Статьи по теме Наука - 3

Боль одинокого моллюска. Фрагмент книги «Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум»
«Хлопок одной ладонью» Николая Кукушкина. Фрагмент
Происхождение жизни: от РНК-мира до последнего общего предка всего живого
Эти гениальные птицы. Почему пернатые умнее, чем мы думаем, и что роднит их с людьми
Старый жесткий диск и гены мамонта: долго ли хранится ДНК и откуда в ней мусор
Как редактирование генома (в теории) позволит вырастить супердетей
Смерть с небес: как черная дыра уничтожит Землю
«Смерть с небес. Наука о конце света»
Как анализ «Беовульфа» помогает бороться с троллями, а письма Эдгара По - диагностировать депрессию
Для чего нужна математика? Геометр Виктор Васильев - о своей науке, просветительской роли математиков и о том, как фальсифицируют исследования
--------------------

«Боль одинокого моллюска»
Фрагмент книги «Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум»
«Горький Медиа»
Николай Кукушкин
8 июня 2020

«Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум» - дебютная книга нейрофизиолога Николая Кукушкина. Ее автор ищет основополагающие ответы на вопросы о возникновении нашего сознания в глубокой древности, когда не существовало еще жизни в привычном понимании. С разрешения издательства «Альпина нон-фикшн» публикуем фрагмент этого исследования.

Николай Кукушкин. Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум. М.: Альпина нон-фикшн, 2020. Научный редактор Сергей Ястребов

---Чувствует ли улитка боль?

Я использую в своей научной работе моллюсков, и на этот вопрос мне приходится отвечать регулярно. Как и любые эксперименты на животных, особенно касающиеся их мозга, опыты над морским зайцем Aplysia californica - дело порой брутальное. Аплизия - брюхоногий моллюск, вырастающий за год из небольшой улитки в толстого слизня размером с котенка. Конечно, мы усыпляем своих аплизий раствором магниевой соли перед тем, как проводить над ними какие-либо эксперименты, но человеку в принципе сложно смотреть на вскрытие животного за пределами собственной тарелки и не видеть, что кромсают его самого.

Что на самом деле хочет понять человек, когда спрашивает, больно ли улитке? Ему хочется знать, что бы он чувствовал, если бы сам в этот момент был улиткой. Он представляет себя проснувшимся в теле этого животного, как герой повести «Превращение» Франца Кафки, в полном сознании, но без дара речи. Он пытается увидеть в движениях улитки крик о помощи. Ему чудится страшный экспериментатор со шприцем и ножницами, злорадно хохочущий над его несчастным склизким телом. Человеческая боль - это сложное субъективное ощущение, и интересует нас не то, как улитка физически реагирует на боль, а то, что она при этом испытывает внутри.

Нет никаких сомнений, что улитка не испытывает ощущений, подобных нашим. Она не может пытаться издать крик о помощи, потому что у нее нет голосовых связок, лингвистических центров в мозге и представления о том, что такое помощь. Она не может пугаться экспериментатора, потому что она его не видит, не слышит и не ощущает иначе как в форме набора осязательных стимулов. Ее глаза - два мелких пятнышка, способные максимум отличать свет от темноты. Она не в курсе, как выглядит человеческий мир. Она не понимает, где находится, в привычных человеку пространственных или временных категориях. Наше понятие боли к ней неприменимо, как неприменимо понятие оперативной памяти к утюгу.

Но что-то же улитка испытывает? Она реагирует на то, что с ней делают, именно так, как будто ей больно. Убегает, если ее ткнуть, извивается, если ее держать в руке, выпускает облако фиолетовой слизи, если ее долго дергать или вытащить из воды. Значит, все эти опасные стимулы так или иначе в нее проникают. Что бы я чувствовал, если бы ощущал все эти стимулы?

Фундаментальное ограничение восприятия человеком любых других существ состоит в том, что мы стремимся с помощью наблюдений понять о них то, что наблюдению недоступно. Мы можем судить о других только по тому, что они делают. Но интересуют нас не закономерности движения («если столкнуть Серегу в канаву, он издаст громкий звук»), а скрытый от нас мыслительный процесс («если столкнуть Серегу в канаву, он сильно разозлится»). Мы не можем наблюдать внутреннее состояние других людей, зато можем наблюдать внутреннее состояние себя. Поэтому мы представляем, что будет, если в канаве окажется не Серега, а мы сами, и какие при этом мы будем издавать звуки. Проделав такую мысленную операцию, мы осознаем, что Серегу, наверное, не надо толкать в канаву.

Но как быть, когда другое живое существо - не Серега, по всем статьям похожий на меня и, вероятно, размышляющий сходным образом, а морской заяц?

Интуитивно человеку кажется, что тело - оболочка, внутри которой сидит независимое от нее сознательное существо. Мы смотрим из своих глаз, как из перископа, слушаем своими ушами, как микрофонами, наблюдаем за сигналами собственных нервных клеток, как будто сидим в театре и смотрим на сцену. Представляя себя Серегой, человек представляет свою личность в его теле. Точно так же, представляя себя улиткой, человек представляет, что сознательное существо из его мозга переехало в новую оболочку и смотрит другой спектакль - но при этом остается самим собой. Испытывает те же ощущения, думает те же мысли, только ничего не может по этому поводу сказать или сделать. Разумеется, от этого человеку становится страшно.

