте
выхода метана.

образуют экосообщества и участвуют в измене- мы направились туда, в чернильную темноту мор-
нии климата. Их сила — в кооперации. Микробио- ски х гл убин, д ля того чтобы выяснить, насколько
логи знают о таких бактериях давно, но во многом широко распространен подобный образ жизни.
их образ жизни остается загадкой. Самое глав-
ное — мы не представляем себе, насколько сильно В мире микробов
их влияние на окружающую среду. Обитают они
лишь в немногих участках морского дна или рас- По сути дела наше путешествие, в ходе которо-
пространены повсеместно? И далее: их склонность го мы хотели собрать образцы микроорганизмов,
к кооперации — исключение в мире микробов или обитающих в морских глубинах, было логичным
обычное явление? Долгое время преобладало мне- шагом на пути к выяснению более глобальных
ние, что подобные микроорганизмы в большин- проблем: как химические элементы — углерод,
стве своем конкурируют за ресурсы. Но, может азот, фосфор — перемеща ютс я от одной экосисте-
быть, кол лекти вна я работа — на са мом де ле необ- мы к другой и каким образом парниковые газы
ходимая предпосылка их существования. В 2010 г. попадают в атмосферу. По существу, мы живем
в мире микробов: они есть везде — от горных п ород

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 57

Микробиология

г лубоко под дном океана до песчинок в пустыне, эволюционируют в сторону обмена энергией, гене-

поднимающихся высоко в воздух. И биологи давно тической информацией и метаболитами, открыва-

поняли, что микроорганизмы играют далеко не по- ются новые пути к трансформации живых систем

следнюю роль в распространении этих элементов и их распространению.

и химических соединений, делая нашу планету Игра в прятки

пригодной для жизни.

Но подход, используемый при изучении мира Вернемся к аппарату Alvin. Его рука-робот протал-

микробов, был такого свойства, что не давал воз- кивает прозрачную пластиковую пробирку откры-

можности выяснить природу этих процессов. Де- тым концом вниз в тонкий слой микробной массы.

сятилетиями микробиологи фокусировались Вначале процесс идет почти беспрепятственно, за-

на изучении отдельных микробных частиц и их тем проталкивать пробку становится все труднее,

компонентов. Из кишащей микробами среды она продвигается толчками, при очередном уси-

между частицами песка они выделяли единич- лии упирается в неподатливый слой грунта — и мы

ные микроорганизмы и исследовали их биохи- получаем цилиндрическую колонку из всех прой-

мию и генетику. Это позволило получить инфор- денных пробиркой слоев.

мацию о микроорганизме в целом, а также о том, В тот же день Марлоу с коллегами исследовали

как функционируют составляющие его биомоле- продольный срез колонки в лаборатории аппара-

кулы. Но когда биологи попытались выйти за пре- та, оснащенной всем необходимым. Под верхним

делы этих знаний, чтобы представить микробную слоем белого цвета находилось глинистое беже-

экосистему как нечто целое, составленное из свя- вое вещество, переходящее в нечто клейкое и чер-

занных друг с другом элементов, ока-

залось, что для этого их знаний недо- Если один из членов микробного
статочно. Из всего множества диких сообщества подвергается
форм микроорганизмов удавалось сильному неблагоприятному
изолировать лишь малую часть, от-
куда следовало, что штаммы, образу-

ющие сложные природные сообще- воздействию, остальные члены
ства, взаимосвязаны таким замысло- могут испытать на себе его
ватым способом, что воспроизвести последствия, и тогда не исключен
это в лабораторных условиях не пред-
ставляется возможным. А само су-

ществование множества процветаю-

коллапс всей системыщих видов, часто комплементарных

друг другу, противоречило представ-

лению о микробных экосистемах как о совокуп- ное, дальше шли слои горной породы, сквозь кото-

ности элементов, конкурирующих за ресурсы. рые пробирка проходила с большим трудом. Инте-

Более того, интенсивность метаболизма отдель- ресующие нас микроорганизмы обитали в самом

ных компонентов этих экосистем, определяемая темном слое, распространявшем запах протух-

в лабораторных условиях, — например, скорость шего яйца. Более ранние исследования показыва-

образования кислорода или потребления азота — ли, что именно здесь из осадочных пород высво-

редко совпадала с таковой в естественных усло- бождается метан, образующийся на б льших глу-

виях, потому что, как правило, микробы, которых бинах, и сульфат из вышележащих водных слоев.

удавалось изолировать, были более жизнестойки- Но попытки идентифицировать микроорганизмы,

ми, чем те, которые не выдерживали манипуляций которые могли бы одновременно поглощать метан

в процессе выделения. Другими словами, как это и сульфат, одна за другой заканчивались ничем.

обычно бывает, целое отличалось от его составля- Применив другой подход, наши коллеги использо-

ющих. вали метан и сульфат в качестве приманки, что-

Между тем появляется все больше свидетельств бы вынудить «воришек» покинуть свои убежища,

того, что взаимосвязь микроорганизмов по каким- и отслеживали в лабораторных условиях исчезно-

то причинам жизненно важна для них. Успехи, вение газов-приманок. В ходе одного из таких по-

достигнутые за последние десять лет в секвени- исков в начале 2000-х гг. мы обнаружили, что не-

ровании генома микроорганизмов и в их визуа- уловимый объект не один, а два: это был ансамбль

лизации, а также в других биотехнологических из микроорганизмов двух видов с признаками ме-

областях, позволили исследовать микробные со- таболической активности. Один из партнеров пары

общества более глубоко, чем когда-либо пре- поглощал метан, другой метаболизировал сульфат.

жде. Новейшие данные свидетельствуют о том, Данный процесс — анаэробное окисление ме-

что кооперация — это некий движитель в фор- тана — был бы невозможен без тесного сотруд-

мировании биосферы: когда микроорганизмы ничества между анаэробными метанотрофами

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

Микробиология

и восстанавливающими сульфат (сульфатреду-
цирующими) бактериями. Метан — высокоэнерге-
тичная и стабильная молекула, расщепить ее с вы-
свобождением элементов, которые участвовали
бы в метаболизме, очень трудно. Анаэробные ме-
танотрофы способны делать это, но сверхпродук-
ция высвобождаемых электронов приводит к оста-
новке метаболизма и выбросу в среду излишков
электронов. Однако то, от чего избавляется один
микроорганизм, использует другой. Сульфатре-
дуцирующие бактерии тут же включают эти избы-
точные электроны в свою метаболическую сеть для
превращения сульфатов в сульфиды (которые при-
дают осадку гнилостный запах). Это классический
пример симбиоза: анаэробные метанотрофы полу-
чают быстродействующий «сервис по сбору отхо-
дов», а сульфатредуцирующие бактерии — «домаш-
нюю» энергетическую фабрику.

Наша экспедиция к Гидрат-Ридж показала, что
симбиотическое поглощение метана происходит
не только в осадочных породах, где феномен был
впервые обнаружен, но и в карбонатных породах,
которые образуют многочисленные холмики во-
круг мест выхода метана. Взаимодействие между
анаэробными метанотрофами и сульфатредуци-
рующими бактериями осуществляется на микро-
уровне, но исследования в Черном море, Мекси-
канском заливе и других местах показали, что
это широкомасштабный процесс, ответственный
за поглощение примерно 80% метана, высвобож-
даемого из морского дна, и образование карбонат-
ных холмиков.

FROM “SINGLE CELL ACTIVITY REVEALS DIRECT ELECTRON TRANSFER IN METHANOTROPHIC CONSORTIA,” У истоков сотрудничества Визуализация агрегатов анаэробных метанотрофов
BY SHAWN E. MCGLYNN ET AL., IN NATURE, VOL. 526; OCTOBER 22, 2015 и сульфатредуцирующих бактерий, которые обитают
Обширные подземные пространства изобилуют в местах выхода метана (использованы разные методы
примерами такого взаимодействия микроорга- визуализации)
низмов, а результаты секвенирования ДНК микро-
бов, обитающих в грунтовых водах и осадочных с ообщество, обладающее некой специфической
породах морского дна, позволили установить, как особенностью, например метаболизмом азота. Од-
именно происходит такое взаимодействие. И с уве- нако идентифицировать микроорганизм, который
личением числа микроорганизмов, чей геном был содержал бы в своем геноме необходимую инфор-
секвенирован, все яснее становились две причи- мацию в полном объеме, не было возможности».
ны, по которым такая кооперация могла стать не-
избежной. Во-первых, бактерии и археи эволюци- Вновь открытые микроорганизмы часто синте-
онно удалены друг от друга в гораздо большей сте- зировали не все аминокислоты, необходимые для
пени, чем можно было представить: число ветвей образования белков, или не все нуклеотиды, со-
древа жизни невообразимо велико. Но что еще по- ставляющие ДНК. Это означало, что они заимство-
разительнее — геномы этих микробов на удивле- вали недостающие элементы у соседних клеток,
ние малы: у многих из них недостает информации синтезирующих данные компоненты, с избытком.
для построения функциональной клетки или для Подобные сообщества, по-видимому, извлекали
завершения метаболической трансформации, не- энергию тоже в ходе коллективного процесса: ин-
обходимой для извлечения энергии из питатель- дивидуальные клетки осуществляли некие хими-
ных веществ. «Исследуя новую среду обитания, — ческие реакции и передавали образуемый продукт
говорит Лора Хаг (Laura Hug), профессор микро- по цепочке другим клеткам, выполнявшим даль-
биологии окружающей среды из Университета нейшие превра щения. Та кое распределение стро-
Уотерлу, член группы исследователей, открывших ительных блоков и энергетических ресурсов невоз-
целый ряд неизвестных ранее микроорганизмов, — можно без кооперации разных микроорганизмов.
мы неизменно обнаруживали в ней микробное

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 59

Микробиология

Зарождение кооперации Когда-то давно древние
микроорганизмы окку-
пировали бóльшую часть
Сотни миллионов лет назад два из наиболее распространенных в то время вида микроорганизмов, освещаемой солнцем
обитающих в океане, — Prochlorococcus и Pelagibacter — вступили во взаимовыгодные отношения, поверхности океанов
основанные на использовании отходов жизнедеятельности друг друга. Полагают, что это сотруд- (верхний график в колонке).
ничество могло привести к насыщению кислородом (оксигенации) океанов — революционному со- Со временем естественный
бытию для возникновения жизни на Земле. Недавние исследования эволюции метаболизма этих отбор начал благоприят-
двух видов показали, что послужило движущей силой партнерства и в чем именно оно заключалось. ствовать Prochlorococcus,
поглощавшему больше
солнечной энергии
и питательных веществ.
В результате интенсивного
Для того чтобы рекон- Pelagibacter потребления последних
струировать эволюцию
Prochlorococcus, биологи их концентрация вблизи
поверхности воды снижа-
картировали изменения лась, и клетки, которым
в метаболизме одной недоставало питательных
из подгрупп семейства — Поглощает веществ, перемещались
сети биохимических синий цвет

реакций, в ходе которых в более глубокие слои.
Это привело к разделению
из питательных веществ Новые пути Prochlorococcus на подгруп-
образуются строительные удаления пы, наблюдаемые сейчас.
блоки клеток. Поглощая отходов
все больше солнечного Углерод Относительная
света, члены этой под- распространенность
группы высвобождали Новый путь
избыточное количество поглощения Низкая Высокая

углерода — отхода Геном На поверхности
жизнедеятельности.
Pelagibacter, встроившись
в метаболическую сеть Свет
Prochlorococcus, по-
видимому, использовала Prochlorococcus HL II Питательные
эти отходы в качестве Prochlorococcus HL II В глубине вещества

источника энергии.

Prochlorococcus HL I В ходе дивергенции
Prochlorococcus LL I Prochlorococcus от древних
Prochlorococcus LL II/III цианобактерий его геном
укорачивался и претерпе-
вал изменения, сказывав-
шиеся на метаболических
путях, в результате
которых он приобретал
способность превращать
солнечную энергию в пита-
тельные вещества; отходы
жизнедеятельности высво-
бождались в окружающую
среду. Сначала этот микро-
организм использовал для
фотосинтеза сине-зеленую
область спектра, а затем
произошел сдвиг в сторо-
ну синего цвета.

Prochlorococcus LL IV Цианобактерия-
прародительница

Synechococcus Фотосистемы 2 и 1 Поглощает Illustration by Tami Tolpa
Цианобактерия-прародительница Основные сине-зеленый свет
метаболиче- Геном
ские пути

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

Микробиология

Тесно взаимодействующие клетки тоже конку- породах микроорганизмы соседствовали друг
рируют за ресурсы, однако полученные недавно с другом — идеальное условие для группового от-
генетические данные свидетельствуют о том, что бора! — то обитатели поверхностных вод находи-
в целом эволюция способствует специализации лись в свободном плавании, постоянно меняя сре-
и сотруд н и чес тву. Подобно том у к а к м и рова я эко- ду обитания. В таких условиях групповой отбор
номика наращивает капитал на локальных ресур- не работал, должны были существовать какие-то
сах и обмене товарами, микробные сообщества, другие силы.
обитающие в грунтовых водах и морских глуби-
нах, прибегают к разделению труда для эффектив- Партнерство, изменяющее жизнь
ного использования ресурсов разрозненных ис-
точников, делая не очень-то благоприятную среду В капле воды с поверхности тропического океана
пригодной для жизни. содержитс я примерно 1 м лн микробов. Одна дес я-
тая из них — цианобактерии (сине-зеленые водо-
Каким же образом возникло это жизненно важ- росли) Prochlorococcus, самые маленькие и много-
ное сотрудничество? Некоторые исследователи численные фотосинтезирующие микроорганизмы
полагают, что основным фактором была физиче- на планете. Один из нас (Рогир Браакман) с колле-
ская близость микроорганизмов в условиях вы- гами тщательно проанализировал геном этого «су-
сокой плотности. Потомки тесно прижатых друг щества», чтобы понять, как эволюционировал его
к другу микробов оказываются в таких же услови- метаболизм в течение сотен миллионов лет. В ре-
ях. С близостью приходит необходимость совмест- зультате с помощью картирования изменений в ме-
ного использования родительских ресурсов. Есте- таболических цепях — биохимических реакциях,
ственный отбор благоприятствует генам, которые в ходе которых питательные вещества превраща-
отвечают за выработку такого ресурса, если после- ются в строительные блоки клеток, — было постро-
д у ющ ие поколен и я по-п ре ж нем у на ход ят с я в за м- ено метаболическое древо. Сопоставив это дре-
кнутом пространстве, но как только физическая во с освещенностью и наличием питательных ве-
сближенность потомков и родителей уменьшает- ществ в местах обитания цианобактерий, ученые
ся и начинается генетическая дивергенция кле- увидели, что в ходе эволюции происходил отбор
ток, появившиеся мутанты-приживалы приобре- клеток, которые получали больше света и могли
тают селективные преимущества. Они получают добывать больше питательных веществ. А посколь-
все выгоды совместного использования ресурсов, ку при увеличении количества энергии повышал-
ничего не отдавая взамен, и суммарная скорость ся уровень метаболизма углерода, клетки стано-
обмена веществом и энергией в сообществе умень- вились буквально насыщенными им. Избыток
шается. Такое развитие событий показывает, что высокоэнергетических молекул и углерода органи-
сотрудничество и взаимообмен благоприятны, ческого происхождения высвобождался из клет-
когда многие поколения одних и тех же видов оста- ки, как мусор из вакуумного пылесоса, и служил
ются тесно связанными, — принцип, называемый пищей для других организмов. Таким образом,
групповым отбором. Prochlorococcus играла роль клеточной фабрики,
поглоща я солнечный свет и высвобожда я прод у кт
Но можно ли считать механизм группового от- жизнедеятельности — органический углерод.
бора единственным объяснением широкой рас-
пространенности кооперативных микробных со- Такие отходы, в свою очередь, становились цен-
обществ на земном шаре или есть другие факто- ным ресурсом для микроорганизмов, которые
ры? Поиски ответа привели нас к расположенным не могли сами синтезировать высокоэнергетиче-
на сотни метров выше глубоководных метановых ск ие вещес тва (в час тнос ти, д л я Pelagibacter) и ко-
источников обширным площадям поверхност- торых в поверхностных органических водах было
ных водных слоев в открытом океане, где солнеч- не меньше, чем Prochlorococcus. Для того чтобы ис-
ной энергии более чем достаточно, но жизненно следовать взаимоотношения этих двух групп ми-
важных питательных веществ — азота, фосфо- кроорганизмов, мы построили метаболическое
ра и других — недостает. Тропические и субтро- древо для Pelagibacter, что позволило идентифици-
пические поверхностные воды долгое время счи- ровать метаболический путь, замыкающий кол-
тались океанскими «пустынями», но в конце лаборативную цепь. Prochlorococcus поглощают
1970–1980-х гг. в них были обнаружены мириады углекислый газ и высвобождают вещества, содер-
микроорганизмов. Как и у недавно идентифици- жащие органический углерод, а Pelagibacter мета-
рованных в грунтовых водах и осадочных поро- болизируют последние и выделяют другие соеди-
дах на морском дне бактерий, у этих обитателей нения, которые Prochlorococcus могут использовать
поверхностных вод геном имел небольшую длину как источники энергии, при недостатке солнечно-
и они не росли в культуре без добавления сложно- го света. Оба партнера перерабатывают отходы
го набора питательных веществ — признак того, (продукты жизнедеятельности) друг друга, выде-
что для выживания им нужны были другие виды ляя энергию, которая без подобного партнерства
микробов. Здесь есть одно «но»: если в осадочных была бы никому не нужна.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 61

Микробиология

Эти результаты, опубликованные в 2017 г., имеют кислорода. Итак, мы полагаем, что благодаря вза-

большую ценность в контексте осмысления эволю- имосвязи органических отходов и дефициту желе-

ции микробных сообществ, обитающих у поверх- за Prochlorococcus и Pelagibacter в конце концов по-

ности океана. Вывод таков: клетки, наиболее изо- могли проложить дорожку к оксигенации океанов

щренные в сборе недостающих питательных ве- нашей планеты через фотосинтез.

ществ, снижают их концентрацию в окружающей Скрытые мотивы
среде до предела, диктуя всем остальным организ-

мам, как их добывать. У свободно плавающих ми- Взаимодействие микроорганизмов не всегда бы-

кроорганизмов шансы невелики, поскольку клет- вает дружественным. Есть мнение, что устойчи-

ки, способные только потреблять органический вое взаимовыгодное партнерство — это скорее ис-

углерод, менее приспособлены к приобретению ключение. «Принцип "Человек человеку волк" ни-

других питательных веществ — азота, фосфора кто не отменял, — говорит биолог Джон Маккатчен

и т.д. Потребление питательных веществ и высво- (John McCutcheon) из Монтанского университе-

бождение органических отходов взаимосвязаны та. — Даже взаимоотношения, взаимовыгодные

невероятно сложным образом, укрепляя партнер- в одних условиях, могут приводить к конкуренции

ство между Prochlorococcus и Pelagibacter, которое и паразитизму в других, немного отличающих-

становится более прочным благодаря естествен- ся обстоятельствах». Гоббсовская точка зрения

ному отбору. Такая расстановка сил показывает, Маккатчена проистекает отчасти из феномена,

что эволюционная поддержка кооперации име- который он исследовал: речь идет об эндосимби-

ет место не только в сообществах близкородствен- озе, полном поглощении одного организма дру-

ных микроорганизмов. По крайней мере в несколь- гим. Так, митохондрия, «энергетическая фабрика»

ких случаях селективный процесс — это побочный клеток, когда-то была самостоятельным организ-

мом, членом группы под названием

Наличие плотной сети «альфапротеобактерии». Эндосим-
взаимодействий в мире микробов биоз стал одним из важнейших по-
может означать, что антропогенные воротов в истории земной жизни,
который наметил пути эволюции
растений и животных. «Отталки-

изменения окружающей среды ваясь от этих положительных при-
способны затрагивать всю биосферу меров, легко представить эндосим-
и иметь последствия, о которых мы биоз как некое обобществление, —
говорит Маккатчен. — Но я думаю,
что здесь скорее имеет место экс-

пока ничего не знаем плуатация». По его мнению, эво-
люция полна неудачных примеров

эндосимбиоза, когда он ведет либо

продукт (нечто вроде самоподдерживаемой обрат- к хищничеству, либо к паразитизму.

ной связи) отбора на уровне разрозненных клеток. Науке известны и многочисленные примеры вы-

Партнерство между Prochlorococcus и Pelagibacter хода из эндосимбиоза, когда партнер, который пе-

могло возникнуть в результате совсем небольших рестает выполнять свои обязанности, заменяет-

генетических изменений, но привести к долго- ся другим. Работа Маккатчена служит еще одним

временным колоссальным трансформациям. Ког- примером того, что взаимодействие микроорга-

да 600–800 млн лет назад предки Prochlorococcus низмов — превалирующий фактор до тех пор, пока

и Pelagibacter колонизировали океаны, их воды его мотивация не вызывает подозрений. «Каж-

были практически лишены кислорода, но богаты дый организм работает на себя, — замечает он. —

железом. Железо — непременный компонент фо- И не все взаимодействия выгодны для каждого».

тосинтезирующих белков, которые в конечном Не исключено, однако, что у совместного суще-

счете вырабатывают кислород, но оно не может ствования микроорганизмов есть обратная сто-

разлагать белки и встраиваться в их молекулы, рона: если один из членов подвергается какому-то

когда вокруг полно кислорода. Это стечение обсто- сильному неблагоприятному воздействию, то оно

ятельств могло бы помочь удержать фотосинтези- может распространиться на всю сеть и послед-

рующие организмы от проникновения в открытый няя распадется. Теоретически метаболическая

океан, где железа в доступной форме становилось взаимосвязь делает коллективные системы более

бы мало, если бы они, поднявшись наверх, начали устойчивыми, но из этого правила могут быть ис-

вырабатывать кислород. Но отходы органическо- ключения.

го углерода, выделяемые Prochlorococcus, облада- Микробиолог Эшли Шейд (Ashley Shade) из Уни-

ют замечательной способностью связывать желе- верситета штата Мичиган с коллегами проана-

зо, повышая его доступность даже в присутствии лизировали образцы 378 почв, морской и пресной

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

Микробиология

воды, микробиома кишечника животных, пыта- феномена формируют взаимоотношения между
ясь сформулировать общие принципы устойчиво- членами сообщества в разных условиях и разных
сти микробных сообществ к внешним воздействи- временных и пространственных масштабах? На-
ям и способности возвращаться после этих воз- личие плотной сети взаимодействий в мире ми-
действий в прежнее состояние. Оказалось, что, кробов может означать, что а нтропогенные изме-
по данным 56% работ, после возмущения в систе- нения окружающей среды способны затрагивать
ме происходят метаболические изменения. Так, всю биосферу и иметь последствия, о которых мы
под действием тепла одно из почвенных микроб- пока ничего не знаем. Поиски ответов на все эти
ных сообществ перестает поглощать азот. Всего вопросы особенно важны в эпоху глобальных из-
10% из числа этих сообществ в конце концов вос- менений нашего мира.
станавливают изначальную активность. Вообще
говоря, биосфера необычайно «эластична» и почти Перевод:. Н.Н. Шафрановская
всегда возрождается (иначе нас не было бы на Зем-
ле), но как работает механизм восстановления, на- ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
сколько быстро это происходит и какие долговре-
менные последствия остаются — во многом неиз- Carbonate-Hosted Methanotrophy Represents an Unrecognized
вестно. Methane Sink in the Deep Sea. Jeffrey J. Marlow et al. in Nature
Com mu n ic at ions, Vol. 5, A r t icle No. 5 09 4; O ctober 14, 2014.
М ы очен ь ма ло знаем о м и кробн ы х сообщес тва х,
на ходящи хс я у истоков на шего мира, и о роли со- Metabolic Evolution and the Self-Organization of Ecosystems.
трудничества в них. На сегодня можно предполо- Rogier Braakman et al. in Proceedings of the National Academy of
жить, что движущей силой эволюции выступает Sciences USA, Vol. 114, No. 15, pages E3091–E3100; April 11, 2017.
тесное метаболическое партнерство. Но биологи
только сейчас начинают по-настоящему исследо-
вать феномен кооперации за пределами мира ми-
кробов. Многие ли виды способны к кооперативно-
му существованию? Как основные принципы этого

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 63

Illustration by Ron MillerАстрономия

НАЗАД ВОАСТРОНОМИЯ

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

Астрономия

ВРЕМЕНИ
Астрономы обнаружили
во Вселенной несколько
самых удаленных
галактик, открывающих
окно в ранее
неизвестный период
истории космоса
Дэн Коу

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 65

Астрономия

ОБ АВТОРЕ

Дэн Коу (Dan Coe) — астроном Института исследований космоса с помощью
космического телескопа в Балтиморе, научный руководитель программы
RELICS — изучения эпохи реионизации с помощью гравитационных линз, обра-
зованных скоплениями галактик.

МЫ СТОИМ
НА ПОРОГЕ важнейшего события в астрономии —

составления почти полной истории
космоса. Астрономы на сегодня просле-
дили галактики на временн м участке, составляющим 97% времени до Большого
взрыва, который произошел 13,8 млрд лет назад.
Свет от одной из таких галактик, получившей имя SPT0615-JD, начал свое путеше-
ствие к Земле 13,3 млрд лет назад. В 2017 г. он прибыл к зеркалу космического те-
лескопа «Хаббл», где мы впервые смогли наблюдать эту галактику в рамках возглав-
ляемого мною проекта под названием RELICS (Reionization Lensing Cluster Survey,
Обзор скоплений, линзирующих эпоху реионизации), цель которого — обнаружить
некоторые из самых первых галактик в космосе. Программа RELICS продолжалась
с октября 2015 г. по октябрь 2017 г., включая более 100 часов наблюдений с помощью
телескопа «Хаббл» и более 900 часов — с помощью космического телескопа «Спит-
цер». В рамках этого проекта было выявлено более 300 галактик, которые, возмож-
но, образовались в первый миллиард лет существования Вселенной.

Эти объекты вызыва ют особый интерес, посколь- они первоначально и возникли (процесс, полу-
ку они позволяют взглянуть в «серебряный век» на- чивший название «реионизация»). Однако дета-
шей истории, который пока еще полностью оста- л и того, к а к это п роисход и ло и когда этот п роцесс
ется загадкой. Изучая такие объекты, мы надеем- имел место, все еще неясны. При удачном стече-
ся узнать, как сформировались первые галактики нии обстоятельств наблюдение древних галактик
и как они повлияли на процессы в зарождающей- все и зменит.
ся Вселенной. Например, мы считаем, что такие
галактики, как SPT0615-JD, преобразовали юную Первые галактики
Вселенную, испуская ультрафиолетовое излуче-
ние, которое поглощал окружающий их газ, вновь Древние галактики были совсем не похожи на те,
превращая первые нейтральные атомы Вселенной что мы знаем сегодня. Первые галактики были бо-
в разрозненные протоны и электроны, из к оторых лее примитивными и состояли в основном из га-
зообразного водорода и гелия. Со временем звезды

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Недавние эксперименты, названные RELICS (Обзор скоплений, линзирующих эпоху реионизации), нацелены
на поиск первых галактик в истории космоса.

В проекте были использованы гравитационные линзы — области, где массивные космические объекты искривля-
ют путь, по которому распространяется свет, и увеличивают изображение далекого объекта.

В рамках проекта RELICS было открыто более 300 древних галактик, включая галактику, возраст которой состав-
ляет 13,3 млрд лет.

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

Астрономия

Красное расплывшееся пятно: едва различимое пятно на фотографии, полученной космическим телескопом «Хаббл», —
SPT0615-JD, одна из самых далеких известных нам галактик

NASA, ESA, STScI AND B. SALMON синтезируют из этих атомов более тяжелые эле- задачу их обнаружения еще более трудной). Самые
мен ты, и когда звезд ы у м и ра л и во взры ва х сверх- первые га ла к т и к и из т е х, ко т орые м ы набл юда л и,
новых, тяжелые элементы рассеивались по га- были размером примерно в 1% от размера наше-
лактикам, обогащая их «звездным веществом», го Млечного Пути, но они быстро росли, формируя
включая элементы, необходимые для зарожде- новые звезды с поразительной скоростью. Топли-
ния жизни. Первые галактики еще только должны ва в то время было предостаточно; ранние галак-
будут превратиться в величественные спираль- тики буквально купались в прохладных струях га-
ные образования или в одутловатые эллиптиче- зообра зног о водорода, п ри тя ги ваемог о к н и м г ра-
ские шары, похожие на те, что мы сегодня видим витацией. Галактики часто сталкивались друг
вокру г нас. Они бы ли на много более разу порядо- с другом и сливались воедино, что ускоряло их
ченными и гораздо меньше размером (что делает рост и порождало вспышки ф ормирования звезд.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 67

Астрономия

Гравитационное Свет
увеличение изображения Скопление
галактик
В поисках некоторых из первых галактик астрономы
воспользовались гравитационными линзами. Они об-
разуются, когда массивные объекты, такие как ско-
пления галактик, искривляют пространство-вре-
мя вокруг себя, заставляя все, что находится
поблизости, включая свет, двигаться по ис-
кривленному пути. Пройдя через гравита-
ционные линзы, изображения далеких Поле
галактик могут выглядеть увеличен- зрения

ными, смещенными от их истинного
положения и даже многократно
размноженными.
Удаленная галактика (истинное положение)

«Хаббл» Видимое положение галактики
Где можно ожидать

фантомных изображений
Свет от дальней галактики
идет различными путями,
образуя иногда несколько
копий изображения галактики.

Co временем, по мере расширения Вселенной, рост Увеличительные стекла космоса Illustrations by Nigel Hawtin
галактик замедлился, крупные слияния стали
происходить реже, а поступление газа уменьши- Чтобы заглянуть как можно дальше в прошлое,
лось. в программе RELICS используется методика, по-
лучившая название «гравитационное линзирова-
Эта картина рисует основы нашего понима- ние». Мы воспользовались естественными «уве-
ния истории космоса. Мы все еще работаем, что- личительными стеклами» в виде массивных ско-
бы уточнить детали, и остается еще много вопро- плений галактик. Эти группы галактик обладают
сов, особенно в отношении самого раннего периода настолько большой массой, что их гравитация, со-
существования Вселенной. Когда именно образо- гласно общей теории относительности Эйнштей-
вались первые галактики? Насколько велики они на, искривляет пространство и время. Когда свет
были? Как они выглядели? Были ли они «строи- от расположенного на более далеком расстоянии
тельными кирпичиками» будущих галактик с од- объекта путешествует по Вселенной, он следует
ной бол ьшой облас тью звездообразова н и я и л и же по искривленному пространству-времени вокруг
более разрозненными крупными очагами? Рас- скопления, фокусируясь при движении по этому
сып лись ли все они на части в результате интен- пути.
сивного процесса образования звезд или были бо-
лее спокойными, как большинство нынешних га- Когда свет достигает Земли, далекие объекты
лактик? Было ли у ранних галактик достаточно выглядят искаженными и вытянутыми, а иногда
времени, чтобы сжаться в диски, как это случи- видны одновременно несколько изображений од-
лось с Млечным Путем, или же они слишком ча- ного и того же объекта. Если этот эффект покажет-
сто сталкивались друг с другом, чтобы это могло ся вам абстрактным, вы можете увидеть схожий
произойти? Удастся ли нам когда-нибудь найти пример на расстоянии не далее вашего следующе-
галактики, заполненные нетронутыми исходны- го бокала вина. Посмотрите на зажженную свечу
ми водородом и гелием, или же первые сверхновые через основание бокала, и вы увидите несколько
слишком быстро засея ли и х тяжелыми элемента- изображений увеличенного в размерах пламени
ми? Как быстро росли галактики в числе и по мас- свечи.
се? И действительно ли благодаря им произошла
реионизация Вселенной? С помощью данны х, по- Такие увеличенные изображения галактик ярче
л у чен н ы х в ра м к а х п рогра м м ы R ELICS, м ы сде ла- и на них различимы более мелкие детали, чем
ем еще один шаг к ответу на эти вопросы.

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

Астрономия

на обычных, что позволяет нам лучше изучить г алактику, которую мы видим в период спустя все-
их свойства. Другое преимущество наблюдения го 420 млн лет после Большого взрыва. Это реаль-
сильно увеличенных областей неба заключает- ный кандидат на звание одной из самых удален-
ся в том, что мы находим далекие галактики бо- ных из известных галактик, чей рекорд был побит
лее эффективно, чем просто просматривая «пу- тол ько в 2016 г., когда Паска л ь О у ш (Pasca l Oesch)
стые» участки, такие как известные «сверхглу- из Йельского университета обнаружил галактику
бокие поля» (детальное изображение небольшой по крайней мере на 20 млн лет старше, на этот раз
области неба. — Примеч. пер.) космического теле- в рамках программы CANDELS (Cosmic Assembly
скопа «Хаббл». Такой результат неочевиден, и в дей- Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, Из-
ствительности существует компромисс. учение в ближнем ИК-диапазоне формирования
далеких внегалактических объектов) — продол-
Гравитационное увеличение позволяет рассмо- жительного (непрерывно в течение примерно двух
треть более тусклые галактики. Но при этом в поле
зрения попадает область меньшего размера, со- месяцев, когда «Хаббл» совершил 902 облета Зем-
держащая меньше галактик. Какой эффект в ре-
зультате одерживает победу? Гравитационное уве- ли. — Примеч. пер.) сканирования «Хабблом» отно-
личение побеждает, когда при наблюдении в поле сительно п усты х у частков звездного неба, в кото-
зрения попадает много тусклых галактик и тем са- рых практически отсутствует гравитационная фо-
мым компенсируется уменьшение области обзора. кусировка.
В юной Вселенной небольшие тусклые галактики
были многочисленными, а значит, мы обнаружи- После удачного завершения проекта CLASH я по-
ваем намного больше далеких галактик, отыски- мог убедить руководителя «Хаббла», которым в то
вая на снимках изображения, сильно увеличенные время был Мэтт Маунтин (Matt Mountain), вклю-
за сче т гра вита ц ион н ы х л и нз, образова н н ы х ско- чить скопления галактик в следующую боль-
плениями галактик. шую программу «Хаббла» ─ «Приграничные обла-
сти» (Frontier Fields), возглавляемую Дженнифер
В т рех са м ы х кру п н ы х п рогра м ма х «Х аббла», вы- Лоц (Jennifer Lotz) из STScI. Этот проект следовал
полненных за прошедшие семь лет, для поиска по пути, проторенному предыдущей программой
далеких галактик использовалась гравитацион- «Хаббла» — «Глубокие поля», в рамках которой на-
ная фокусировка скоплениями галактик. Эти про- блюдение небольших участков неба велось в те-
граммы проводились совместно с космическим чение многи х дней. Эти более ра нние програ ммы
те лескопом «Сп итцер», которы й веде т набл юден ие бы ли на пра влены на изу чение са мы х п устынны х
в инфракрасном диапазоне излучения с длинами областей звездного неба, которые ученые только
волн большими, чем «Хаббл». В ходе продолжав- смогли найти, таких, где нет относительно ярких
шейся три года первой программы, CLASH (Cluster «близких» галактик (на расстоянии каких-нибудь
Lensing and Supernova Survey with Hubble, Обзор нескол ьк и х м и л л иардов све т овы х ле т), способн ы х
фокусирующих скоплений и сверхновых с помо- помешать набл юден и ю более уда лен н ы х облас т ей
щью «Хаббла»), которую возглавлял Марк Постман Вселенной.
(Marc Postman) из Института исследований кос-
моса с помощью космического телескопа (STScI ) Первое изображение, полученное с помощью
в Балтиморе, изучались 25 скоплений галактик. «Хаббла» в рамках программы «Глубокое поле» пу-
Я помогал в написании предложений и анали- тем наложения 342 фотоснимков, полученных
зе снимков — и в 2012 г. обнаружил MACS0647-JD, в течение десяти дней в 1995 г., стало настоящим
откровением: на пустом крошечном кусочке звезд-
ного неба размером с песчинку, рассматриваемую

Две стратегии Исходное поле зрения Линзированное поле зрения

В поисках галактик астрономы могут вос-
пользоваться двумя подходами. Первый —
вглядываться в кажущийся «пустым»
участок неба. Другой, использованный
в проекте RELICS, — наблюдать области,
в которых присутствуют массивные скопле-
ния галактик, чтобы воспользоваться ими
как гравитационными линзами. Такая стра-
тегия использует меньшее и искаженное
по форме поле зрения (поскольку гравита-
ционные линзы увеличивают изображение
участка неба), но позволяет увидеть галак-
тики, которые иначе никак не рассмотреть
в силу их слабой яркости.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 69

Астрономия

Космическая хронология 13,3 млрд лет назад / красное
смещение 10 (эпоха галактики
В эксперименте RELICS были использованы космические телескопы SPT0615-JD) Темные века
Космическое
«Хаббл» и «Спитцер» для поиска галактик, существовавших в период Эпоха реионизации фоновое излучение
от 400 млн до 900 млн лет после Большого взрыва, в космическую 12 млрд лет назад ?
эпоху, названную «эпоха реионизации», когда свет первых звезд Период инфляции
перевел в возбужденное состояние первые нейтральные ато-
10 млрд лет Большой
мы, снова превратив их в ионы. Поскольку свету требуется вре- назад взрыв

мя для путешествия в космосе, чем дальше в пространство мы 8 млрд лет 20
вглядываемся, тем более раннюю эпоху видим. назад 10
3
Одно из выдающихся открытий проекта RELICS — 6 млрд лет 2 УФ-излучение
галактика, существовавшая 13,3 млрд лет назад, назад
названная SPT0615-JD
4 млрд лет
Ускоренное расширение 2 млрд лет назад
назад

Сегодня

«Спитцер» 1
«Хаббл»
Красное смещение
для начинающих

Когда космос расширялся, свет, проно-
сящийся сквозь него, тоже «растягивался»,
длина его волны смещалась с синего конца спектра
излучения к красному. Чем дальше от Земли находится
объект, тем краснее он кажется, то есть его красное
смещение сильнее.