Но если тело улитки - оболочка, в которую принципиально можно установить человеческое сознание, то почему тогда нас не нервирует убийство бактерий? Те, как и улитки, реагируют на то, что с ними делают: избегают опасных веществ и температур, двигаются в сторону света или, наоборот, от него прячутся и так далее. Но если убегающая от укола улитка наводит нас на мысль о том, что она испытывает боль, то убегание бактерии от кислоты мы объясняем просто особенностями ее строения. На каком именно основании мы решаем, у кого есть взгляд изнутри, а у кого нет?

Раньше люди этот гордиев узел рубили с плеча: человек имеет душу, потому что он подобие Бога, а все остальные живые существа - просто механические устройства. Но мне сложно представить современного здравомыслящего человека, который может посмотреть на шимпанзе или даже собаку и решить, что это роботы, которые не испытывают хотя бы отчасти тех же самых ощущений, эмоций и мотиваций, что и мы. В масштабах всего живого мира эти млекопитающие по своему внутреннему строению от нас почти неотличимы. Нет никаких причин полагать, что они не могут бояться или радоваться, страдать или веселиться, что им не может быть больно или приятно и что эти чувства они испытывают как-то принципиально иначе, чем человек.

Но где именно пролегает эволюционная граница, на которой механические реакции становятся субъективными ощущениями? Каких животных мы можем понять с помощью своего мышления, а какие нашему воображению принципиально недоступны? У кого из животных есть «первое лицо», точка зрения, понятная сидящему у нас в голове человеку?

Когда студенты спрашивают, больно ли улитке, которую я на лекции тыкаю в жабры, я обычно отвечаю, что нет, потому что иначе она бы выпустила свои фиолетовые чернила. Но это просто отговорка. На самом деле, чтобы понять, больно ли улитке, нужно представлять, откуда берется сознание и в чем оно состоит, - а это, возможно, самый неоднозначный вопрос, который вообще стоит перед человечеством.

---Из чего сделано сознание

Исторически считалось, что сознание, оно же субъективность, оно же душа, есть особая материя, независимая от материального тела. Такая философская позиция называется «дуализм», то есть двойственность: есть материальное, а есть сознательное. Главной фигурой в истории дуализма считается Рене Декарт с его знаменитым утверждением: «Мыслю, следовательно, существую». Вышеупомянутую метафору «сцены», на которой сознание наблюдает происходящий в мозге «спектакль», придумал неистовый критик дуализма Дэниел Деннет и назвал именно в честь Декарта «картезианским театром» (Картезий - латинизированное имя Декарта).

Типичный аргумент против дуализма довольно простой. Если сознание независимо от материи, то как оно может на эту материю влиять, заставляя нас что-то делать? Если оно все же влияет на материю, то не означает ли это, что на материю при этом должны действовать материальные силы? А если на материю со стороны сознания действует материальная сила, то разве не делает это материальным и само сознание? Если же сознание никак не влияет на тело, то зачем оно вообще нужно? Если нет влияния, то сознание никак не отражается на работе мозга, никак не меняет хода мыслей, не влияет на память, эмоции, мотивации и движения - ведь сегодня мы хорошо понимаем, что все эти вещи имеют материальную природу. Если сознание ни на чем не отражается, говорят дуалистам их оппоненты, то как вообще оно могло возникнуть в процессе эволюции?

Противоположность дуализму - физикализм, заявляющий, что никакой двойственности нет. Все материально и все состоит из физических объектов, которые двигаются и взаимодействуют друг с другом физическими силами по физическим законам. Сознание, по мнению типичного физикалиста, - это особый, конкретный, физический признак мозга, верховный главнокомандующий, который у разных животных может там быть или не быть и благодаря которому мозг этого животного может контролировать сам себя. Главная проблема физикализма - это объяснить, как из движения материальных объектов в мозге возникает субъективное ощущение этого мозга. Многие философы считают эту проблему принципиально неразрешимой и называют ее «трудной проблемой сознания».

Я придерживаюсь точки зрения, пограничной между дуализмом и физикализмом, которая ближе всего к философской школе эпифеноменализма (по части изобретения «-измов» философам нет равных). Эпифеноменалисты считают, что сознание - это не отдельно существующее свойство живого, а побочный продукт какого-то другого свойства. Сама работа мозга в определенных обстоятельствах порождает сознание, которое ни для чего конкретного не нужно, а просто есть. Эпифеноменалистов обычно относят к дуалистам, потому что для них сознание и мозг - это разные вещи, и в этом я с ними согласен. Но, на мой взгляд, «дуализм» должен заключаться не в разделении материи и сознания, а в разделении материи и информации. Это же касается и всей биологии. Кусок ДНК и нуклеотиды, из которых он состоит, - это материя. Ген, записанный в этом куске, - это информация. На мой взгляд, это то же самое, что дуализм мозга и сознания. Но разве скажет кто-нибудь, что ген не влияет на ДНК? Только благодаря конкретной последовательности нуклеотидов ДНК может исполнять свою функцию, производить белки, копироваться, распределяться между клетками. Только благодаря своей конфигурации материя приобретает осмысленное направление движения. С точки зрения истории жизни на земле конфигурация первична, а материальная форма вторична - ведь до появления ДНК гены жили в другом носителе, РНК, но точно так же заставляли этот носитель двигаться и размножаться. Информация определяет функцию.