Большой
Сегодня взрыв
0 ИК-излучение 0
1 23 20

с расстояния вытянутой руки, были различимы Следы из прошлого Illustration by Nigel Hawtin
3 тыс. галактик. Участки для наблюдений в рам-
ках последующих программ «Хаббла» «Глубокое После завершения проекта CLASH, когда полным
поле Южного полушария» и «Сверхглубокое поле» ходом шла работа по программе «Приграничные
аналогичным образом были тщательно подобра- облас ти», бы ло не ясно, одобрят л и ас троном ы еще
ны, чтобы избежать близкого соседства галак- одну крупную программу наблюдения скоплений
тик. Программа «Приграничные области» дерз- галактик с помощью «Хаббла». Но я обнаружил, что
ко нарушила сложившуюся традицию: в ее ходе множество массивны х скоп лений та к и не наблю-
были получены глубокие изображения шести об- далось «Хабблом» в ближней ИК-области, в которой
ластей с самым большим сосредоточением галак- далекие галактики должны бы быть видны. (При
тик на расстоянии от 3 до 5 млрд световых лет. расширении Вселенной под действием эффекта
В ра м к а х э т ого п роекта ве л ись та к же набл юден и я Доплера длина волны излучения от далеких объек-
шести расположенных поблизости относительно тов смещаетс я в область более д линны х, красны х
пустых областей, скорее чтобы поддержать тра- волн — явление, называемое красным смещением.)
дицию предыд у щи х програ мм по изу чению да ль- Я открыл множество природных «телескопов», в ко-
него космоса. С многократно усилившимся за счет торые еще только предстоит взглянуть в наших по-
гравитационных линз потенциалом космических исках галактик, существовавших в первый милли-
телескопов «Хаббл» и «Спитцер» в ходе программы ард лет.
«Приграничные области» были обнаружены самые
маленькие и самые тусклые галактики из когда- Я выудил эти скопления из каталога, выпущен-
либо наблюдавшихся. ного в 2015 г. в рамках программы космическо-
го телескопа «Планк» Европейского космическо-
го агентства. Телескоп «Планк» больше известен

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

Астрономия

своими подробными изображениями космиче- Soifer) в к ачестве награды нам было предоставле-
ского фонового (реликтового) микроволнового из- но 945 часов наблюдений с помощью космическо-
лучения — самого раннего наблюдаемого излу- го телескопа «Спитцер». Диапазон длин волн, реги-
чения во Вселенной. Но с его помощью был также стрируемых «Спитцером», дает более полный набор
составлен каталог из более чем 1 тыс. массивных характеристик звезд в ранних галактиках, позво-
скоплений галактик по их искривляющему вли- ляя измерить их звездные массы и то, действи-
янию на реликтовое излучение. Большинство т е л ьно л и он и на ход ят с я та к да леко, к а к э т о пок а-
из этих скоплений были уже хорошо известны, од- зывают снимки, сделанные «Хабблом».
нако многие стали открытиями. Я обнаружил, что
самое массивное скопление в каталоге, Abell 2163, Открытие
«Х аббл» набл юда л тол ько в ви д и мой, но не в бл иж-
ней инфракрасной области. Второе по массе ско- Галактика SPT 0615-JD явила себя в 2017 г. астро-
пление — PLCK G287.0+32.9, одно из недавно от- ному-стажеру по имени Бретт Салмон (Brett
крытых телескопом «Планк», — проявило себя Salmon), которого я вместе с заместителем науч-
в качестве отличной гравитационной линзы при ного руководителя программы RELICS из Институ-
получении изображений с помощью наземных те- та исследований космоса с помощью космическо-
лескопов, но «Хабблу» еще только предстояло взгля- го те лескопа Ларри Брэд л и (L a r r y Bradley) п ри н я л
нуть на него. на работу. Эта галактика не была сразу же отме-
чена на снимках «Хаббла» как уникальный объ-
Я подготовил список из 41 массивного скопле- ект, каковой она в действительности собой пред-
ния галактик, которые «Хаббл» еще не фотогра- ставляет. Галактики могут казаться нам красны-
фировал в ближнем ИК-диапазоне, и собрал ко- ми по разным причинам. У некоторых, таких как
манду астрономов, чтобы составить обширный SPT0615-JD, большое красное смещение. Другие
план по их наблюдению. Мы попросили предоста- окутаны пылью, которая поглощает голубой свет
вить нам возможность использовать «Хаббл» в те- и затем переизлучает энергию в виде инфракрас-
чение 190 его оборотов вокруг Земли — пример- ного излучения, заставляя галактики выглядеть
но 5% времени д ля сторонни х наблюдений, выде- более красными, чем они есть на самом деле. Дру-
ленного в том году, что составило более 100 часов. гие же красные галактики просто старше — они
Когда предложения по «Хабблу» были подготовле- давно не формировали достаточного количества
ны, астрономы со всего света собрались в Балти- новых звезд, а те, которые остались, — это старые
море, чтобы совместно их обсудить. Наша группа красные звезды (красные карлики и красные ги-
была рада узнать, что в июне 2015 г. наше предло- ганты. — Примеч. пер.). Галактики могут выгля-
жение было принято как самая большая програм- деть или быть таковыми в результате любой ком-
ма аренды времени «Хаббла» сторонними институ- бинации этих причин: красное смещение, пылевое
тами на 23-м году работы космического телескопа. окружение и преклонный возраст.

В рамках программы RELICS были проведены Наблюдения «Спитцера» в диапазоне от 3 до 5 мкм
наблюдения всех 41 скопления в ИК-канале широ- критически важны для того, чтобы помочь отли-
коугольной камеры (WFC3/IR) «Хаббла». Мы также чить далекие галактики с красным смещением
наблюдали их в красном, зеленом и синем диапа- от более близких к нам галактик, которые крас-
зонах видимого излучения (если не наблюдали их ны по своей природе и кажутся даже более ярки-
ранее) с помощью Усовершенствованной обзорной ми на длинах волн, регистрируемых «Спитцером».
камеры (ACS). Полученные этой камерой изобра- На самом деле первоначально на наших фотосним-
жен и я с высоки м разрешен ием помогл и на м изме- ках с «Хаббла» мы отметили три возможные старые
рить параметры гравитационной линзы, создава- галактики (включая и SPT0615-JD), которые харак-
емой скоплением, и оценить степень увеличения теризовались красным смещением (значением ве-
изображений далеких галактик, обнаруженных личины z), равным примерно 10, что указывало
на снимках, полученных с помощью WFC3/IR. Мы на время, когда Вселенной было менее чем 500 млн
вели наблюдения на семи различных длинах волн лет от роду, то есть более 13 млрд лет назад. Однако
от 0,4 до 1,7 мкм, что позволяло нам выделять со- анализ фотографий со «Спитцера» показал, что две
ставляющие цвета излучения каждой из этих га- из них, скорее всего, имеют красное смещение око-
лактик. Просматривая известные характеристики ло 2, то есть они запечатлены в то время, когда Все-
излучения, такие как характерные длины волн, ко- ленной было «всего» 10 млрд лет (примерно три чет-
торые поглощает нейтральный водород, мы можем верти нынешнего возраста). Галактика SPT0615-JD
оценить красное смещение света галактики, а зна- успешно выдержала анализ «Спитцера» в качестве
чит и то, насколько далеко от нас она находится. кандидата на красное смещение, равное 10.

По предложению Маруши Брадач (Maru a Brada ) Сочетая анализ фотоснимков с «Хаббла», прове-
из Калифорнийского университета в Дейви- денный Салмоном, с анализом данных со «Спит-
се при важном содействии со стороны руководи- цера», выполненным Викторией Стрейт (Victoria
теля программы «Спитцер» Тома Сойфера (Tom Strait) из Ка лифорнийского у ниверситета

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 71

Астрономия

в Дейвисе, мы обнаружили, что излучение галак- университета в Ирвайне. У нас на руках есть также

тики SPT0615-JD отсекается на длине волны при- уже утвержденная программа наблюдений с помо-

мерно 1,34 мкм, и меньше этой длины волны излу- щью ALMA (Атакамской большой антенной решетки

чения нет. Это излучение было поглощено, когда миллиметрового диапазона), которая, как мы пола-

оно возбуждало газообразный водород младенче- гаем, подтвердит наши измерения расстояний и по-

ской Вселенной или повторно его ионизировало, зволит найти там кислород, что станет самым ран-

снова превратив нейтральные атомы в ионы. Та- ним обнаружением такого тяжелого элемента. Мы

кой резкий обрыв в спектре излучения галактики также предложим провести наблюдения с помощью

SPT0615-JD оказался весьма полезным, посколь- флагманской обсерватории NASA следующего поко-

ку он позволяет нам измерить расстояние до нее. ления, Космического телескопа им. Джеймса Уэбба

Хотя мы наблюдаем этот обрыв на длине волны (JWST), который, возможно, представит нам деталь-

примерно 1,34 мкм, мы знаем, что нейтральный ные снимки внутренней структуры галактики, из-

водород поглощает излучение крайней ультрафио- мерит ее вклад в реионизацию и раскроет химиче-

летовой области с длиной волны менее 0,1216 мкм. ский состав — состоит ли она только из исходного

Соотношение между исходным и наблюдаемым от- водорода и гелия или же обогащена более тяжелы-

сечением в спектре излучения галактики SPT0615- ми элементами.

JD показывает точно, насколько Вселенная расши- Галактика SPT0615-JD стала самым заметным

рилась и насколько сместилась длина волны излу- открытием программы RELICS, но мы нашли так-

чения галактики, следовательно, как далеко она же и более 300 возможных кандидатов в список

на ход ит с я. древних галактик (это еще требует подтвержде-

Космический телескоп им. Джеймса ния), уже сиявших в первый
миллиард лет существо-

Уэбба почти наверняка увидит вания Вселенной. Среди
них — самые яркие из из-

галактики, существовавшие спустя вестных галактики, отно-
300 млн лет после Большого взрыва, сящиеся к тому раннему
гравитационные линзы же позволят нам времени, которые да ют на м
возможность изучать их
в мельчайших деталях. По-

увидеть галактики, существовавшие началу я нашел это неожи-
в первые 200 млн лет, сократив наш данным, поскольку назем-
пробел в истории наполовину ные телескопы многократно
проводили изучение боль-
шой части звездного неба.

Но после проведения рас-

Мы наблюдаем SPT0615-JD с красным смещени- четов на компьютерах эти результаты уже не вы-

ем, равным 10, в ту пору, когда Вселенная была глядят сюрпризом. Используя «Хаббл», «Спитцер»

в возрасте всего 3,5% от теперешнего. Такая дати- и помощь гравитационных линз, мы в рамках

ровка делает галактику SPT0615-JD одной из са- программы RELICS смогли открыть более яркие га-

мых старых среди обнаруженных. Известно, что лактики на столь большом расстоянии.

две другие галактики расположены еще чуть Пробел в нашей истории
дальше и имеют красное смещение 11, мы видим

их в то время, когда Вселенной было 400 млн лет. Древние галактики, которые мы находим в рамках

Но «Хаббл» показывает эти галактики просто как программы RELICS, помогают заполнить пробел

инфракрасные точки, слишком маленькие, чтобы в книгах космологической истории. Существует

мы могли разглядеть какие-нибудь детали их вну- фундаментальная теория, описывающая первые

тренней структуры. Галактика SPT0615-JD — осо- моменты времени, когда в результате Большого

бая. Ее свет был усилен и увеличен гравитацион- взрыва образовалась Вселенная и пространство

ной линзой, что позволило нам более детально рас- стало быстро расширяться в период, названный

смотреть столь раннюю галактику. стадией инфляции. Спустя примерно 380 тыс. лет

Возможно, на имеющихся у нас изображениях она после зарождения пространства и времени Все-

выглядит не очень четко, но мы надеемся с помощью ленная остыла достаточно для того, чтобы обра-

«Хаббла» получить изображения более глубокого зовались первые атомы и свободно распространя-

космоса, чтобы раскрыть больше деталей и обнару- лось излучение. Мы видим сегодня его отголоски

жить менее яркие многократные изображения этой в виде реликтового излучения.

галактики, образованные гравитационной лин- Все предшествующее тому, что запечатлено

зой, которые были предсказаны Рейчел Патерно- на этой фотографии, остается пробелом в 400 млн

Малер (Rachel Paterno-Mahler) из Калифорнийского лет в нашей истории. Нам по-прежнему необходимо

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

Астрономия

увидеть хотя бы один объект, существовавший в то возможно, всего пять-десять лет, чтобы порабо-
время. Эти 3% истории космоса остаются для нас тать с ним. Хотя «Хаббл» функционирует вовсю
белым пятном. Тем не менее мы знаем, что вре- уже 28 лет после своего запуска, у JWST топлива
мя это было насыщено событиями. Первые звезды хватит для поддержания орбиты лишь на десять
сформировались, вероятно, через 100 млн лет после лет. Это потому, что он будет летать на расстоя-
Большого взрыва. Затем, ка к мы пола гаем, звезды нии в 1,5 млн км от Земли, слишком далеко, чтобы
начали группироваться, в конце концов образовав астронавты могли проводить на нем сервисные ра-
первые галактики. Свет от этих галактик вырвал- боты, ремонтировать или добавлять новые инстру-
ся наружу и разметал атомы водорода, ионизиро- менты, как это несколько раз делалось с «Хабблом».
вал их и выпустил на свободу их электроны.
Программа RELICS критически важна для того,
Выяснение того, как шли процессы формирова- чтобы с максимальной пользой использовать Кос-
ния Вселенной, путем изучения таких галактик мический телескоп им. Джеймса Уэбба, когда тот
критически важно для того, чтобы заполнить не- будет доступен, поскольку в ее рамках уже выяв-
достающие страницы ее истории. RELICS и проек- лены несколько самых перспективных галактик
ты, которые были осуществлены до него, такие как для детального изучения с помощью нового теле-
CLASH, CANDELS и «Приграничные области», — это скопа, а также большинство областей звездного
большие шаги, но мы работаем в ожидании боль- неба с эффектом гравитационных линз, в которых
шого прыжка, когда будет запущен Космический JWST сможет вести поиск новых галактик.
телескоп им. Джеймса Уэбба. Эта обсерватория,
которую планируется запустить в 2021 г., станет Оглядываясь назад
самым мощным инструментом из когда-либо ис-
пользованных человечеством для того, чтобы про- На ш М лечный Путь, вероятно, столь же стар, ка к
никнуть взором в самые ранние периоды суще- и галактика SPT0615-JD. Разница в том, что мы
ствования Вселенной. Ведя наблюдения с помощью видим нашу галактику такой, какова она сейчас,
зеркала большего диаметра на более длинных дли- и у нас нет никакого представления о том, как она
нах волн, чем предыдущие телескопы, он сможет выглядела в очень ранней Вселенной. Поскольку
увидеть более далекие галактики с лучшим разре- свет от SPT0615-JD шел к нам так долго, мы видим
шением, чем любая обсерватория до него. Он дол- ее более молодую «застывшую во времени» копию.
жен суметь определить массы и химический состав
этих галактик, а также их вклад в реионизацию. Однако и галактика SPT0615-JD, и наша соб-
ственная, возможно, имеют схожую историю, раз-
В такой же степени, как гравитационные линзы растаясь в размерах в течение прошедших с тех
помогли нам отыскать далекие галактики с помо- пор 13 млрд лет. Вероятно, планеты сформирова-
щью нынешних телескопов, я ожидаю, что с вво- лись вокру г звезд и в га ла ктике SP T0615-JD. Быть
дом в с трой Косм и ческого те лескопа и м. Д жей мса может, на некоторых из тех планет появилась
Уэбба э та помощ ь ок а же т с я с у щес твен нее д л я по- жизнь. Возможно, некоторые представители той
иска галактик, у которых красное смещение еще жизни эволюционировали в разумных существ,
больше. Заглядывая далеко вглубь времен, мы об- развили культуру, технику, в том числе космиче-
наруживаем, что доля более мелких галактик рас- ские телескопы. Если это так, они, может стать-
тет все больше и больше по отношению к их обще- ся, смотрят на нас сейчас через те же самые ско-
му числу. Если эта тенденция сохраняется и в пер- пления галактик, рассматривая аналогичные
вые 400 млн лет, преимущества, которые дают нам увеличенные изображения нашей галактики как
гравитационные линзы, станут еще ощутимее. Ос- тусклые красные точки, каким Млечный Путь был
новываясь на современных оценках, я выскажу вскоре после своего рождения.
прогноз, что гравитационные линзы станут клю-
чевым инструментом, с помощью которого JWST Именно в силу такой возможности мы и исследу-
обнаружит самые первые галактики во Вселенной. ем приграничные области нашей Вселенной: что-
бы узнать о нашем происхождении и в конечном
Космический телескоп им. Джеймса Уэбба поч- итоге найти самих себя.
ти наверняка увидит галактики, существовав-
шие спустя 300 млн лет после Большого взрыва, Перевод: А.П. Кузнецов
и у мен я ес ть веск ие основа н и я п ред пола гать, чт о
гравитационные линзы позволят нам увидеть га- ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
лактики, существовавшие в первые 200 млн лет,
сократив наш пробел в истории наполовину, — это, Лемон и к М. С в е т первы х зв е з д // ВМ Н, № 6, 2014.
конечно, если галактики уже успели образоваться
так рано. RELICS: A Candidate z˜10 Galaxy Strongly Lensed into a Spa-

Нам нужно буквально рыть землю, чтобы успеть tially Resolved Arc. Brett Salmon et al. in Astrophysical Journal
к запуску Космического телескопа им. Джеймса
Уэбба, поскольку в нашем распоряжении б удет, L et ters, Vol. 8 6 4, No. 1, A r t icle No. L 22; S eptember 1, 2018. ht t p://

iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aadc10

С а й т эк спери мен т а R EL IC S: ht t ps://rel ics.st sci.e du

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 73

Математика

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

МАТЕМАТИ КА

МАТЕМАТИКИ РАЗРАБАТЫВАЮТ
КРИМИНАЛИСТИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ, ЧТОБЫ ВЫЯВИТЬ
ПОЛИТИЧЕСКИЕ МАХИНАЦИИ
С ГЕОГРАФИЧЕСКИМИ КАРТАМИ,
КОТОРЫЕ ЛИШАЮТ ГРАЖДАН

ПРАВА ГОЛОСА

***********

ГЕОМЕТРИЯ
ПРОТИВ ВЫБОРНЫХ

МАХИНАЦИЙ

Мун Дючин

Illustration by Hanna Barczyk ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Попытки установить границы избирательных округов так, чтобы это нечестным путем благоприятствовало одной
из политических партий, спровоцировали правовые проблемы по всей стране. Но у судов нет реальных нормативов
для выявления таких махинаций.

В последние годы математики вступили в эту перепалку, чтобы разработать статистические методы, которые суды
смогут использовать, чтобы вывести на чистую воду мошеннические схемы при нарезке избирательных округов
и выступать в качестве экспертов в залах судов и вне их стен.

Существует так много способов провести границы избирательных округов, что оценка стала трудной задачей
с огромным массивом данных даже для самых быстродействующих компьютеров. Однако суды, по всей видимости,
склонны согласиться с доводами инструмента, получившего название «метод Монте-Карло по схеме марковской це-
пи» (МКМЦ), который хорошо справляется с задачей.

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 75

Математика

ОБ АВТОРЕ

Мун Дючин (Moon Duchin) — доцент математики и старший научный сотрудник
Колледжа гражданского общества при Университета Тафтса. Область ее исследова-
ний — теория геометрических групп, теория малоразмерных топологических про-
странств и динамика. Осенью 2016 г. она создала группу «Метрическая геометрия и ма-
нипулирование выборами», чтобы привлечь внимание математиков к вопросу пере-
смотра границ избирательных округов.

ема манипулирования расширила масштаб своей деятельности и круг за-
избирателями в ходе вы- дач, глубоко погрузившись в исследования, рас-
боров вылилась в залы су- пространение идей, обучение и проведение кон-
дебных заседаний и в пе- сультаций. Более 1,2 тыс. человек посетили наши
редовицы новостных из- семинары по всей стране, и многие из них активно
даний по всей стране. участвовали в программах по пересмотру границ
Верховный суд США недавно заслуши- избирательных округов. Мы полагаем, что пришло
вал дела о конституционности избира- время принять меры, основываясь на математи-
тельных округов, в которых якобы всег- ческих расчетах. Математика манипулирования
да было сильное преимущество респу- выборами на удивление многообразна (целесоо-
бликанцев в Висконсине и демократов бразно даже выделить в ней отдельные подразде-
в Мэриленде, однако обе партии стали лы), а производительность компьютеров, очевидно,
жертвами прямого мошенничества. Дру- уже позволяет решать такие масштабные и слож-
гой случай партийного манипулирова- ные задачи по перекройке избирательных окру-
ния в Северной Каролине раскручивал- гов. Несмотря на техническую ориентацию на-
ся в августе при настойчивой поддерж- шей группы, главная цель, стоящая перед нами, —
ке со стороны суда низшей инстанции. укрепить и защитить гражданские права. И мы
Однако в рамках закона было невозмож- работаем в тесном контакте с юристами, политоло-
но добиться правосудия в делах с мани- гами, географами и различными общественными
пулированием голосами избирателей. группами, чтобы создать инструменты и вырабо-
Часть этой проблемы, как заметил в су- тать идеи в преддверии следующей переписи насе-
дебном разбирательстве 2004 г. Энтони ления США и процедуры пересмотра границ изби-
Кеннеди, состоит прежде всего в том, что рательных округов, которая за ней последует.
как Верховному суду, так и судам низшей
инстанции предстоит установить «дей- В стране, где властью наделяют выбираемых
ственные правовые нормы» для выявле- представителей, всегда будут вестись споры по по-
ния такого рода манипуляций со сторо- воду управления электоральным процессом. А в та-
ны партий. Именно в этом вопросе мы кой системе, как наша палата представителей, где
и можем оказать помощь — считает все победитель получает все в пределах каждого гео-
большее число математиков. графического округа, очерчивание границ избира-
тельных округов — естественное поле битвы. Исто-
Два года назад я с друзьями основала рабочую рия Америки под завязку полна вопиющими при-
группу по изучения приложений геометрии и вы- мерами мошеннических схем по установлению
числительной математики для пересмотра границ границ округов таким образом, чтобы в округе
избирательных округов в США. С тех пор группа преобладали лица, лояльные к существующей вла-
«Метрическая геометрия и манипулирование вы- сти, — от приписывания к округу лиц, голосующих
борами» (Metric Geometry and Gerrymandering Group) в пользу действующей власти, до разрезания исто-
рически сложившегося округа на три части, что-
бы снизить накал политической силы чернокожих
избирателей. Множество вариантов этих так на-
зываемых стратегий концентрации и размазыва-
ния (англ. packing — концентрация электората оп-

позиционной партии в одном-двух избирательных

округах, чтобы уменьшить число своих противни-

ков в других; cracking — размазывание электората

оппозиционной партии по большому числу избира-

тельных округов, чтобы там их оказалось мень-
шинство. — Примеч. пер.) продолжают использо-
вать и по сей день, и в эпоху больших данных они

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

Математика

стали гораздо более изощренными. Сейчас Власть шариковой ручки
труднее, чем когда-либо ранее, определен-
но выявить даже сам факт перекройки из- Для джерримендеринга используют тщательно прорисованные ли-
бирательных округов в чьих-либо корыст- нии, которые разбавляют избирательную волю населения в пользу
ных интересах. Люди считают, что могут одной их сторон, собрав сторонников ее соперника в несколько из-
распознать манипуляции по двум призна- бирательных округов с чрезмерно большим количеством избирате-
кам: по странной форме округа и по непро- лей (концентрация), распределяя их по нескольким избирательным
порциональному исходу выборов. Однако округам так, чтобы они были там в меньшинстве по отношению к сто-
и тот и другой ненадежны. Тогда каким же ронникам предпочтительного кандидата (размазывание), или комби-
образом нам определить, когда чаши весов нируя оба этих способа.
намеренно перекошены?
1 23

Тестирование на глазок
Эпизод 1812 г., который дал нам слово

«джерримендеринг», вырос из интуитивно-

го предположения, что нарезанные стран-

ным образом избирательные округа одним

своим видом выдают противозаконные

умыслы. Происхождение этого слова свя-

зано с именем Элбриджа Герри, в ту пору

бывшего губернатора Массачусетса. У Гер-

ри послужной список одного из отцов-ос-

нователей на ции — его подпись стоит под

Декларацией независимости, он был од- 60 голосa 40 60 голосa 40 60 голосa 40
ним из главных действующих лиц на Кон-
ституционном конвенте США, членом кон- Победа 6 4 Победа 10 0 Победа 4 6
гресса, вице-президентом при Джеймсе в округах: в округах: в округах:

Мэдисоне. Поэтому представляется забав- Сетка разбита на округа, чтобы результат выборов оказался пропорционален
ным тот факт, что своей прошедшей ис-
пытание временем славой он обязан бес- доле голосов в поддержку каждой из партий 1 . Ту же самую сетку можно
честной перекройке границ избиратель-
ных округов. Gerrymander («саламандра разметить, используя комбинацию концентрации и размазывания, чтобы до-
Герри») было сатирическим названием,
которое родилось из-за причудливой фор- биться экстремальных результатов 2 , 3 , — в первом случае партия синих
мы округа на северном побережье Бостона,
побеждает во всех округах, во втором она одерживает победу лишь в четы-
рех из десяти. В данном конкретном случае геометрия разрезания оказыва-
ется в пользу партии синих. Статистический анализ с использованием метода
Монте-Карло по схеме марковской цепи показывает, что в пространстве воз-
можных вариантов разбиений партия оранжевых, вероятнее всего, получит
два или три места, а не свою пропорциональную долю, равную четырем.

что, ка к счита лось, помогло демократиче-

ско-республиканской партии губернатора одер- о беспечивать физическую досягаемость. В феде-

жать победу над своим соперником в лице федера- ральном законе 1901 г. о пропорциональном рас-

листов. Сатирическая гравюра политической на- пределении ассигнований впервые в законода-

правленности, была опубликована в Salem Gazette тельной практике США было отмечено робкое

в 1813 г.; на ней к контуру избирательного округа пожелание, чтобы избирательные округа пред-

с явным намеком были добавлены крылья, когти ставляли собой «компактные территории». Слово

и клыки, чтобы подчеркнуть его схожесть с очер- «компактный» с тех пор прошло красной нитью че-

таниями рептилии. рез весь правовой ландшафт относительно пере-

Таким образом идея, что странная форма из- смотра границ избирательных округов, но почти

бирательного округа дает нам основания подо- всегда без четкого определения.

зревать правонарушения, уходит корнями в дав- Например, во время совещания 2017 г. Нацио-

нее прошлое, так же как и обратное утверждение, нальной конференции законодательных собраний

что аккуратно сшитые избирательные округа штатов я узнала, что после последней переписи за-

представляют собой идеал демократии, старо, конодатели штата Юта предприняли достойные

как сама наша республика. В 1787 г. в своей ста- похвалы усилия и нашли время, чтобы создать

Illustrations by Jen Christiansen тье, вошедшей в сборник «Заметки федералиста» сайт «Пересмотр избирательных округов в шта-

(The Federalist Papers), Мэдисон писал, что «есте- те Юта» (Redistrict Utah) с целью принимать пред-

ственный предел демократии — это расстояние ложения рядовых граждан по вопросу изменения

от центральной точки, которое еще позволяет са- карты избирательных округов. Чтобы участвовать

мым удаленным гражданам собираться так ча- в рассмотрении, карты должны были быть «доста-

сто, как того требуют их общественные функции». точно компактными». Я ухватилась за возмож-

Другими словами, избирательные округа должны ность выяснить, как именно эта характеристика

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 77

Математика

Размер сетки; Округа Размеры Как сравнить бесчисленные
количество округов равного округов могут варианты нарезки
размера отличаться (+/-1)
2 х 2; два округа избирательных округов
2 6
58 Цепи Маркова — это случайные блуждания по графу или сетке, в ко-
3 х 3; три округа 10 206 торых каждое следующее положение определяется законами ве-
1953 роятности и зависит от его текущего местоположения. В методах
4 х 4; два округа 70 34 524 Монте-Карло для оценки распределения вероятности используются
193 152 случайные выборки. Объединение обоих методов, получившее назва-
4 х 4; четыре округа 117 ?* ние «метод Монте-Карло по схеме марковской цепи« (МКМЦ), — это
? мощный инструмент для поиска возможных вариантов нарезки изби-
4 х 4; восемь округов 36 ? рательных округов в штате. Использовать методы численного анали-
? за с целью выявить нечестную нарезку округов пытаются уже несколь-
5 х 5; пять округов 4 006 ? ко десятилетий, однако попытки применить для решения этой задачи
? МКМЦ начались гораздо позже.
6 х 6; два округа 80 518 ?
? Простой случай
6 х 6; три округа 264 500 ?
? Легко пронумеровать все способы разрезания простой сетки на округа одина-
6 х 6; четыре округа 442 791 кового размера. Для сетки два на два с округами равного размера существует
лишь два решения. Однако если у округов могут быть разные размеры, число
6 х 6; шесть округов 451 206 возможных решений сразу же увеличивается до шести.

6 х 6; девять округов 128 939

6 х 6; 12 округов 80 092 Округа равного Размеры округов
размера могут отличаться на +/- 1
6 х 6; 18 округов 6728 Два решения Шесть решений

7 х 7; семь округов 158 753 814

8 х 8; восемь округов 187 497 290 034

9 х 9; девять округов 706 152 947 468 301 *Математики еще не пронумеровали эти решения, эта задача может потребовать недели
вычислений на компьютере или даже более. Подробнее на сайте www.mggg.org

о ценивается и обретает законную силу, но узнала Однако математический анализ показал, что это-
лишь, что это было сделано попросту путем отбра- м у план у присущ тот же самый чрезмерный пар-
сывания нелепо выглядящих карт округов. И ка- тийный уклон, что был и у «перекрученного», при-
ким бы плохим ни был этот подход, Юта отнюдь нятого в 2011 г., который тот должен был заменить.
не одинока. В законодательстве 37 штатов на этот Поэтому законодатели предпочли пойти на край-
счет прописаны определенные инструкции, ние меры, приняв план независимых сторонних
но почти в каждом случае все решается на глазок. экспертов.

Проблема в том, что внешние очертания изби- Неудовлетворительные итоги
рательного округа создают лишь частичное и за-
частую обманчивое представление о нем. С од- Но если форма не может служить надежным ин-
ной с т орон ы, мог у т с у щес твовать впол не зд ра вые дикатором джерримендеринга, как насчет того,
причины для уродливой формы. Физическая гео- чтобы исследовать степень соответствия избран-
графия или разумные попытки следовать грани- ных представителей картине голосования элек-
цам административного округа или объединить тората? Безусловно, неудовлетворительные ре-
группы населения по интересам могут повлиять з ул ьт ат ы на первы й взгл я д да ю т док а зат е л ь с т ва
на проведение гра ницы, хотя столь же часто при- злоупотребления. Но не спешите с выводами.
оритеты законодательства вроде тех, что перечис- Взять республиканцев в моем родном штате Мас-
лены, просто приносятся в жертву в попытке за- сачусетс. В ходе 13 федеральных выборов пре-
щитить избирательные округа, скомпонованные зидента и выборов в сенат, прошедших с 2000 г.,
с самым большим количеством правонарушений. кандидаты-республиканцы в среднем по штату
С другой стороны, округлой формы, компактные набирали более трети голосов — то есть в шесть
и симметричные избирательные округа не гаран- раз превысили уровень, необходимый для того,
тиру ют полноценного сертификата качества. Ка к чтобы получить место в одном из девяти избира-
раз в этом году в Пенсильвании план перекрой- т е л ьн ы х ок ру г ов Масс ач усе т с а, поскол ьк у в изби-
ки избирательных округов по выборам в конгресс, рательной компании, в которой только два кан-
предложенный республиканской партией в зако- дидата имеют шанс одержать победу, для этого
нодательном собрании штата, получил высокие требуется лишь простое большинство. Однако
оценки за компактность по всем пяти параметрам, ни один из кандидатов-республиканцев не полу-
установленным Верховным судом П енсильвании. ч а л ме с т о в п а л ат е п р едс т а ви т е лей с 19 9 4 г.

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

Математика

Случай с бóльшей сеткой Округа равного размера: 117 решений «х2» — означает, что каждая из конфигураций содержит ровно один
другой вариант, который можно получить с помощью вращения или
По мере роста размеров сетки х1 зеркального отражения. Эти варианты показаны в виде клонов справа.
число возможных вариантов ее Каждая конфигурация разбиения сетки принадлежит к семейству из од-
разрезания резко увеличивается. ного, двух, четырех или восьми вариантов.
Деление сетки четыре на четыре
на четыре округа равного размера х2
имеет 117 решений. Если округа мо-
гут отличаться размерами на одну х4
клетку, решений будет уже 1953.
В недалеком будущем для нумера- х8
ции возможных вариантов более
сложных сеток нам придется при- Исследовать планы разбиения
влечь самые мощные компьютеры.
Это представляет собой проблему
для любого, кто попытается вы-
явить злостные махинации в карте
избирательных округов, перебирая
несметное число способов нарезки
одного из штатов США. И здесь
на помощь приходит метод МКМЦ.

b на избирательные округа можно,
a идя случайным образом по мета-
a графу, определяемому пошаговыми
b перевертываниями блока ячеек.
На вкладке для каждой модели
разбиения отмечены ячейки a и b,
принадлежность которых к тому или
иному округу меняется при очеред-
ном шаге, в итоге переходя в кон-
a b фигурацию, показанную на рисунке.
b a Линии в этом графе изображают

элементарные шаги по изменению
принадлежности ячеек. Геометры
пытаются понять форму и структуру
метаграфа, дающего модель про-
странства всех возможных планов
по разбиению на округа и служаще-
го примером многих миллиардов
планов.