Точно так же и мозг приобретает осмысленность и направление движения за счет своей конфигурации. Причем если конфигурация ДНК - это просто буква за буквой, то конфигурация мозга - это почти бесконечное пространство возможностей. Как мы увидим, на эту конфигурацию влияет каждое событие, происходящее с мозгом за время его существования. Конфигурация мозга, с моей точки зрения, и есть сознание в самом общем смысле, и при желании это понятие можно применять к кому угодно. Вопрос в том, что в силу различий в строении мозга, а значит, и в его конфигурации, у разных животных сознание очевидно ощущает себя по-разному. Это и требует объяснения. Объяснять нужно, не что такое сознание, откуда оно взялось и где оно живет (оно живет везде и нигде конкретно), а почему именно наша конфигурация мозга ощущает себя так, как она ощущает, и что вообще значит, что некая система «ощущает себя».

Я согласен с дуалистами в том, что сознание, то есть конфигурацию мозга, можно рассматривать отдельно от самого мозга. Теоретически его можно даже перенести в другой носитель, если только создать искусственный мозг адекватной сложности. Я согласен с физикалистами в том, что, помимо материи, в мозге нет никаких «особых субстанций», как нет никаких особых «генных» субстанций, витающих между нуклеотидами ДНК. С эпифеноменалистами я согласен в том, что решения мозга достигаются физическими способами, а наши субъективные ощущения естественным образом «вырастают» из этих решений.

Но и «картезианский театр» дуалистов, и «трудная проблема сознания» физикалистов мне кажутся надуманными, а в эпифеноменализме мне не нравится полное отрицание какой-либо роли сознания в материальном мире. По-моему, если воспринимать мозг как материю, движимую информацией сквозь время, то меняется само понятие сознания и все вопросы отпадают. Взаимодействуя с окружающим миром, мозг постоянно усваивает информацию, то есть меняет свою конфигурацию. Эта информация не есть сама материя мозга, но неразрывно с ней связана. Вся совокупность этой информации определяет то, что мозг делает в дальнейшем. Наша субъективность тоже продукт этой информации. Как информация в ДНК - это то, что, строго говоря, живет и эволюционирует, так и информация в мозге - это то, что думает и осознает.
--------------------

«Хлопок одной ладонью» Николая Кукушкина
«Афиша Daily»
6 июня 2020

Почему наша память не похожа на компьютерную? Отвечает биолог

В «Альпине нон-фикшн» выходит книга биолога Николая Кукушкина «Хлопок одной ладонью», рассказывающая историю человечества от неорганических молекул до возникновения языка. «Афиша Daily» публикует фрагмент книги.

---Иллюзия прошлого

Один из эпизодов телесериала «Черное зеркало» вертится вокруг технологии, позволяющей копаться в памяти другого человека и даже выводить сцены из его прошлого на экран специального телевизора. Героиня эпизода, страховой агент, пользуется таким устройством для расследования несчастного случая и случайно натыкается в воспоминаниях второй героини на нечто ужасное. Это ужасное проецируется из головы второй героини на экран телевизора в виде мутного видеоролика, и страховой агент видит то, что не должна была увидеть. Следует драма.

Мы представляем себе собственную память как память компьютера. Память можно скачать и закачать, ее можно скопировать, удалить, вывести на экран.

Мы смотрим на память как на вещь, которая лежит в конкретном месте и которую можно из этого места взять и переложить в другое место. Даже если мы знаем, что файл на экране компьютера - это его виртуальная иконка, мы все равно понимаем, что где-то на жестком диске есть место, на которое можно указать и сказать: «Вот этот файл». Этот файл не изменится в зависимости от того, на каком устройстве его открывать. Он существует сам по себе. Так мы представляем и собственные воспоминания. Лучше всего это отражено в научной фантастике: помимо «Черного зеркала» можно, например, вспомнить замечательный киберпанк-боевик 1995 г. «Джонни-мнемоник» по одноименному рассказу Уильяма Гибсона, в котором герой Киану Ривза выступает в качестве живой флешки (весь сюжет основан на том, что у Джонни-мнемоника в голове умещается 80 гигабайт информации, а ему - о ужас! - пытаются туда закачать 320 гигабайт. По современным меркам все это смешные объемы, умещающиеся на USB-накопителе размером с монету). Подобное представление о памяти встречается и в фэнтези: в «Гарри Поттере», например, есть магический артефакт «Омут памяти», в котором можно сохранять сокровенные воспоминания для дальнейшего просмотра любопытными школьниками.

Компьютерная память гораздо понятнее, чем человеческая, поэтому велико искушение смотреть и на нашу память как на файлы, аудиозаписи и видеоролики. Но если задуматься о том, что мы помним, то становится понятно, что наша память так не работает.

Попробуйте не смотреть влево, а вместо этого вспомнить как можно больше предметов с левой стороны. Если только вы не сидите у белой стены, я гарантирую, что вы забудете по крайней мере половину из того, что могли бы вспомнить. Эту игру, «не смотри влево», придумала одна моя студентка, которая таким образом наблюдала за собой в течение недели. Главный ее вывод: мы недооцениваем забытое. Ей всегда казалось, что она знает, понимает и помнит все вокруг, но это неизменно оказывалось иллюзией. На самом деле она помнила только те предметы, с которыми раньше взаимодействовала и на которые обращала внимание. Этот феномен хорошо известен и в научной литературе: можно всю жизнь на что-то смотреть и при этом совершенно не помнить, как оно выглядит. Люди, например, отвратительно помнят, как выглядят дорожные знаки или деньги, хотя об этом и не подозревают. В экспериментах на такую тему большинство добровольцев изначально думают, что без труда воспроизведут монету в один цент, но приходят в ужас, когда им потом показывают оригинал.

Нам всегда кажется, что мы помним больше, чем мы помним на самом деле. В этом легко убедиться, если попробовать по памяти нарисовать, скажем, карту мира или утку.

В голове они могут выглядеть кристально четко, но стоит вам начать водить ручкой по бумаге, как выяснится, что вы совершенно не помните береговую линию Южной Америки или пропорции утиного клюва.

Конечно, если вы специалист по аргентинскому флоту или по питанию водоплавающих птиц, ваши шансы вспомнить больше деталей увеличиваются. Но в этом-то и суть: мы не просто запоминаем свойства окружающего мира. Мы запоминаем свои взаимодействия с этими свойствами. Воспоминания не записываются на носитель-пустышку - они проходят через призму нашего внимания и восприятия, которые, в свою очередь, сформированы образованием, воспитанием, языком - иначе говоря, предыдущими воспоминаниями. Новые воспоминания всегда привязываются к другим, уже имеющимся. Древние греки об этом знали и даже пользовались специальной техникой запоминания, называемой «дворцом памяти». Идея в том, что нужно вообразить дворец с множеством комнат, стеллажей и полок, а затем представить, что вы кладете то, что хотите запомнить, на ту или иную полку в той или иной комнате. Фактически это искусственно создаваемый «каркас», на который удобно крепить новые воспоминания. Но в той или иной степени все мы носим в голове собственный «дворец памяти», который постоянно расширяем. Биологу проще запомнить информацию про гены и белки, которая для неспециалиста звучит тарабарщиной, а пианисту проще запомнить фортепианный концерт, из которого средний человек не воспроизведет даже мелодию. Монета в один цент запоминается плохо именно потому, что она ни с чем не связана и не играет в нашей жизни никакой роли - взаимное расположение разных элементов дизайна ни на что не влияет и ни о чем не говорит. Память не абсолютна, а относительна.

Если бы наша память работала как видеокамера, то нам было бы совершенно все равно, что запоминать. Но лица, например, запоминаются несопоставимо лучше, чем снежинки или абстрактные формы. Начало и конец запоминаются лучше, чем середина. Необычные или эмоционально заряженные вещи запоминаются лучше, чем банальные. Мы запоминаем то, что воспринимаем, а воспринимаем мы далеко не все, что видим.

В своей крайней форме этот феномен известен как «слепота невнимания». Есть, например, гениальная социальная реклама лондонского общественного транспорта, основанная на психологическом исследовании 1999 г. В ней две команды баскетболистов быстро пасуют мяч, и зрителю предлагается сосчитать количество пасов между игроками в белом. Если вы не знаете, о чем я рассказываю, то рекомендую прямо сейчас отложить книгу и загуглить «Transport for London awareness test», потому что дальше будут спойлеры и смотреть станет не так интересно.

Так вот, спойлер: на самом деле смысл видео не в подсчете пасов, а в том, что, пока вы их усердно считаете, среди баскетболистов появляется человек в костюме медведя и, пританцовывая, не спеша прогуливается из одного угла экрана в другой. Я показываю этот ролик сотням людей, и пока медведя с первого раза не заметил ни один. «Если не обращать внимание, можно многое пропустить, - объясняет текст на экране. - Следите за велосипедистами».

Короче говоря, воспоминание - не просто отражение реальности, а его преломление нашим собственным восприятием, сохраненное в координатах нашего собственного сознания. В видеоролике все изображения имеют одинаковую природу: и снежинки, и лица, и автомобили состоят из одних и тех же пикселей, и больше не из чего. Мы же можем видеть автомобиль, можем - автомобиль марки «Тойота», а можем - автомобиль марки «Тойота», принадлежащий бывшей жене, и все это совершенно разные мысленные конструкции, отражающие не просто момент запоминания, а всю нашу предыдущую жизнь. Поэтому представить себе реализацию сюжета «Черного зеркала» на практике очень трудно. «Просмотреть» свою память я могу только в связи со всем остальным, что есть у меня в голове, а значит, для этого нужна именно моя голова.