SOURCE: ZACHARY I. SCHUTZMAN AND FLOOR VAN DE VELDE Должно быть, мы имеем дело с джерримендерин- « строительных блоков», поддерживающих Чей-
гом, препятствующим получению республикан- за, которые можно было бы объединить в единое
ца ми за конной победы в ря де окру гов, верно? Вот « здание».
только математика в данном случае никакого кри-
минала не усматривает. Давайте взглянем на вы- Любому меньшинству избирателей требуется
борную гонку в штате в целом и оставим в сторо- определенный уровень неоднородности в распре-
не бесспорных лидеров и другие ведущие в тупик делении его голосов, чтобы наша избирательная
переменные. Возьмем, например, Кеннета Чей- система давала возможность хотя бы теоретиче-
за (Kenneth Chase), соперника Теда Кеннеди (Ted ски обеспечить ему представительство. И в том
Kennedy) от республиканской партии на выбо- типе анализа, который применялся к рассмо-
рах в сенат 2006 г., который набрал 30% голосов трению соперничества Чейза и Кеннеди, даже
в целом по штату. При пропорциональной систе- не учитывались пространственные факторы, та-
ме с ледова ло бы ожидать, что Чейз побьет Кенне- кие как стандартные требования, чтобы каждый
д и почти в т рех из дев яти изби рат е л ьн ы х окру га х. избирательный округ был единым пространством
Однако числа и не шелохнулись. Оказывается, ма- и л и, к а к говорят мат емати к и, св язной облас тью.
тематически невозможно выделить одну террито- Правомерно задаться вопросом, каким образом
рию размером с избирательный округ, включаю- мы когда-либо сможем заставить архитекторов
щий города и ли и х окрестности, да же разброса н- избирательных округов отчитываться, если ланд-
ные по всему штату, в которой победил бы Чейз. шафт возможностей может таить так много сюр-
Поддерживающие его избиратели просто не объ- призов.
единяются в достаточно п лотные гру ппы. Вместо
этого на большинстве территорий за Чейза прого- Блуждая, идем к решению проблемы
лосовали на уровне, близком к среднему по шта-
ту, и поэтому было слишком мало избирательных Единственный разумный путь добиться честности
при составлении планов границ избирательных
округов — это сравнить их с другими реальными
планами нарезки одной и той же подведомствен-
ной области, поскольку нужно контролировать все
аспекты исходов выборов, которые связаны с за-
конодательством штата, его демографией и геогра-
фией. Проблема в том, что изучение пространства

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 79

Математика

возможных вариантов нарезки избирательных (в каждой точке, чтобы выбрать, в какую из сосед-
округов становится огромной, практически нере- них точек пойти, вы бросаете кости). Методы Мон-
шаемой задачей. те-Карло — это всего лишь инструмент для оцен-
ки с помощью случайной выборки. Объедините их
Рассмотрим простую сетку четыре на четыре вместе — и вы получите мощный инструмент для
и предположим, что мы хотим разделить ее на че- поиска в огромном пространстве возможных ис-
тыре округа одинакового размера, состоящих ходов. Метод МКМЦ успешно применялся для рас-
из четырех смежных квадратиков каждый. Если шифровки тюремной переписки, изучения свойств
представить себе, что эта сетка — часть шахмат- жидкостей и фазовых переходов в них, нахожде-
ной доски, и смежное расположение мы интерпре- ния доказуемо точного быстрого приближения для
тируем как возможность для ладьи пройти в лю- трудных вычислительных задач и многого друго-
бую точку округа, то для этого существует ровно го. По оценке выдающегося ученого в области ма-
117 способов. Если считать смежными квадрати- тематической с татис тики Перси Д иа кониса (Persi
ки, соприкасающиеся в одной (угловой) точке (так Diaconis), опубликованной в его обзоре 2009 г., ме-
называемое ферзевое прилегание), то таких спо- тодом МКМЦ решается от 10 до 15% статистиче-
собов будет 2620. И их не так-то просто сосчи- ских задач в науке, технике и бизнесе, и с тех пор
тать. Как выразился мой коллега Джим Пропп (Jim число решаемых с его помощью задач только вы-
Propp), профессор Массачусетского университета росло. Хотя проведение расчетов по перекрой-
в Лоуэлле и ведущий специалист в области пере- ке округов уже имеет историю в несколько деся-
числительной комбинаторики: «В одном измере- тилетний, серьезные попытки применить метод
нии, чтобы разделять и властвовать, достаточно МКМЦ для этой цели начали появляться лишь где-
разорвать траекторию в одной из точек маршру- то в 2014 г.
та, а в двух измерениях вдруг оказывается, что су-
ществует множество способов попасть из точки Представьте, что официальные лица условной
A в точку В». страны Гридландии подрядили вас, чтобы разо-
браться, насколько обоснована схема разбиения
Проблема в том, что на ил у чшие а лгоритмы под- на избирательные округа, предложенная законо-
счета основа ны на рек у рсии (то есть для решения дательной властью этой страны. Если Гридлан-
задачи используется аналогичная задача, на шаг дия представляет собой сетку квадратов размером
более простая), однако к задачам двумерного про- четыре на четыре и если по ее конституции требу-
странственного подсчета рекурсия плохо приме- ется ладейная смежность округов, то вам повезло:
нима без использования определенной внешней существует ровно 117 способов составить отвечаю-
структуры. Поэтому полное перечисление долж- щий требованиям план, и вы можете проверить их
но основываться на грубой силе. И если компьютер все. Вы можете построить абсолютно точную мо-
с хорошо написанной программой может решить дель этого простра нства п ла нов разбиения на из-
задачу по классификации разбиений небольших бирательные округа, используя 117 узлов, чтобы
сеток почти мгновенно, то с ростом размеров сет- представить подходящие варианты и, добавляя
ки мы наблюдаем огромный скачок в увеличении границы между узлами, изобразить простые ходы,
сложности — и вычислительная сложность быстро при которых два квадрата в этой сетке меняют
разрастается за пределы досягаемости. К тому вре- свои избирательные предпочтения. Эти границы
мени, когда вы подойдете к сетке девять на девять, дают вам способ концептуализации того, насколь-
будет уже 700 трлн решений для равномощных ла- ко од и н вариа нт похож на д ру гой, п у т ем п рос т ого
дейных разбиений и даже высокопроизводительно- подсчета числа шагов, необходимых для превра-
му компьютеру потребуется неделя, чтобы подсчи- щения одного во второй. (Я называю такую струк-
тать их все. Это выглядит как безнадежное дело. туру метаграфом, потому что данный граф пока-
Мы пытаемся оценить один из возможных способов зывает способы, как разрезать на части другой
разрезания, не имея возможности пересчитать — граф.) Теперь предположим, что в законодательном
не говоря уже о том, чтобы каким-то образом срав- собрании штата большинство имеет партия бубен,
нить — все пространство альтернативных вариан- а ее соперники подозревают, что она мошеннича-
тов. Это все ра вно что и дти на ощ у п ь по бесконеч- ет с выборами в парламент в свою пользу. Чтобы
ной темной глухой тайге. определить, действительно ли это так, можно об-
ратиться к данным выборов. Если вариант бубен
Хорошая же новость заключается в том, что су- дал для этой партии больше мест на последних вы-
ществует стандартная процедура, используемая борах, скажем, 114 из 117 альтернативных вари-
в научных исследованиях для решения именно антов, и если это верно для нескольких последних
таких неподъемных задач: методы Монте-Карло выборов, этот вариант — безусловный статистиче-
по схеме марковской цепи (МКМЦ). Цепи Марко- ский выброс. Это убедительное свидетельство пар-
ва — это методы случайного блуждания, ког- тийного джерримендеринга, и вам не потребуются
да точка, куда вы попадете в результате следую- методы МКМЦ для такого анализа.
щего шага, управляется случаем и зависит толь-
ко о т т ого, где вы на ход ит есь в нас т оя щ и й момент

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

Математика

Метод Монте-Карло по схеме марковской цепи даст результат намного хуже, чем другие, которые
выходит на сцену, когда у вас полномасштабная уже были рассмотрены путем случайных блужда-
проблема, а не эта детская игрушечная задачка. ний. В его методе рассчитываются р-значения, ко-
К а к тол ько вы п рой де те 100 и л и около того узлов, торые налагают ограничения на то, насколько не-
появится аналогичный метаграф, но вы не сможе- вероятно найти аномальное смещение случайным
те выстроить его полностью из-за его пугающей образом. Судьи нашли оба аргумента заслуживаю-
сложности. Это, однако, не означает конец игры. щими доверия и опирались на них каждый в сво-
Из любого одного проекта разбиения нетрудно вы- ем решении.
с т роить лок а л ьн ые сосед н ие окру га, п роде ла в все
возможные шаги. Теперь вы можете проделать Что касается меня, в начале этого года губерна-
миллион, миллиард или триллион шагов и полу- тор Пенсильвании Том Вольф привлек меня в ка-
чить то, что вам надо. Существует математическое честве эксперта-консультанта в распре, связан-
обоснование (эргодическая теория, если точнее), ной с прорисовыванием новых границ избиратель-
которое гарантирует, что если вы идете случай- ных округов штата, последовавшей за решением
ным образом достаточно долго, то а нса мбль карт, Верховного суда коренным образом пересмотреть
которые вы собрали, будет обладать свойствами план демократов 2011 г. Мой вклад состоял в пред-
всей Вселенной, обычно задолго до того, как вы по- ложении использовать рамки метода Монте-Карло
сетите даже скромную часть узлов в пространстве по схеме марковской цепи для оценки новых пла-
вашего штата. Это позволяет вам определить, дей- нов, по мере их поступления, воспользовавшись
ствительно ли карта, которую вы оцениваете, без- мощью метода отбрасывания на основе анализа
божно обма н ы вае т в соотве тс тви и с той и л и и ной выбросов и в то же время добавляя новые способы,
партийной метрикой. чтобы учесть в этой игре больше различных прин-
ципов построения избирательных округов, от ком-
Передний край научных поисков — задача по- пактности к делению округов и далее к учету демо-
строить еще более мощные алгоритмы и одновре- графической структуры населения. Проведенный
менно сформулировать новые теоремы, которые мною анализ пришел к таким же выводам, что
подтвердят, что наша выборка достаточно репре- и анализ Пегдена, показав, что план 2011 г. был
зентативна, чтобы на ее основе сделать твердые крайним случаем выброса в пользу одной из пар-
выводы. Этот метод получает все б льшую под- тий, — при этом я обнаружила, что и новый план,
держку среди ученых, но имеется также и много поддерживаемый законодателями, так же анома-
других направлений дальнейшего развития ис- лен, как и старый, хотя его улучшенный внешний
следований. вид вводил в заблуждение.

Покойся с миром, губернатор Герри По мере того как приближается перепись населе-
ния 2020 г., страна готовится к очередному взры-
До сих пор суды, похоже, относятся с улыбкой к та- ву дикой перекройки избирательных округов с не-
кому подходу. Два математика, Джонатан Мэт- пременными последующими судебными тяжба-
тингли (Jonathan Mattingly) из Дюкского универ- ми. Я надеюсь, что следующие шаги завершатся
ситета и Уэс Пегден (Wes Pegden) из Университета не просто в залах судебных заседаний, но также
Карнеги — Меллона, недавно свидетельствовали и в реформа х, ко т орые по т ребу ю т, чт обы бол ьшой
перед судом на основе данны х, пол ученны х мето- ансамбль карт, сделанных с помощью инструмен-
дом Монте-Карло по схеме марковской цепи, в фе- тов с открытыми исходными кодами, был прове-
деральном суде в Северной Каролине и суде уровня рен прежде, чем какой-либо из планов станет за-
штата в Пенсильвании соответственно. коном. Таким образом законодательная власть со-
хранит свои традиционные прерогативы одобрять
Мэттингли использовал метод МКМЦ, чтобы оха- и утверждать границы избирательных округов,
рактеризовать разумный диапазон, который мож- но ей следует также дать определенные гарантии,
но было бы наблюдать для различных метрик, что она не положит свой слишком толстый палец
таких как полученные на выборах места в пар- на одну из чаш весов правосудия.
ламенте, для различных ансамблей наборов наре-
зок избирательных округов. Его метод случайных Компьютерные расчеты никогда не станут для
блужданий был взят за основу для оценки планов, нас причиной жестких решений по пересмотру гра-
которые казались почти идеальными и полностью ниц избирательных округов и не смогут дать един-
соответствовали законодательству штата Север- ственное оптимальное решение задачи их плани-
ная Каролина. Используя свои ансамбли, он дока- рования. Но они могут удостоверить, что план со-
зал, что утвержденный план представляет собой ставлен в строгом соответствии с законами штата.
модель, значительно отклоняющуюся от наибо- Только это сможет обуздать ситуацию в условиях
лее вероятного состояния в пользу одной из пар- вопиющих злоупотреблений и запустит процесс
тий. Пегден использовал другой вид проверки, ба- восстановления доверия к правовой системе.
зирующийся на теореме, точно определяющей,
насколько невероятно то, что нейтральный план Перевод: А.П. Кузнецов

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 81

ОНАНУЕКРААВЕНСТВЕ СОДЕРЖАНИЕ Illustration by Andrea Ucini

СП Е ЦИАЛ ЬН Ы Й РЕ ПОРТАЖ НЕЧЕСТНАЯ
ЭКОНОМИКА
НАУКА
О Экономическое неравенство
в Соединенных Штатах выше,
НЕРАВЕНСТВЕ чем в других развитых странах.
Американская политическая
Высокий уровень экономического неравенства негативно система наряду с изначально
сказывается на благосостоянии и здоровье людей, а также существовавшим высоким
на биосфере. Вопреки ожиданиям, неравенство затрагива- уровнем неравенства
ет богатых и средний класс, а не только бедных. Экономист предоставила богатым
Джозеф Стиглиц раскрывает причины неравенства в США политическое влияние,
и предлагает меры по его устранению. Политолог Вирджиния достаточное, чтобы менять
Юбэнкс рассказывает, как цифровые системы вместо помощи законы в свою пользу, что
часто причиняют вред самым уязвимым членам общества. привело к еще большему
Нейробиолог Роберт Сапольски подробно объясняет, за счет неравенству.
каких механизмов неравенство оказывает влияние на психи- Для того чтобы уменьшить
ческое и физическое здоровье. Экономист Джеймс Бойс опи- неравенство и возродить
сывает, как несбалансированность сил в экономике и поли- надежды, необходимо
тике наносит ущерб окружающей среде и как сообщества объ- разорвать этот замкнутый
единяются, чтобы с этим бороться. круг, ограничив власть денег
в политике.

АВТОМАТИЗАЦИЯ
НЕОБЪЕКТИВНОСТИ

Политики и программные
администраторы все чаще
используют алгоритмы, чтобы
определять, подходят ли
бедные люди для включения
в государственные программы
помощи.
Однако без учета более
серьезных проблем, связанных
с предвзятостью системы
и ошибочной политикой,
автоматизация только
укрепляет неравенство.

ЗДОРОВЬЕ
И РАЗРЫВ В УРОВНЕ
БЛАГОСОСТОЯНИЯ

Неравенство приводит
к ухудшению здоровья и ранней
смертности, но не только
из-за плохого питания и слабой
доступности медицинских
услуг.
Увеличение разрыва между
богатыми и бедными,
как показали недавние
исследования, способствует
повышению нагрузки
на организм за счет
хронического стресса.
Такой психосоциальный стресс
действует на организм по трем
направлениям: он вызывает
постоянный воспалительный
процесс, разрушение
хромосомных элементов
и повреждения областей мозга.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
ЦЕНА НЕРАВЕНСТВА

Бедные люди больше,
чем другие, страдают
от ухудшения состояния
окружающей среды.
Больший разрыв между
обладающими экономической
и политической властью
и теми, кто этого лишен,
приводит к обострению
экологической обстановки
на местах.
Новый энвайронментализм
помогает защищать
маргинализированные группы
населения от вреда, наносимого
теми, кто получает выгоду от
деструкции окружающей среды.

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

Специальный репортаж

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 83

Illustration by Andrea Ucini

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

ОНАНУЕКРААВЕНСТВЕ

НЕЧЕСТНАЯ
ЭКОНОМИКА

И что нам с этим делать

Джозеф Стиглиц

Американцы привыкли считать свое государство особенным. Во многом это так
и есть: в США, несомненно, больше всего лауреатов Нобелевской премии, самые
кру пные расходы на оборон у (они почти ра вны су ммарном у оборонном у бюджет у
след у ющи х десяти стра н в списке) и больше всего ми л лиардеров (в два раза боль-
ше, чем у ближайшего соперника — Китая). Но некоторые примеры американской
исключительности не дают поводов для гордости. Согласно большинству оценок,
в Соединенных Штатах самый высокий уровень экономического неравенства сре-
ди развитых стран. При самых высоких затратах на здравоохранение на душу на-
селения в мире в США все еще самая низкая средняя продолжительность жизни
среди развитых стран. Америка также относится к ряду государств, печально из-
вестных самыми низкими показателями, касающимися равенства возможностей.

Неотъемлемая часть нашего существования — они формируются под влиянием правил и зако-
представление об американской мечте, то есть нов, которые могут разрабатываться так, чтобы
о том, что Америка в отличие от старушки Евро- дать преимущество одним группам перед другими.
пы — страна возможностей. И все же цифры гово- Прези дент Дона л д Т ра м п пра в, говоря, что сис те-
рят обратное. Жизненные перспективы молодых мой манипулируют — как раз члены наследствен-
американцев больше, чем в любой другой разви- ной п л у т ократи и, к ко т орой п ри на д ле ж ит он са м.
той стране, зависят от доходов и образования их И он только ухудшает ситуацию.
род ит е лей. Расск азы о выби вш и хс я в л юд и бед н я-
ках тиражируются в СМИ именно потому, что та- Америка издавна превосходила другие страны
кие случаи — редкость. по уровню неравенства, но за последние 40 лет
значение этого показателя достигло новых вер-
И ситуация, похоже, ухудшается, частично в ре- шин. В то время как доля доходов находящихся
зультате действия факторов, которые мы неспо- на вершине шкалы 0,1% увеличилась вчетверо,
собны контролировать, таких как развитие техно- а 1% — вд вое, доход ы 90% бед ного насе лен и я сн и-
логий и глобализация, но в основном, что больше зились. С учетом инфляции зарплаты беднейших
всего беспокоит, из-за нас самих. К такой мрач- слоев остались на том же уровне, что и 60 лет на-
ной ситуации привели не законы природы, а зако- зад! Фактически доходы людей с общим или непол-
ны человечества. Рынки не существуют в в акууме: ным средним образованием упали за последние

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 85

Специальный репортаж

ОБ АВТОРЕ

Джозеф Стиглиц (Joseph E. Stiglitz) — профессор Колумбийского университета и главный
экономист в Институте Рузвельта. Лауреат Нобелевской премии по экономике 2001 г., Стиглиц
возглавлял группу экономических советников при президенте США в 1995–1997 гг. (при адми-
нистрации Билла Клинтона), а в 1997–2000 гг. занимал пост главного экономиста и первого
вице-президента Всемирного банка. В 2008–2009 гг. Стиглиц был председателем Комиссии
экспертов ООН по реформированию международной валютно-финансовой системы.