---Что такое память

Главное, что мешает нам правильно понимать собственную память, это то, что компьютерная память - вещь, а наша - связь между вещами. Информация, заложенная в отдельном файле, имеет физические координаты, границы и смысл в отрыве от остальных файлов. Информация, заложенная в отдельном воспоминании, без остальных воспоминаний смысла не имеет. Дзен нашей памяти заключается в том, что никакое наше воспоминание не существует само по себе, а всегда отражает связь между предыдущими воспоминаниями.

Словом «воспоминание» обычно описывают только один из типов нашей памяти, называемый в науке эпизодической или автобиографической. Эпизодическая память - это память об эпизоде из прошлого. Допустим, вы помните, как сидели с симпатичным молодым человеком в кафе и разговаривали о Рене Декарте. Пока вы там сидели, ваш мозг получал одновременно несколько параллельных потоков информации извне: слуховая кора анализировала частоты колеблющегося воздуха, зрительная кора регистрировала приглушенный свет и деревянные столы, по обонятельному нерву транслировался запах кофе, разбитый на молекулярные компоненты, а языковые центры усваивали структуру предложений вашей интеллектуальной беседы. В чем заключается воспоминание об этой чудной встрече? Именно в том, что все эти отдельно взятые нити опыта связаны между собой в единый узелок. Если потянуть за одну из нитей, то можно восстановить всю связку: так, запах кофе может вызвать в памяти сцену из прошлого. Эпизодическая память работает путем реактивации тех же самых участков мозга, которые были активны при ее записи. Это не значит, что в других ситуациях эти участки ничего не делают. Просто память состоит не в самой работе участка, а в том, что конкретно эти участки конкретно в этой ситуации работали одновременно. Есть и другие формы памяти, которые «воспоминаниями» мы обычно не называем, но которые сводятся все к той же идее усиленной связи между имеющимися элементами. Например, навыки в научной терминологии считаются формой памяти, ведь это нечто усвоенное организмом из внешней среды, а не заложенное в нем от природы. Как и эпизодическая память, навык отражает связь между вещами, только в первом случае это связь между разными элементами опыта, а во втором - связь между действием и его результатом. Например, обучаясь игре на фортепиано, мы запоминаем, какие движения пальцев приводят к тем или иным звукам, и постепенно усиливаем связь между искомым звуком и правильным движением. Точно так же работают любые привычки, привязанности и зависимости - все это разные формы памяти, заключающиеся в связи между нужным результатом и подходящим действием.

Пожалуй, лучшей иллюстрацией того, что память не вещь, а связь между вещами, служит язык. Человек, выросший в лесу среди зверей, разговаривать не умеет, так что все, что мы знаем про свой язык, мы тоже когда-то запомнили.

На первый взгляд, эта память состоит в связи слов с их смыслом, и это действительно часть знания языка. Мы запоминаем, что слово «мама» связано с видом, звучанием и запахом конкретной мамы. Но из чего у нас в голове состоит слово «мама»? Из двух слогов «ма». То есть для запоминания слова «мама» надо запомнить, что слог «ма» связан с таким же слогом «ма», а не с другим слогом «ра». А слог «ма» можно запомнить либо как связь между частотами и амплитудами колебаний барабанной перепонки, либо как связь между двумя черными символами на белой поверхности (это если мы учим новый язык, уже зная его алфавит).

Любую память можно представить как разветвленную систему гиперссылок, в конечном итоге ведущую к органам чувств. Видеокамера - это как бы глаз, запоминающий изображение на собственной сетчатке. Мы же запоминаем не то, что видят органы чувств, а то, как мозг структурирует эту информацию, соединяя ее в единую систему.

Поэтому неудивительно, что главный физический носитель памяти в мозге - это синапс, который и представляет собой не что иное, как соединение.
--------------------

Происхождение жизни: от РНК-мира до последнего общего предка всего живого
Что такое жизнь, как она появилась на Земле и может ли существовать на других планетах
«ПостНаука»
Михаил Никитин
19 сентября 2018 / Краткая история всего

Михаил Никитин
младший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ имени М.В. Ломоносова

Пока мы находимся на Земле, не рассматриваем что-то инопланетное и ограничиваемся тем, что существовало в природе до человека, становится понятно, что вирусы, бактерии, археи, грибы, животные, растения и их одноклеточные родственники - это живое, а все остальное - нет. В итоге жизнь можно определить как химическую систему, способную к дарвиновской эволюции.

Раз система химическая, она должна состоять из атомов и молекул, между которыми происходят реакции. А способность к дарвиновской эволюции - это на самом деле четыре условия. Чтобы шла дарвиновская эволюция, нужно размножение: какая-то группа организмов, клеток или еще каких-то единиц, которые могут производить себе подобных. Во-вторых, нужна изменчивость, то есть потомки не должны копировать предков. В-третьих, должна быть наследственность, то есть отличия потомков должны передаваться следующим поколениям, а не исчезать у внуков. И нужен отбор, то есть эти отличия должны влиять на вероятность размножиться дальше.

На каком материальном носителе пойдет эволюция - это не так важно. На Земле носителем информации о жизни являются нуклеиновые кислоты, но существует, например, эволюционное программирование, когда все эти процессы происходят с нулями и единичками в памяти компьютера. Для задач изучения эволюции такую систему можно считать жизнью, а вот в экзобиологическом определении - уже нет. Потому что сложно представить, что компьютер может возникнуть сам по себе, без чьей-то разработки и сборки.

Но и с экзобиологическим определением жизни есть проблемы, потому что если мы возьмем одного рабочего муравья, то он не может считаться живым, потому что он не может размножаться. Соответственно, вся часть про эволюцию к нему не относится. Или если у нас очень хорошо разовьется медицина, если мы будем заранее предсказывать наследственные болезни и делать генетическую коррекцию, если каждый ребенок будет иметь дизайнерский геном, то люди как вид уйдут от дарвиновской эволюции. У нас будет совсем другой режим эволюции, который даже названия пока не имеет. Но перестанем ли мы от этого быть живыми?

---Химические признаки живого

Признаки, по которым можно удобно и быстро отличать живое от неживого, скорее, химические. Во-первых, это хиральная чистота. Молекулы аминокислот, нуклеотидов и многих других сложных веществ могут иметь две зеркальные формы, левую и правую. Но при этом живые организмы явно предпочитают из них одну, то есть все наши белки построены из левых аминокислот, а вся ДНК и РНК содержат правый вариант сахара рибозы. И исключений из этого правила нет.

Правые аминокислоты в живых организмах встречаются, но они не входят в состав белков и функции их гораздо скромнее. Поэтому если мы найдем на другой планете комочек органических веществ, в котором видна хиральная чистота, то даже если он не двигается и не размножается, мы можем считать, что это если не живое, то как минимум когда-то было живым.

Есть еще второй признак, который даже, скорее, физический. Атомы многих химических элементов бывают нескольких сортов, они отличаются массой и называются изотопами. У углерода есть обычный легкий изотоп с атомной массой 12 и другой, более тяжелый, с атомной массой 13. Есть и еще более тяжелый изотоп с атомной массой 14, но он радиоактивный и быстро распадается.

А вот 12C и 13C стабильные, они существуют неограниченно долгое время. 13C в природе примерно один атом на сто обычных 12C, и наша земная жизнь предпочитает легкий углерод. Если мы будем сравнивать изотопный состав углерода в растениях или в животных с изотопным составом углерода в неживой природе, то доля 13C в живом веществе меньше.

Весь углерод входит в биосферу через растения, которые осуществляют фотосинтез и делают из углекислого газа сахара. Это довольно длинный путь химических реакций, который называется цикл Кальвина. Промежуточные продукты этого цикла путешествуют от одного фермента к другому путем простой диффузии, которая идет тем быстрее, чем молекула легче. Поэтому молекула, в которую попал тяжелый атом углерода, проходит каждый этот шаг чуть медленнее и в результате отстает к финишу.

У животных, которые эту глюкозу съедают и делают из нее свои жиры и белки, этот процесс повторяется, и доля 13C становится еще ниже. Таким способом сейчас анализируют пищевые цепи: можно поймать какое-то животное в тропическом лесу или на океанском дне, и по одному мертвому экземпляру, никогда не наблюдая, что он делал в природе, можно по изотопному анализу примерно прикинуть, чем он питался. То есть был он травоядным, хищником или падальщиком.

(Мелвин Эллис Кальвин (1911-1997) - американский биохимик, установивший механизм усвоения растениями углекислого газа при фотосинтезе.)

---Зазеркальная жизнь

Белки и нуклеиновые кислоты имеют свойство хиральности: эти молекулы не совпадают со своим зеркальным отражением, то есть возможны левые формы и правые формы. При этом в реальных клетках белки всегда находятся в левой форме, а ДНК - в правой, и исключений из этого правила нет. Можно представить зазеркальную жизнь, у которой будут правые белки и левая ДНК. Она может ничем другим принципиально от нас не отличаться, но будет несовместима, то есть естественные вирусы из нашей биосферы такой зазеркальной клетке угрожать не смогут. И обмениваться генетическим материалом зазеркальная жизнь с нашей жизнью тоже не сможет.

Это очень хорошо для биотехнологических применений. Например, если мы делаем зазеркальную бактерию, которая будет есть пластик, мы хотим, чтобы она жила только на мусороперерабатывающем заводе, не могла попасть в окружающую среду и есть пластик у нас в домах. Поэтому если мы ее сделаем неспособной производить какие-тожизненно важные для нее витамины, она будет жить только там, где ее этими витаминами подкармливают, то есть на заводе, и сбежать не сможет. И передать свои гены поедания пластика диким бактериям они тоже не смогут, потому что у одних ДНК левая, а у других - правая.

Последние достижения китайских ученых связаны с тем, что они сделали зазеркальный работающий фермент Taq-полимеразу, которая копирует зазеркальную ДНК. До зазеркальной клетки они пока, конечно, не дошли, но они в этом направлении явно идут.