Угасающая десятилетия. Больше всего это затрагивает муж- SOURCES: “THE FADING AMERICAN DREAM: TRENDS IN ABSOLUTE INCOME MOBILITY SINCE 1940,” BY RAJ CHETTY ET AL., IN SCIENCE, VOL. 356;
американская мечта ское население, поскольку США перешли от обра- APRIL 28, 2017 (child-parent wealth comparison); WORLD INEQUALITY DATABASE (90% versus 1% wealth trend data); Graphics by Jen Christiansen
батывающей промышленности к экономике, осно-
Вопреки распространенному представлению, равенство воз- ванной на сфере услуг.
можностей в США гораздо ниже, чем в большинстве развитых
стран, и ситуация ухудшается. Доклад экономиста Раджа Четти Смерть от отчаяния
(Raj Chetty) и других показывает, что американцы, родившие-
ся в 1940 г., почти всегда преуспевали больше, чем их родители. Распределение богатства еще более неравномерно:
Однако те, кто родился в 1980 г., с той же степенью вероятности всего три американца владеют состояниями, рав-
оказывались в затруднительном положении. Ситуация с равен- ными по размеру имуществу 50% наименее обе-
ством возможностей ухудшается в значительной степени из-за спеченного населения вместе взятых. Это свиде-
высокой стоимости высшего образования в сочетании с увеличе- тельствует о том, как много денег сконцентриро-
нием экономического неравенства. Статистика Всемирной базы вано в верхней части социальной лестницы и как
данных о неравенстве доходов показывает, что приблизитель- мало внизу. Семьи, относящиеся к наименее обе-
но с 1970 г. доход богатейшего 1% с учетом инфляции увеличил- спеченным 50% населения, вряд ли имеют денеж-
ся вчетверо, тогда как доход беднейших 90% остался прежним. ные накопления на крайний случай. Газеты пере-
Доход мужчин со средним общим образованием упал. полнены историями о тех, для кого поломка ма-
шины или болезнь стала отправной точкой: люди
Для многих американская мечта угасает... попали в замкнутый круг и уже не смогли из него
100 выбраться.
Процент детей, зарабатывающих
больше, чем их родители 75 В значительной степени из-за высокого уровня
неравенства (подробнее — в статье «Экономиче-
50 ское неравенство отражается на здоровье» Робер-
та Сапольски) средняя продолжительность жиз-
25 ни в США, и так исключительно малая, постоян-
но снижается. Так происходит, несмотря на чудеса
0 1950 1960 1970 1980 медицины и значительные прорывы, достигнутые
1940 здесь, в Америке, которые быстро становятся до-
ступны богатым людям. Экономист Энн Кейс (Ann
Год рождения ребенка Case) и лауреат Нобелевской премии по экономике
2015 г. Энгус Дитон (Angus Deaton) описывают одну
...в то время как в США разрыв в доходах увеличивается из основных причин роста смертности — повыша-
1 200 000 ющееся количество страдающих алкоголизмом,
Средний доход (2015 г., доллары) увеличение числа случаев передозировок нарко-
800 000 1% богатейшего ти ков и с у и ц и дов — к а к «смер ть о т о тча я н и я» т ех,
400 000 населения кто потерял надежду.

0 90% беднейшего населения У защитников американского неравенства есть
готовое объяснение. Они ссылаются на меха-
1980 1990 2000 2010 низмы конкурентного рынка, где законы спроса
и предложения определяют уровень зарплат, цен
и даже процентной ставки, — механическую си-
стему, напоминающую ту, которая описывает фи-
зический мир. Отстаивающие такую точку зре-
ния утверждают, что те, кто обладает редкими ак-
тивами или навыками, щедро вознаграждаются,
поскольку они вносят больший вклад в экономи-
ку. То, сколько они получают, просто отражает,

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

Специальный репортаж

сколько они вкладывают. Зачастую они получают поздних стадиях оно сокращается. Теория дол-

даже меньше, чем вкладывают, поэтому осталь- го согласовывалась с фактами, но затем, в начале

ным остается намного больше. 1980-х гг., тенденция полностью изменилась.

Такая выдумка когда-то могла смягчить вину Объяснение неравенства
верхушки и убедить остальных принять столь

плачевное состояние вещей. Возможно, определя- Экономисты выдвигают ряд объяснений, почему

ющим моментом для раскрытия лжи стал финан- на самом деле неравенство усугубляется во многих

совый кризис 2008 г. Тогда банкиры, доведшие развитых странах. Некоторые утверждают, что

глобальную экономику до тяжелейшего состоя- с развитием технологий повышается спрос на вы-

ния за счет грабительского кредитования, мани- сококвалифицированный труд и снижается по-

пулирования рынками и других антиобществен- требность в работниках с низкой квалификацией,

ных действий, похитили миллионы долларов что и приводит к снижению зарплат последних.

в виде премий, в то время как из-за этих людей И все же только этим нельзя объяснить, почему

миллионы американцев потеряли работу и свои даже квалифицированный труд так мало оплачи-

дома и еще десятки миллионов жителей планеты вается в течение последних двух десятилетий, по-

пострадали. Практически ни один из этих бан- чему так плохо обстоит дело со средней зарплатой

киров не понес ответственности за свои престу- и почему ситуация в США намного хуже, чем в дру-

пления. гих развитых странах. Изменения технологий про-

Я понял, что подобное объяснение неравенства — исходят по всему миру и должны были бы влиять

выдумка, когда еще был школьником и размыш- на все передовые экономики одинаково. Другие

лял о богатстве плантаторов, созданном трудом экономисты винят саму глобализацию, ослабляю-

рабов. Во времена Гражданской войны рыночная щую позиции работников. Фирмы могут работать

стоимость рабов на Юге составляла приблизитель- и работают за границей до тех пор, пока не ослаб-

но половину всего богатства региона, включая сто- нут требования о повышении зарплаты. Но, опять

имость земли и физический капитал — фабрики же, глобализация — это общее явление для всех ве-

и оборудование. Источником богатства, по край- дущих экономик. Почему ее последствия для США

ней мере в этой части государства, было не произ- намного серьезней?

водство, изобретения или торговля, а эксплуата- Отчасти в ситуации виноват переход от эконо-

ция. Сегодня эта открытая форма эксплуатации мики, основанной на производстве, к экономике,

сменилась менее явной, которая усилилась со вре- основанной на сфере услуг. В своем крайнем про-

мен «революции» Рейгана — Тэтчер 1980-х гг. Я явлении (фирма, состоящая из одного человека)

считаю, что причина

роста неравенства в Со-

единенных Штатах за-

к лючаетс я именно в та- Неравенство в мире: тенденции
кой эксплуатации.

После проведения по- Неравенство усилилось в большинстве развитых стран под влиянием таких факторов, как глоба-
литики «Нового кур- лизация, изменения технологий и переход к экономике, основанной на сфере услуг. Тем не менее,
са» в 1930-х гг. амери- по информации Всемирной базы данных о неравенстве доходов, в США этот показатель растет бы-
канское неравенство стрее всего. Так происходит в связи с тем, что правила переписывались, чтобы сделать их более
ста ло у меньшаться. выгодными для богатых и невыгодными для всех остальных. Крупным компаниям разрешалось по-
К 1950-м гг. неравен- лучить большее влияние на рынок, а влияние работников сокращалось. Политика в сфере налого-
SOURCES: ECONOMIC REPORT OF THE PRESIDENT. JANUARY 2017; WORLD INEQUALITY DATABASE обложения и других сферах экономики постоянно создает для богатых благоприятные условия.

Доля доходов страны, приходящаяся на 1%ство сократилось до та-20%Великобритания США
богатейшего населениякой степени, что еще

один лауреат Нобелев-

ской премии по эконо-

мике, Саймон Кузнец, 15%

сформулировал посту-

лат, ставший извест- Канада Германия Япония
ным как «закон Куз-
неца». Согласно этому 10%

закону, на ранних ста- 5% Италия Франция
диях развития, ког-
да некоторые регио-

ны страны пользуются

вновь открывшимися 0

возможностями, нера-

венство растет; на более 1980 1990 2000 2010

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 87

Специальный репортаж

э кономика сферы услуг — это система, действую- В своем знаменитом труде 2013 г. «Капитал

щая по принципу «Победитель получает все». На- в X XI в.» французский экономист Тома Пикетти

пример, кинозвезды зарабатывают миллионы, (Thomas Piketty) обращает свое внимание на капи-

а большинство актеров — жалкие гроши. Кроме талистов. Он предполагает, что те немногие, кто

того, в экономике сферы услуг, по-видимому, воз- владеет большей частью капитала страны, хра-

можен более широкий разброс в размерах зарпла- нят в виде сбережений так много, что с учетом ста-

ты по сравнению с экономикой производства, так бильной и высокой окупаемости капитала (по от-

что такой переход приводит к усилению неравен- ношению к уровню роста экономики) их доля в на-

ства. Тем не менее этот факт не объясняет, почему циональном доходе увеличивается. Однако теория

в течение десятилетий не увеличивался средний Пикетти вызывает сомнения по ряду оснований.

уровень оплаты труда. Более того, переход к эконо- Например, в США уровень сбережений даже са-

мике сферы услуг происходит в большинстве раз- мых состоятельных граждан настолько низкий

витых стран, так почему в США все обстоит на- по сравнению с богатыми людьми в других стра-

много хуже? нах, что неравенство в Америке должно быть мень-

Кроме того, поскольку услуги часто предостав- ше, а не больше.

ляются локально, фирмы имеют большее влия- Альтернативная теория намного больше со-

ние на рынок, то есть возможность устанавливать ответствует фактам. С середины 1970-х гг. как

цены выше, чем те, что были бы в условиях кон- на глобальном уровне, так и на уровне государств

курентного рынка. В маленьком сельском город- правила игры в экономике переписывались таким

ке Америки может быть только один авторизован- образом, что богатые получали преимущество пе-

ный сервисный центр Toyota, в котором вынужде- ред остальными. И в США в таком порочном из-

ны обслуживать свои машины практически все менении правил зашли еще дальше, чем в других

владельцы этой марки. Фирмы, предоставляю- развитых странах, — даже несмотря на то, что

щие такие локальные сервисные услуги, могут за- в Америке эти правила уже были менее благопри-

вышать цены, увеличивая свою прибыль и доходы ятны для трудящихся. С этой точки зрения рост

владельцев и менеджеров. Это тоже усиливает не- неравенства — это вопрос выбора, то есть след-

равенство. Но все-таки почему уровень неравен- ствие проводимой политики, принятых законов

ства практически уникален в США? и норм.

В Соединенных Шта-

тах влияние крупных

корпораций на рынок,

Неравномерное распределение которое с самого нача-
результатов глобального роста ла было серьезнее, чем

Глобализация положительно сказалась на миллионах бедных людей в странах с развивающейся в остальных развитых
экономикой, особенно в Китае. Данные, собранные экономистом Бранко Милановичем (Branko страна х, увеличилось
Milanovic) и представленные в «Докладе о неравенстве в мире — 2018» демонстрируют, тем не ме- даже больше, чем где-
нее, что в период с 1980 по 2016 г. чрезмерную выгоду извлекал 1% самых богатых людей в мире, либо еще. С другой сто-
роны, влияние на рынок

которые получили более 25% растущих доходов глобальной экономики. В начале 2018 г. Oxfam со стороны работников,
International сообщили, что всего 42 человека владеют состояниями, равными имуществу вместе которое и было невысо-
взятых 50% самых бедных. В США и Западной Европе рост глобальной экономики принес наимень- ким по сравнению с боль-
шинством развиты х
стран, стало еще мень-
ше. Это явление связа-
но не только с переходом
Суммарный рост доходов среднего
представителя каждой группы

SOURCES: WORLD INEQUALITY REPORT 2018. WORLD INEQUALITY LAB, 2017; BRANKO MILANOVIC
шую выгоду среднему классу, так же как и беднейшим слоям населения.

250% 50% самых бедных 1% самых
200% получили 12% богатых
суммарного роста получил 27%
суммарного
роста

к экономике сферы услуг,

150% Рост доходов в растущих Процветающая но и с мошеннически-
экономических системах глобальная ми правилами игры —
элита правилами, установ-

100% Упадок среднего класса в США ленными политической
и Западной Европе системой, которой ма-

50% нипулируют с помощью
предвыборных махина-

ций, давления на изби-

0 рателей и денег. Сфор-

10 20 30 40 50 60 70 80 90 99 99,9 99,99 100 мирова лс я порочны й

круг: экономическое не-

Бедные Группа доходов (процентиль) Богатые равенство превращается

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

Специальный репортаж

в политическое, в результате создаются правила, Растущий разрыв
дающие преимущество богатым, и в итоге эконо- в зарплатах
мическое неравенство усиливается.
По данным Джоша Бивенса (Josh Bivens) и его коллег из Института
Петля обратной связи экономической политики, приблизительно с 1980 г. производи-
тельность американских рабочих удвоилась. Но зарплаты заня-
Политологи установили механизмы влияния денег тых на производстве рабочих не меняются, а практически всю
на политику в определенных политических систе- прибыль от увеличения производительности получают инвесто-
ма х, в резул ьтат е ко т орого более высок и й у ровен ь ры и собственники. Тем не менее оплата труда 1% самых бога-
экономического неравенства превращается в боль- тых, включая руководителей корпораций и специалистов по фи-
шее политическое неравенство. Неравенство в по- нансам, выросла — более чем на 150% в период с 1979 по 2012 г.
л ити ке, в свою очеред ь, п ри вод ит к еще бол ьшем у Увеличивающийся разрыв в зарплатах играет важную роль в ро-
эконом и ческом у нера венс тву, та к ка к богатые ис- сте неравенства.
пользуют политическую власть для установления
выгодных для себя правил игры, например для 250
смягчения антимонопольных законов и ослабле-
SOURCES: RAISING AMERICA’S PAY: WHY IT’S OUR CENTRAL ECONOMIC POLICY CHALLENGE, BY JOSH BIVENS ET AL. ECONOMIC POLICY INSTITUTE, JUNE 4, ния влияния профсоюзов. С использованием ма- 200
2014; THE STATE OF WORKING AMERICA, BY LAWRENCE MISHEL, JOSH BIVENS, ELISE GOULD AND HEIDI SHIERHOLZ. 12TH EDITION. ILR PRESS, 2012 тематических моделей экономисты, подобные мне, Производительность
показали, что такая петля обратной связи «день-
Совокупное процентное ги — регулирование» приводит по меньшей мере 150
изменение с 1948 г.к двум стабильным состояниям. Если экономика
с самого начала формируется в условиях с низким 100
уровнем неравенства, политическая система вы-
рабатывает правила, поддерживающие этот уро- 50 Почасовая оплата
вень, что приводит к одному состоянию равнове-
сия. Американская система представляет собой 0 1970 1990 2010
другое состояние равновесия и таковой и останет- 1950
ся, пока не наступит демократическое политиче-
ское пробуждение. власть для уничтожения конкурентов и, в ко-
нечном итоге, повышения цен. Ситуацию усугу-
Рассказ о том, как устанавливаются правила, бляет то, что в США компании отличаются изо-
необходимо начать с антимонопольных законов, бретательностью не только относительно произ-
первый из которых был принят в США 128 лет на- водимых продуктов, но и в вопросе разработки
зад для предотвращения концентрации рыночной способов расширения и усиления своей рыноч-
власти. Эти нормативные акты уже не так строго ной власти. Еврокомиссия оштрафовала Microsoft
выполняютс я — и это в то время, когда, наоборот, и Google на миллиарды долларов и обязала эти
власть закона должна укрепляться. Изменения компании положить конец направленным про-
технологий привели к тому, что рыночная власть тив конкуренции практикам (так, Google дает пре-
сконцентрировалась в руках нескольких глобаль- имущество собственному сервису сравнения цен
ных игроков, отчасти благодаря так называемым в и нт ерне т-ма гази на х). В СШ А де лае т с я с л и ш ком
сетевым эффектам: вы, скорее всего, присоеди- мало, чтобы контролировать концентрацию ры-
нитесь к конкретной социальной сети или буде- ночной власти, поэтому неудивительно, что она
те использовать определенный текстовый процес- увеличилась во многих секторах экономики.
сор, если ими уже пользуются все ваши знакомые.
Закрепившиеся на рынке компании, такие как Манипуляция правилами также объясняет, по-
Facebook или Microsoft, трудно вытеснить. Более чему эффект от глобализации оказался в Соеди-
того, постоянные издержки, например на разра- ненных Штатах более серьезным. Согласованная
ботку компонента программного обеспечения, уве- ата ка на профсоюзы привела к сокра щению почти
личились по сравнению с предельными издерж- наполовин у доли рабочи х — членов профсоюзов —
ка м и — затрата м и на коп и рова н ие п рогра м м ного до 11%. (В Скандинавии этот показатель составля-
продукта. Новый участник должен сначала поне- ет почти 70%.) В результате ослабления влияния
сти эти постоянные издержки, и если он попадет профсоюзов рабочие менее защищены от попыток
на рынок, богатая крупная компания может отве- компа ний понизить зарплаты или у х удшить усло-
тить резким снижением цен. Затраты на создание вия труда. Более того, инвестиционные соглашения
дополнительного экземпляра электронной кни- США, такие как Североамериканское соглашение
ги или программы редактирования фотоснимков, о свободной торговле, которые преподносились как
по существу, равны нулю.

Словом, выход на рынок — трудный и рискован-
ный процесс, и это дает закрепившимся фирмам
с серьезными финансовыми резервами о громную

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 89

Специальный репортаж

способ предотвращения дискриминации амери- ры н ком и и нса й дерска я торгов л я. В итоге фи на н-
канских фирм, также защищают инвесторов от бо- совый сектор забирает деньги у обычных амери-
лее строгого законодательства в области экологии канцев в пользу богатых банкиров и акционеров
и здравоохранения, действующего в других стра- банков. Такое перераспределение богатства игра-
нах. Например, такие соглашения позволяют кор- ет важную роль в росте неравенства в Америке.
порациям в обход законов, защищающи х граждан
и окружающую среду, но влияющих на прибыль Имеются множество других способов так на-
мультинациональной компании, предъявлять госу- зываемого извлечения ренты — несопоставимо-
дарствам иски для рассмотрения в закрытых меж- го с общественным вкладом вывода средств из на-
дународных арбитражных комиссиях. Фирмам ционального дохода. Например, правовая норма,
нравятся такие условия, придающие достоверность принятая в 2003 г., установила запрет на участие
угрозам компании переехать за рубеж в том случае, п ра вите л ьс тва в переговора х о цена х на лек арс тва
если работники не умерят свои требования. Иначе по программе Medicare — подарок фармацевтиче-
говоря, подобные инвестиционные соглашения еще ской промышленности в размере около $50 млрд
больше ослабляют позицию американских рабочих ежегодно. Особые льготы тоже равносильны из-
в переговорах с работодателями. влечению ренты: например, добывающей про-
мышленности получение общенациональных ре-
Люди, живущие сурсов, таких как нефть, обходится гораздо ниже
в обществе с высоким реальной рыночной стоимости, или банки полу-
уровнем неравенства, как чают финансирование из Федеральной резерв-
правило, не имеют равных ной системы почти по нулевой ставке процента
возможностей: выходцы (и повторно ссужают деньги под высокие процен-
из бедных слоев населения ты). Ситуацию с неравенством еще больше усугу-
никогда не смогут получить бляет льготный режим налогообложения для бо-
образование, позволяющее гатых. В США налоги верхушки составляют мень-
им реализовать свой ш у ю долю от и х доходов по сра внению с теми, кто
потенциал намного беднее, — своего рода щедрость, которая
еще больше проявилась с принятием администра-
Свободные финансы цией Трампа налогового закона 2017 г.