Почему у жизни на нашей планете именно такая асимметрия - очень сложный вопрос. Интересно то, что хиральная асимметрия, похоже, старше жизни, потому что аминокислоты есть не только в живых клетках. Есть типы метеоритов, в состав которых входят органические вещества, в том числе аминокислоты. И левых изомеров аминокислот там немножко больше, чем правых - на 1-2%. Нельзя сказать, что там чисто левые аминокислоты и правых нет, как в клетках, но некоторый перекос в сторону левых уже есть. Причем это такие аминокислоты, которые в биохимии не встречаются, то есть клетки их не вырабатывают и не едят. То есть это не продукт жизни земного типа.

Когда эти метеоритные аминокислоты открыли в 60-е годы, сначала думали, что это подтверждение панспермии: мы нашли жизнь в метеоритах. С другой стороны, были скептики, которые говорили, что метеориты заросли земными бактериями. Но более подробные анализы показали, что никакая жизнь, ни земная, ни инопланетная, к этим аминокислотам не имеет отношения, они возникли абиогенно. А вот откуда там возник перекос в сторону левых форм - это история из физики, а не из биологии.

Есть разные механизмы, которые могут избирательно разрушать одни оптические изомеры и аминокислоты и оставлять другие с помощью поляризованного излучения: ультрафиолета, рентгеновского излучения или поляризованных электронов. Источники поляризованного ультрафиолета в космосе - это некоторые типы звезд с сильными магнитными полями. Например, в туманности Ориона, где активно образуются новые звезды, создаются поляризованный ультрафиолет и видимый свет за счет рассеяния на межзвездной пыли. Если Солнечная система рождалась в каком-то таком облаке типа туманности Ориона, это могло стать причиной того, что еще до появления планет в составе космической пыли правых аминокислот осталось меньше, чем левых.

Источник поляризованных электронов - это бета-распад, один из типов ядерного распада. При бета-распаде электроны всегда получаются с левой поляризацией, и они активнее разрушают правые формы аминокислот. Почему при бета-распаде всегда получается левая поляризация электронов - это один из тех вопросов, ответ на которые должна дать новая физика за пределами стандартной модели.

(Бета-распад - тип радиоактивного распада, обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу. При этом распаде ядро излучает бета-частицу (электрон или позитрон), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино).)

Эти два механизма мы, сидя на Земле, отличить не можем, а разница между ними такая: бета-распад во всей Вселенной работает одинаково, он дает левополяризованные электроны и будет давать избыток левых аминокислот. А вот со звездными источниками поляризованного ультрафиолета везде участвует магнитное поле, и магнитных полюсов два: северный и южный. Любой такой источник с одной стороны дает один знак поляризации, а с другой - другой. То есть Солнечная система, возможно, была просто с нужной стороны от такого источника. А окажись она с другой, может, жизнь бы была с другой хиральностью.

По-хорошему надо слетать к планетам у других звезд, найти несколько примеров внеземной жизни и посмотреть, бывает ли там право-аминокислотная жизнь. Если мы везде в галактике будем находить лево-аминокислотную жизнь, значит, виновата ядерная физика. А если лево- и право-аминокислотные встречаются примерно поровну, значит, виноваты звезды.

---Как изучать жизнь

Когда мы изучаем какие-то события прошлого, будь то космология, происхождение жизни, история или археология, полного консенсуса ученым достичь не удается, потому что эксперимент для проверки поставить нельзя - все уже случилось. Поэтому приходится, как в криминалистике, по прямым и косвенным уликам устанавливать, что как было.

Каждое исследование, пытающееся найти ответ на вопрос, как появилась жизнь, моделирует какую-то одну стадиювсего процесса: от появления первых молекул до зарождения жизни. А вот в одном эксперименте все вместе еще не собирали. Наибольших успехов достигли люди, которые пытались восстановить РНК-мир. Они в первую очередь пытались получить молекулу РНК, которая могла бы копировать сама себя или хотя бы какие-то другие молекулы РНК-сравнимой сложности. За 20 с лишним лет они этого результата так и не добились - похоже, что чистая РНК на это все-таки не способна. Нужна помощь со стороны какой-нибудь минеральной подложки, аминокислот, причем, наверное, даже соединенных в короткие пептиды. То есть одним типом молекул обойтись не получается.

С исследованиями происхождения жизни есть также организационные проблемы, потому что это междисциплинарная область: вместе должны работать ученые самых разных специальностей. Химики, которые лучше знают, как всякие синтезы проводить. Биологи, которые лучше знают, как вот эта жизнь, которая у нас появилась, на самом деле устроена. Геологи, которые лучше знают, какие на древней Земле могли быть условия, какие там минералы были, а каких еще не было. И вот эти междисциплинарные команды образуются далеко не всегда.

---Грязевые котлы как колыбель жизни

Отличный пример междисциплинарных исследований - это совместные работы биолога Армена Мулкиджаняна и геолога Андрея Бычкова. Армен Мулкиджанян в начале двухтысячных начал с того, что хотел обоснованно возразить распространенным тогда мнениям о происхождении жизни на морском дне, в каких-то горячих источниках типа черных курильщиков или щелочных гидротермах, где темно, тепло, высокое давление. Он нашел данные про устойчивость нуклеотидов к ультрафиолету и, сделав дополнительные эксперименты, показал, что при объединении нуклеотидов в цепочки РНК или ДНК устойчивость возрастает. А если это еще и двойная спираль, то она устойчивей, чем одиночная цепочка. То есть ультрафиолет мог быть фактором отбора еще до появления какой бы то ни было жизни. И тогда Мулкиджанян стал подыскивать подходящее местообитание для РНК-мира на какой-то освещенной поверхности.