М ножес тво д ру ги х изменен и й в за конодате л ьс тве Некоторые экономисты утверждают, что нера-
внесли вклад в усиление неравенства. Слабые за- венство можно уменьшить, только отказавшись
коны о корпоративном управлении позволили гла- от роста и повышения эффективности экономики.
ва м а мери ка нски х ком па н и й п латить са м и м себе Однако недавние исследования, такие как работы
в 361 раз больше, чем среднему рабочему, намного Джонатана Остри (Jonathan Ostry) и других специ-
больше, чем в других развитых странах. Финансо- алистов из Международного валютного фонда, по-
вая либерализация — отказ от норм регулирова- казывают, что экономические системы с большим
ния, призванных предотвратить серьезный ущерб, уровнем равенства более эффективны, для них ха-
который могут нанести остальному обществу про- рактерны более высокие показатели роста и уров-
блемы в финансовом секторе, такие как экономи- ня жизни и б льшая стабильность. Крайняя сте-
ческий кризис 2008 г.,— предоставила финансо- пень неравенства, наблюдаемая в США, и суще-
вой инд устрии возможность д ля у величения мас- ствующий образ действий фактически наносят
штабов и доходности и увеличила ее потенциал вред экономике. Например, использование ры-
для эксплуатации остальных. Например, банки ночной власти и ряд других охарактеризованных
устанавливают ростовщические ставки процен- мною перекосов делают рынки менее эффектив-
тов для заемщиков или чрезмерный размер ко- ными, приводят к недопроизводству ценных това-
миссии за операции с кредитными и дебетовыми ров и услуг, таких как фундаментальные исследо-
картами для торговцев, а также выпускают цен- вания, и перепроизводству других, таких как экс-
ные бумаги, которые обречены на провал. Подоб- плуататорские финансовые продукты.
ные методы работы, которые обычно позволяют
себе банки, разрешены законом, но так не долж- Более того, поскольку богатые люди тратят мень-
но быть. Кроме того, часто используются и неза- ш у ю часть свои х доходов на потребление по сра в-
конные методы, в том числе манипулирование нению с бедными, общий, и ли совок у пный, спрос
в странах с большим уровнем неравенства мень-
ше. Залатать дыру можно было бы за счет увели-
чения государственных расходов, например на ин-
фраструктуру, образование, здравоохранение,
то есть на те отрасли, инвестиции в которые не-
обходимы для долговременного роста. Но обыч-
но в обществе с высоким у ровнем неравенства ос-
новным рычагом становится кредитно-д енежная

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

Специальный репортаж

политика: для стимулирования расходования рыночной власти, и строгое соблюдение уже су-
средств понижаются ставки процента. Искус- ществующих законов. Необходимо трудовое зако-
ственное занижение ставки процента, особенно нодательство, защищающее рабочих и их право
в сочетании с недостаточным регулированием фи- объединяться в профсоюзы. Нужны законы о кор-
на нсового рынка, часто ведет к появлению эконо- поративном управлении, ограничивающие непо-
мических пузырей, что и произошло во время жи- мерные зарплаты глав корпораций, и более строгое
лищного кризиса 2008 г. регулирование в сфере финансов, предотвращаю-
щее использование банками эксплуатационных
Неудивительно, что люди, живущие в обществе практик, ставших их отличительной чертой. Не-
с высоким уровнем неравенства, как правило, обходимо обеспечить четкое соблюдение законов
не имеют равных возможностей: выходцы из бед- против дискриминации: совершенно недопустимо,
ных слоев населения никогда не смогут получить что женщинам и представителям национальных
образование, которое позволило бы им реализо- меньшинств платят крохи по сравнению с тем, что
вать свой по т ен ц иа л. Та к а я сит уа ц и я, в свою оче- получают за аналогичный труд белые мужчины.
редь, приводит к увеличению уровня неравенства Нам нужны также более разумные законы о на-
и потере самого ценного ресурса страны — самих следстве, которые сведут к минимуму передачу
американцев. преимуществ и неблагоприятных условий из по-
коления в поколение.
Восстановление справедливости
Основные привилегии среднего класса, в том
В обществе с высоким уровнем неравенства сни- числе обеспеченная старость, больше недостижи-
жается моральный дух, особенно когда неравен- мы для большинства американцев. Необходимо
ство рассматривается как несправедливость, гарантировать доступ к медицинскому обслужи-
а ощущение, что вас используют или обманыва- ванию, укреплять и реформировать пенсионные
ют, приводит к снижению производительности п рогра м м ы. В с у щес тву ющ и х п рогра м ма х вс я тя-
труда. Когда управляющие казино или банкиры, жесть управления рисками возложена на работни-
страдающие нравственной распущенностью, за- ков, от которых ожидают, что они будут управлять
рабатыва ют в ми л лионы раз больше, чем у ченые, своими пенсионными накоплениями, одновремен-
раскры ва ющ ие та й н у ДНК, и изобре тате л и, пода- но защищая их от рисков, связанных с инфляцией
рившие миру лазеры и транзисторы, становится и рыночными коллапсами. При этом финансовому
ясно: что-то не та к. К том у же дети богаты х начи- сектору предоставляется возможность для эксплу-
на ют рассматри вать себя ка к особы й к ласс, обла- атации людей: им продают финансовые продукты,
дающий правом на свою удачу, и, соответственно, предназначенные не столько для обеспечения пен-
более склонны нарушать правила, необходимые сии, сколько д ля ма ксимиза ции прибы ли ба нков.
д ля фу нкционирова ния общества. Все вышепере- Нашей ахиллесовой пятой была ипотечная систе-
численное приводит к подрыву доверия и влияет ма, и по-настоящему ситуация еще не исправлена.
на сплоченность общества и экономические пока- При таком большом числе американцев, живущих
затели. в кру п н ы х города х, на м необход и мо п ровод ить го-
родскую жилищную политику, гарантирующую
Не существует магического средства для реше- доступное жилье для всех.
ния такой глубоко укоренившейся проблемы, как
американское неравенство. Поскольку его основ- Это объемная программа — но выполнимая.
ные причины связаны с политикой, трудно пред- Когда скептики говорят, что это прекрасно, но не-
ставить значительные изменения без согласо- доступно, я отвечаю, что мы не можем себе позво-
ванных усилий по устранению влияния денег лить не осуществлять эти мероприятия. Мы уже
на политику — за счет, например, реформы фи- платим высокую цену за неравенство, но это лишь
нансирования избирательных кампаний. Необ- малая часть того, что нам придется заплатить,
ходимо также заблокировать механизм «вращаю- е с л и н и чег о не де лат ь, и быс т ро. На кон у не т ол ь-
щихся дверей», когда регуляторы и другие прави- ко на ша экономика, мы риск уем на шей демокра-
тельственные чиновники приходят на госслужбу тией.
из тех отраслей, в отношении которых они потом
осуществляют регулирование, и опять возвраща- Чем больше наших граждан начинает пони-
ются в те же отрасли. мать, почему плоды прогресса в экономике рас-
пределяются неравномерно, тем больше реальная
Помимо этого, надо усовершенствовать прогрес- опасность, что они будут слушать демагогов, об-
сивное налогообложение и обеспечить высокока- виняющих в проблемах страны других и дающих
чественное образование, финансируемое госу- фа л ьш и вые обеща н и я оч ис тить «мошен н и ческ у ю
дарством, в том числе возможность поступления систему». Мы уже сейчас представляем, что может
в университет для всех, без необходимости брать случиться. И все может стать намного хуже.
разорительный кредит. Нам нужны современные
законы о конкуренции, чтобы справиться с про- Перевод: С.М. Левензон
блемами X XI в., связанными с р аспределением

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 91

Illustration by Andrea Ucini

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

ОНАНУЕКРААВЕНСТВЕ

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ
НЕРАВЕНСТВО
ОТРАЖАЕТСЯ
НА ЗДОРОВЬЕ

Усиление неравенства между богатыми и бедными вызывает
биологические повреждения тела и мозга

Роберт Сапольски

В западной культуре давно принято Одно из последствий усиления бедности — ухудше-
убеждение, что все люди созданы равны- ние здоровья, и причины этого не столь понятны.
ми. Но в реальном мире наши возможно- Да, низкий социально-экономический статус (СЭС)
сти и ресурсы неодинаковы. Такое несо- означает меньшую доступность медицинских ус-
ответствие подметил в 1894 г. Анатоль луг и проживание в менее благоприятных для здо-
Франс, саркастично написав, что «за- ровья районах. И чем больше людей оказывается
кон, воплощая в себе величественную на нижних ступенях СЭС, тем сильнее возраста-
идею равноправия, запрещает спать под ет число индивидов с медицинскими проблемами.
мостом и красть хлеб одинаково всем лю- Это не просто п лохое здоровье у бедны х и хорошее
дям — богатым так же, как и бедным». у всех остальных. Каждый шаг вниз по социальной
Экономическое неравенство в послед- лестнице связан с ухудшением здоровья.
ние десятилетия усиливается, особенно
в СШ А. В 1976 г. 1% самы х богаты х аме- Однако связь между социально-экономическим
риканцев владели 9% богатств страны; неравенством и плохим самочувствием объясня-
сейчас они имеют около 24%. Подобная ется не только неодина ковой дост у пностью меди-
тенденция наблюдается во всем мире. цинской помощи и большим количеством рисков.
Такими факторами, как опасности, связанные
с курением, употреблением алкоголя и зависимо-
с тью от фас тфуда, и ли, наоборот, за щ ита с тра хо-
ванием и посещение спортивно-оздоровительных
комплексов, можно объяснить меньше половины
различий в здоровье при разном уровне СЭС. Это
наглядно показано в масштабных Уайтхолловских

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 93

Специальный репортаж

ОБ АВТОРЕ

Роберт Сапольски (Robert Sapolsky) — профессор биологии, неврологии и нейробиологии
в Стэнфордском университете и научный сотрудник в Национальных музеях Кении. В лабо-
ратории он изучает повреждающее воздействие стресса на мозг и генную терапию нервной
системы. Кроме того, в Восточной Африке он исследует дикие популяции павианов, пытаясь
определить связь между иерархическим положением павиана и его здоровьем.

исследованиях, проводившихся под руководством Проблема затрагивает богатых так же, как и бед-
эпидемиолога Майкла Мармота (Michael Marmot), ных. При усилении неравенства состоятельные
где изучались риски для отдельных групп. Кроме люди обычно тратят больше ресурсов, чтобы от-
того, такие же проблемы существуют в странах городиться от мира трущоб. Я слышал, как эконо-
с всеобщим здравоохранением; если бы дело было мист Роберт Эванс (Robert Evans) из Университе-
в доступности медицинской помощи, то при все- та Британской Колумбии называл это «сепарацией
общем здравоохранении различия бы сгладились. богатых». Они тратят больше своих ресурсов на ох-
Что-то другое, что-то достаточно сильное, должно раняемые резиденции, частные школы, бутили-
быть связано с неравенством и вызывать пробле- рованную воду и дорогие натуральные продукты.
мы со здоровьем. И они дают много денег политикам, которые помо-
гают богатым поддерживать их статус. Это боль-
Таким фактором, по-видимому, оказываются пси- шой стресс — воздвигать толстые стены, чтобы от-
хологические последствия стресса из-за низкого городиться от всего стрессирующего.
СЭС. Психолог Нэнси Адлер (Nancy Adler) из Кали-
форнийского университета в Сан-Франциско с кол- Од но де ло — знать, что все эти пси хологи ческие
легами продемонстрировала: то, как люди оцени- и социальные факторы влияют на заболевания.
вают свое положение по сравнению с положением И совсем другое — показать, как этот стресс де-
других, предсказывает состояние здоровья не хуже, лает свою грязную работу внутри организма. Ка-
чем разные объективные факторы, такие как теку- ким образом СЭС и неравенство «просачиваются
щий уровень дохода. Исследование показывает, что под кожу?» Оказывается, исследователи успешно
слабое здоровье связано не столько с бедностью, приближаются к ответу. Мы многое узнали о том,
сколько с ощущением бедности. Эпидемиологи Ри- как бедность влияет на работу организма, выяс-
чард Уилкинсон (R ichard Wilkinson) и Кейт Пикет т нилось, что проблема социального неравенства
(Kate Pickett) из Ноттингемского и Йоркского уни- вызывает тревогу именно из-за присутствия бед-
верситетов соответственно дополнили картину де- ной части населения. Ученым удалось проследить
та лями, показа в, что хотя бедность вредна д ля ва- физиологические последствия нера венства в трех
шего здоровья, еще хуже по всем показателям мо- ключевых областях: хроническое воспаление, хро-
жет быть нищета на фоне изобилия — неравенство. мосомное старение и работа мозга.
Это касается уровня младенческой смертности, об-
щей продолжительности жизни, ожирения, уровня Тяжелый груз
убийств и т.д. Здоровье особенно портится, если вас
постоянно тыкать носом в то, чего у вас нет. Когда в 1990-е гг. Брюс Макьюэн (Bruce McEwen)
из Рокфеллеровского университета ввел поня-
Как правило, чем сильнее выражено неравен- тие аллостатической нагрузки, в представлени-
ство в обществе, тем хуже качество жизни. При ях о биологии заболеваний произошла революция.
сравнении разных стран и разных штатов США Наши тела постоянно подвергаются воздействи-
оказалось, что чем сильнее неравенство, незави- ям окружающей среды, и мы остаемся здоровы-
симо от абсолютного уровня дохода, тем больше ми, если, получив эти воздействия, возвращаемся
преступлений, в том числе убийств, и большее ко- к исходному состоянию, поддерживая гомеостаз.
личество заключенных. Добавьте к этому боль- Раньше, в рамках этих представлений, ученые
шее число с л у чаев тра вли в школе, подростковы х фокусировались на отдельных органах, которые
беременностей и снижение уровня грамотности. сталкиваются с конкретными проблемами. Кон-
Тут же больше психиатрических проблем, алко- цепция аллостаза дает иную картину: физиологи-
голизма и наркозависимости, ниже уровень сча- ческие проблемы вызывают широкий спектр ре-
стья и меньше социальная мобильность. И мень- акций по всему телу. Например, заражение паль-
ше социальной поддержки, поскольку выражен- ца ноги приведет не только к воспалению на конце
ная иерар хия — это противоположность равенству стопы, но также и к более отдаленным изменени-
и гармон и и, которые под п иты ва ют дру жбу. Та ка я ям в организме, начиная от получения энергии
мрачная картина помогает объяснить чрезвычай- из брюшного жира, и за ка нчива я х имической а к-
но важный факт, что при усилении неравенства тивностью мозга во время сна. Пока продолжа-
здоровье страдает у всех. ется эта биологическая суматоха, б льшая часть

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

Специальный репортаж

о рга низма фу нкциониру-

ет хуже, и урон для здоровья

от этого может получиться Неравенство внутри организма
не меньше, чем при сильных

нарушениях в одном органе. Жизнь в обществе с большим разрывом между богатыми и бедными создает постоянный со-
Тереза Симан (Teresa See- циальный и психологический стресс. Во многих исследованиях показано, что это подтачива-
ет организм разными путями, влияя на наш мозг, нашу иммунную систему и ДНК. Вот некото-
man) из Ка лифорнийского рые пути развития серьезных заболеваний и психических расстройств.
университета в Лос-Андже-

лесе подхватила эту идею Префронтальная кора
и проверила весь организм,
оценивая различные биоин- Необходима для хорошего пла-
дикаторы износа, включая по- нирования и принятия решений,
вышение кровяного давления, эта область ослабляется под
уровень холестерина, липиды влиянием гормонов стресса.
в крови, индекс массы тела,
молекулярные маркеры ги- Гиппокамп
пергликемии и уровень гор-
монов стресса. Она показала, Эта область необходима для обу-
что этот набор разнообразных чения и запоминания, активность
показателей хорошо предска- здесь снижается, а сама структу-
зывает уровень физического ра уменьшается в размерах.
здоровья и смертность.
Миндалина
Последние исследования Си-
Отвечает за страх и тревожность, ее
активность усиливается.

Мезолимбическая дофаминовая система

Нейронные сигналы в этой области необходимы для
формирования мотивации, но они нарушаются и воз-
растает риск депрессии и формирования зависимости.

ман, как и других ученых, про- Хроническое воспаление
демонстрировали связь низ-
кого СЭС с высокой аллоста- Это состояние, обусловленное работой иммунной
тической нагрузкой, потому системы и гормонов стресса, повреждает молекулы
во всем теле, повышая среди прочего риск сердечно-
сосудистых заболеваний и болезни Альцгеймера.

что в этом случае тело посто- Кровеносная система
янно и безуспешно сражает-
ся за возвращение к нормаль- Кровяное давление поднимается, повышая
риск атеросклероза и инсульта.

ному, нестрессированному Метаболизм
состоянию. Эти открытия обо-
значили важную тему: если У клеток во всем теле понижается реакция
для взрослого СЭС предска- на инсулин, увеличивается количество
брюшного жира, все это приводит
к развитию диабета.

зывает аллостатический из- Половые органы
нос, то у ребенка СЭС оставля- Нарушаются фертильность и либидо.

ет сильный след на всю жизнь. Хромосомы Теломера
Низкий СЭС придает телам
подростков предрасположен- Целостность ДНК в наших
ность к более раннему «ста- хромосомах поддерживается
рению». Однако ученые наш- маленькими молекулярными
ли и защищающие факторы. колпачками на концах, называ-
Хотя детство в бедном районе емых теломерами (красный).
усиливает связь низкого СЭС Когда люди испытывают стресс
с аллостатической нагрузкой, из-за социальных условий,
но если повезет и у матери бу- теломеры укорачиваются, хро-
мосомы становятся уязвимыми
и изнашиваются — своего рода
преждевременное молекуляр-
ное старение.

дут время и силы заботиться

о ребенке, это ослабит вредное

воздействие. с н изким рангом — это социально стрессовая ситу-

Любой стресс может стать таким вредоносным ация, и в вашем теле будут нездоровые изменения

воздействием. Оно не обязательно должно иметь уровня гормонов стресса, таких как кортизол. Кро-

Illustration by Bryan Christie Design отношение к деньгам, но обычно связано с со- ме того, в организме будут наблюдаться патологи-

циальным положением. Этот эффект показан ческие отклонения в функционировании половой,

и в моей собственной работе на павианах, свобод- сердечно-сосудистой и иммунной систем.

но живущих в восточноафриканских саваннах. Вызванный иерархическим положением стресс

В группе павианов в зависимости от места жи- влияет на здоровье у людей и животных в основ-

вотного в социальной иерархии оно испытыва- ном через процесс воспаления. Воспаление —

ет больший или меньший стресс. Если вы павиан один из лучших примеров палки о двух концах

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 95

Специальный репортаж

Здоровье в странах и штатах

Во всем мире, если растет неравенство доходов внутри обще- смертность, психические и другие проблемы, становилось все
ства, то увеличивается количество социальных проблем и про- хуже. И эта тенденция не связана со средним доходом в этих
блем со здоровьем. Эпидемиологи Ричард Уилкинсон и Кейт странах. В штатах США ученые обнаружили такой же эффект.
Пикетт продемонстрировали эту связь в своей книге 2009 г. Исследователи проанализировали ситуацию в штатах, исполь-
«Уровень духа» (The Spirit LeveI). Они проранжировали страны зуя данные Бюро переписи населения США, так называемый ко-
в соответствии с экономической оценкой, данной ООН, кото- эффициент Джини, который сравнивает доход всего населения,
рая называется «соотношение 20:20» и сравнивает, насколько а не только отдельных групп. И опять неблагоприятное воздей-
самые богатые 20% населения богаче, чем самые бедные 20%. ствие на здоровье однозначно определялось неравенством
По мере увеличения разрыва значение индекса, включающего и не могло быть объяснено средним доходом в штате.
в себя ожидаемую продолжительность жизни, младенческую

Индекс социальных проблем Хуже 2 Социальных проблем и проблем США 2 То, что в стране выше средний США Индекс со-
и проблем со здоровьем со здоровьем больше в странах, где уровень дохода, не значит, что там циальных
сильнее неравенство в доходах лучше здоровье проблем и про-
Португалия блем со здоро-
Великобритания Португалия вьем включает
1 Греция 1 Великобритания в себя следую-
Германия щие компо-
Тенденция Новая ненты:
Франция Греция Зеландия Франция • Продол-
ДФаниАНиШнвоялсврятеврнцедиигБяиияеяяльгНияидеИКрсШИалпнараваннледдиайаыняцдаиряиИяНтаоАлвивасяятЗреаллаинядия жительность
Лучше 0 0 ИспаИнГтеиарНялмиФиадяиненБирлеяляланьКндгадиинАыяяавдсатрШавАлДеивцаяснитияШряивяейцНИарорирляавнедгиияя жизни
-1 -1 • Подростко-
4567 8 25 000 35 000 вые беремен-
Ниже Выше Ниже Выше ности
• Ожирение
Неравенство в доходах, 2005 г. (соотношение 20:20) ВВП на душу населения, 2005 г. (доллары США) • Психическое
здоровье
Хуже Аналогично в штатах США: чем В штатах США с более высоким средним доходом • Убийства
сильнее неравенство, тем больше 2 ситуация со здоровьем редко бывает лучше • Лишение
Индекс социальных проблем 2 социальных проблем и проблем MS LA свободы
и проблем со здоровьем • Доверие/
со здоровьем AL LA MS AL недоверие
• Образование
Лучше 1 AK WI NEIDINDWEHYIKMNSDMWVOMMCEAOHTIORMAVZOSANC CPRAOANIIRLKMMGNAAJKTFNYLWTXVCCAT NY 1 WNMAVMTURKTYISDAOCZKSDNTINMNCKOITOESARXNHMEHGAOWIAKMYRWPIIDAIE WNVCAVAAILCO MD NJ CT • Уровень THE SPIRIT LEVEL: WHY GREATER EQUALITY MAKES SOCIETIES STRONGER. KATE PICKETT AND RICHARD WILKINSON. BLOOMSBURY, 2009; BUREAU OF
0 UT IA 0,5 0 NY младенческой ECONOMIC ANALYSIS, U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE (U.S. income per capita data); HUMAN DEVELOPMENT REPORT 2007/2008: FIGHTING CLIMATE CHANGE:
-1 Выше -1 смертности HUMAN SOLIDARITY IN A DIVIDED WORLD. UNITED NATIONS DEVELOPMENT PROGRAMME, 2007 (GDP per capita data); Graphics by Jen Christiansen
MA • Социальная
мобиль-
NH VT ND ND VT MN NH ность (только
MN 25 000 на уровне
страны)

0,4 0,45 Ниже 35 000 Выше
Ниже

Неравенство доходов, 1999 г. (коэффициент Джини) Доход на душу населения, 1999 г. (доллары США)

в б иологии. Появляющееся после повреждения В работе Дженни Дун (Jenny Tung) из Дюкского
ткани воспаление окружает место травмы и за- университета показано, что у низкоранговых осо-
пускает восстановление клеток. Однако хрониче- бей макак-резусов маркеров хронического воспале-
ское обширное воспаление вызывает молекуляр- ния больше, чем у доминирующих. Исследования
ные повреждения по всему телу и, как показывают на обезьянах позволили выявить наличие прямой
исследования, это способствует развитию различ- связи между социальным стрессом и плохим здоро-
ных заболеваний — от атеросклероза до болезни вьем, поскольку у этих животных нет других факто-
Альцгеймера. В последних исследованиях (вклю- ров риска, таких как повышенный уровень курения
чая мои собственные по воспалению в нервной си- и алкоголизма, которые мы часто наблюдаем у лю-
стеме) продемонстрировано, что хронически вы- дей, обладающих низким социальным статусом.
сокий уровень стресса может способствовать хро-
ническому воспалению. У людей нищета в детстве Преждевременное старение ДНК
приводит к повышенной склонности к воспалени-
ям во взрослом возрасте, поскольку усиливается Влияние СЭС на организм стало яснее после изу-
экспрессия воспалительных генов и увеличива- чения ч увствительного маркера старения: участ-
ется количество маркеров воспаления, таких как ков ДНК на концах хромосомы, которые называют-
С-реактивный белок, который связан с повышен- ся теломерами.
ным риском сердечного приступа.
Теломеры помогают сохранять наши хромосо-
мы неизменными — молекулярные биологи любят

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

Специальный репортаж

г оворить, что они похожи на пластиковые наконеч- с макроуровня, то есть систем органов, и закан-
ники на концах шнурков, предотвращающие изна- чивая микроуровнем отдельных хромосом. В боль-
шивание. Каждый раз, когда хромосомы удваива- шинстве исследований длины теломер сравнивают
ются перед делением клетки, теломеры укорачива- у бедны х и богаты х, та к же ка к в работа х, сра вни-
ются; когда они становятся слишком короткими, вающих аллостатическую нагрузку. Но в некото-
клетки больше не могут делиться и теряют многие рых исследованиях рассматривается весь спектр
полезные функции. Укорачивание теломер предот- неравенства, снижение статуса шаг за шагом, и по-
вращается с помощью фермента теломеразы, кото- казано, что каждая ступенька вниз по лестнице
рый восстанавливает эти концы. Таким образом, СЭС, ка к пра ви ло, соответствует х удшем у состоя-
состояние теломер в клетке многое говорит о био- нию биологических показателей старения.
логическом «возрасте», и укорочение теломер, до-
пускающее уязвимость и потрепанность хромосом, Выйти из-под контроля
по сути отражает молекулярное изнашивание.
Как показывают недавние биологические иссле-
Биология теломер и психология стресса встрети- дования, спуск по этим ступеням сопровождает-
лись в 2004 г. в исследовании специалиста по пси- ся также изменениями мозга и поведения. Моя
хологии здоровья Элиссы Эпель (Elissa Epel) из Ка- лаборатория уже четверть века изучает, как дли-
лифорнийского университета в Сан-Франциско тельный стресс влияет на мозг грызунов, обезьян
и Элизабет Блэкберн (Elizabeth Helen Blackburn) и людей. Вместе с дру гими лабораториями мы вы-
из Института биологических исследований Солка. яснили, что одна из к лючевы х областей мозга, за-
Блэкберн — лауреат Нобелевской премии за нова- тронутых этой проблемой, — гиппокамп, отдел, не-
торскую работу о теломерах. Они проверили 39 че- обход и м ы й д л я обу чен и я и па м яти. Неп реры вн ы й
ловек, живущих в условиях постоянного тяжело- стресс или чрезмерное воздействие глюкокорти-
го стресса: женщин, ухаживающих за хронически коидов ос лабляют па мять, понижа я возбудимость
больными детьми. Выяснилось, что у этих жен- гиппокампа, способствуя уменьшению количества
щ и н в бе л ы х к ле тк а х крови бы л и у корочен н ые т е- связей между нейронами и подавляя образование
ломеры, понижена активность теломеразы, а фер- новы х ней ронов. Д ру га я за дейс твова н на я облас ть
менты и другие белки получали большие повреж- мозга — миндалина, отвечающая за тревожность
ден и я из-за ок ис лен и я (ко т орое може т о тк л юч ить и страх. Стресс и глюкокортикоиды усиливают эти
теломеразу). Чем дольше болеет ребенок, тем боль- ощущения. Вместо подавления активности, как
ше стресса испытывают женщины и тем короче их они делали в гиппокампе, в этой области, отвеча-
теломеры, даже если исключить влияние потенци- ющей за страх, они повышают возбудимость и спо-
альных побочных факторов, таких как диета и ку- собствуют увеличению числа нейронных связей.
рение. Теломеры у людей обычно укорачиваются Совокупность этих открытий помогает объяснить,
с примерно одинаковой скоростью, и вычисления почему при посттравматическом стрессовом рас-
показали, что по сравнению с группой с низким стройстве атрофируется гиппокамп и увеличива-
уровнем стресса у этих женщин теломеры укоро- ется миндалина. Еще одна область, попадающая
тились примерно на дополнительные десять лет, под воздействие, — мезолимбическая дофамино-
а в некоторых случаях сильнее. вая система, отвечающая за предвкушение и полу-
чение подкрепления, а также мотивацию. При дли-
Вслед за этим открытием последовало множе- тельном стрессе работа этой системы нарушается,
ство дополнительных исследований, показываю- и в результате возникает предрасположенность
щих, что факторы, вызывающие стресс, такие как к ангедонии или формированию зависимостей.
глубокая депрессия, посттравматическое стрессо-
вое расстройство и переживание расовой дискри- Бомбардировка глюкокортикоидами также вли-
минации, могут ускорять укорочение теломер. Не- яет на префронтальную кору (ПФК), отвечающую
удивительно, что при низком СЭС в детстве мож- за долгосрочное планирование, целенаправленную
но ожидать более коротких теломер во взрослом деятельность и самоконтроль. Из-за социального
состоянии. Неблагополучный район, наблюдение стресса и повышенного уровня глюкокортикоидов
или переживание насилия, семейная нестабиль- в ПФК между нейронами ослабляются связи и за-
ность (например, развод, смерть или лишение сво- медляется взаимодействие. Нарушается процесс
боды одного из родителей) и другие особенности, миелинизации — создания изолирующих оболочек
характерные для бедности, в период детства свя- между нервными волокнами для ускорения переда-
заны с укороченными концами хромосом во взрос- чи сигнала. Снижается общий объем клеток в этой
лом возрасте. Проведите свое детство в нищете — области, и возникает хроническое воспаление.
и к среднему возрасту ваши теломеры, возможно,
будут примерно на десять лет старше, чем у тех, Что происходит при таких нарушениях в ПФК?
у кого было более удачное детство. Возникают глупые импульсивные решения. Рас-
смотрим «временные предпочтения»: если вы вы-
Таким образом, из-за нищеты изменения про- бираете между немедленным вознаграждени-
исходят везде, организм изнашивается начиная ем и большим, которое можно получить, если

w w w.sci-r u.org [01/02] январь/февраль 2019 | В мире науkи 97

Специальный репортаж

п одождать, то чем дольше время ожидания, тем брали в долг до будущего заработка и были менее
меньше хочется ждать. ПФК, как правило, справ- склонны замечать полезные подсказки о страте-
ляется с этой проблемой. Но стресс усиливает гии игры.
«временные предпочтения»; чем больше хрониче-
ский стресс, тем слабее ПФК активируется во вре- В другом исследовании хуже справлялись с от-
мя экспериментов с отсроченным подкреплением. сроченным подкреплением те испытуемые, кото-
У людей, живущих в условиях большего неравен- рым было предложено представить себе сцена-
ства, сниженная активность ПФК затрудняла вы- рии финансовых потерь, по сравнению с теми, кто
бор долговременного здоровья вместо немедлен- представлял себе нейтральные или прибыльные
ного удовольствия. Этим нейробиологическим эф- сценарии. Еще в одном исследовании испытуемым
фектом можно объяснить, почему люди с большим предлагали представить их финансовые затраты
уровнем стресса в жизни чаще страдают от ожи- на дорогой ремонт автомобиля. При этом когни-
рения, пьют и курят больше, чем люди с меньшим тивные способности не изменились у участников
стрессом. с высоким СЭС, но ухудшились у более бедных.

Такие изменения в ПФК происходят и у де- Почему временное ощущение низкого СЭС запу-
тей. В независимых исследованиях Марта Фара скает изменения в мышлении, характерные в ре-
(Martha Farah) из Пенсильванского университета альности для людей с низким СЭС? Одно из объяс-
и Томас Бойс (Thomas Boyce) из Калифорнийского нений заключается в том, что это рациональная
университета в Сан-Франциско обнаружили, что реакция, потому что сложно думать об отклады-
в дошкольных учреждениях у детей с более низким вании денег на старость, если их едва хватает
СЭС обычно повышен уровень глюкокортикоидов, на п род у кты. Ни ще та де лае т буд у щее менее а кт у-
ПФК тоньше и менее активна, а связанные с ней альным. Но есть и другое объяснение, связанное
самоконтроль и целенаправленность действий с сильным стрессом: долгосрочное планирование
слабее выражены. По мере взросления детей эти и са моконтрол ь у том л я ют ПФК. Уве л и ч ьте когн и-
эффекты усиливаются. К подростковому возрасту тивн у ю на грузк у, пред ложив за дачи, где требует-
при более низком СЭС можно ожидать меньшего ся у частие ПФК, и испыт уемые с большей вероят-
объема ПФК. А у взрослых при низком СЭС будет ностью перестанут контролировать соблюдаемую
наблюдаться сниженная способность выбирать от- диету. Или можно, и ученые так и сделали, повы-
сроченное подкрепление. сить когнитивную нагрузку, искушая лакомства-
м и исп ыт уем ы х, собл юда ющ и х д ие т у, и тогда он и
Некоторые из этих наблюдений поднимают хуже будут выполнять тесты, где работает ПФК.
сложный вопрос о курице и яйце. Возможно, из- Насколько это отражает буквальное метаболиче-
менения в мозге приводят к плохим решениям, ское «истощение» ПФК, а не падающую мотива-
которые погружают человека в еще б льшую ни- цию, остается непонятно.
щету. Однако исследования говорят, что причи-
ны и следствия идут в ином порядке, начинаясь В любом случае, более низкий СЭС создает хро-
с СЭС и неравенства, влияющих на функцию ПФК, ническое беспокойство о деньгах, которое отвлека-
и только затем происходят другие неприятности. ет и изматывает. Сложно решать задачу о вычита-
нии набора чисел или удержать себя от употребле-
Например, СЭС воспитанников детских садов ния алкоголя, когда вы тревожитесь об арендной
позволяет предугадать, как работает их префрон- плате. Одно открытие в исследовании с вообража-
тальная кора, хотя вряд ли пятилетние дети ска- емым ремонтом автомобиля согласуется с этой ин-
ти л ись в н и ще т у, п ромо та в свою зарп лат у в бара х терпретацией. Когда испытуемые предполагали,
и ли на ипподрома х. Дополнительные доказатель- что ремонт будет дешевым, участники с низким
ства бы ли пол у чены в исс ледова нии 2013 г., кото- СЭС выполняли когнитивные задачи так же хоро-
рое провел Цзяин Чжао (Jiaying Zhao) из Универси- шо, как и те, у кого был высокий СЭС.
тета Британской Колумбии с коллегами. Они про-
верили индийских фермеров, чье экономическое Конечно, нам надо лучше понять биологические
благополучие варьировало в зависимости от сезо- последствия неравенства и научиться лучше ле-
на. Когда и х СЭС изменя лс я, переходя от нищеты чить нанесенные им травмы. Но, честно говоря,
во время посевного сезона к избытку после жатвы, мы кое-что знаем уже сейчас. Мы знаем достаточ-
следовали улучшения в работе ПФК. но, чтобы эта ситуация вызывала у нас праведный
гнев. Возмутительно, что если дети были рождены
На мой взгляд, самые важные доказательства не в той семье, то у них будет предрасположенность
были получены в исследовании, в котором СЭС к проблемам со здоровьем уже к тому времени, ког-
у людей был понижен условиями эксперимента. да они начнут учить алфавит. Чтобы доказать, что
У этих людей снижалась способность выбирать это неправильно, не нужны оценки воспаления или
отсроченное подкрепление. В одном исследова- длины хромосом, но если такие измерения есть,
нии 2012 г. испытуемые играли в азартную игру они добавляют больше веса словам.
друг против друга с разными стартовыми воз-
можностями. «Бедные» с большей вероятностью Перевод: М.С. Багоцкая

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