Ему пришлось довольно глубоко закапываться в биохимию и состав солей в клетках. Есть довольно расхожая фраза, что наша кровь похожа на морскую воду. Действительно, и там и там преобладает NaCl, поваренная соль. И это получилось, потому что первые животные, у которых появилась кровь, возникли в море, и у них еще не было почек или каких-то других органов, чтобы управлять ее солевым составом. Поэтому кровь и вообще внутренние жидкости, омывающие клетки, по составу солей не отличались от морской воды. А когда почки появились, менять что-то было уже поздно, потому что на этот солевой состав были завязаны разные важные процессы, например передача нервного импульса. И ломать себе все мозги ради экономии на почках животные не стали.

Соответственно, если мы берем не целый организм с его внутренними жидкостями, а отдельную клетку, то по аналогии можно предположить, что колыбель жизни по солевому составу должна была напоминать внутриклеточную среду, или цитоплазму, потому что клетки для поддержания солевого состава цитоплазмы имеют мембрану, не пропускающую соли. У них есть транспортные белки, которые качают нужные соли внутрь, а ненужные наружу, и тратят на эту откачку довольно много энергии.

Чем тогда цитоплазма отличается от морской воды? В море больше натрия и хлоридов, а в цитоплазме - калия и фосфатов, и не просто неорганических фосфатов, а соединенных с органическими молекулами: сахарофосфатов, нуклеотидов, ДНК, РНК и так далее. Живые клетки очень не любят внутри себя натрий и тратят много энергии на откачивание его наружу, при этом закачивая в себя калий. Рибосома содержит несколько десятков ионов калия, и если их заменить на натрий, она перестает работать. Другие важные ферменты, например копирующие ДНК, тоже для своей работы требуют, чтобы в состав входил калий, а не что-нибудь другое. То есть явно нужна была какая-то колыбель жизни, богатая калием, но не натрием, и богатая фосфором, желательно еще в растворимой форме.

Мулкиджанян пошел к геологам и стал у них спрашивать, бывают ли вообще в природе такие водоемы, где калия много, а натрия мало. И дошел он до вулканолога Андрея Бычкова, а тот такие водоемы знал, он занимается горячими источниками Камчатки. Среди них есть такие типы горячих источников, в которых много калия и много фосфора, в основном это грязевые котлы и некоторые гейзеры.

Как устроены горячие источники? Холодная вода - дождевая, речная, снеговая - через трещины течет на горячий вулканический очаг, где она нагревается, частично закипает, а дальше пар и горячая вода по другим трещинам идут наверх. Если выходит совсем горячий пар, то получается фумарола, а если вытекает недокипевшая жидкая вода, получается термальный источник.

В грязевых котлах пар идет стабильно, но его поток слабее, чем в фумаролах, и он не такой горячий, поэтому, выходя из земли наружу, он конденсируется и образует жидкость. Это похоже на процесс перегонки в химии: когда от воды отделяются соли и образуется дистиллят. Но в условиях перегонки на вулканическом очаге температуры выше, чем в дистилляторе в лаборатории, а стенки - все же не чистое стекло, а всякие интересные минералы, поэтому в воде появляются примеси.

В таких примесях может быть калий, фосфор, причем в виде оксида фосфора, а также некоторые металлы - цинк, марганец и молибден, которые как раз входят в число микроэлементов, необходимых для клеток. Еще в грязевые котлы попадает довольно много кремния в виде летучей кремниевой кислоты, которая в холодной воде оседает, давая мелкозернистую глину. Поэтому, собственно, грязевые котлы и грязевые. В них не прозрачная жидкость, а жиденькая серая или рыжеватая глина, и через нее пробулькиваются пар и вулканические газы. Естественно, туда прилетает сернистый газ, сероводород, углекислый газ, аммиак, который в вулканических газах тоже встречается. И получается такой хороший коктейль, в котором могли образовываться разные интересные вещества. По солевому составу именно грязевые котлы как ни что иное идеально похожи на колыбель жизни. К тому же они находятся на поверхности суши и освещаются солнцем.

---Образование нуклеиновых кислот

Хорошие исходные вещества для образования нуклеиновых кислот - это два яда, синильная кислота и формальдегид. На древней Земле они выпадали с дождями. Нам удалось подглядеть, как это происходит, на Титане, спутнике Сатурна, благодаря космическому зонду Кассини. Титан больше нашей Луны, у него есть азотная атмосфера с примесью метана. Метан постоянно выделяется из-под поверхности этого спутника, попадает в атмосферу, и на него светит Солнце. Под ультрафиолетовым излучением метан разлагается, и получаются разные интересные вещества: ацетилен, синильная кислота, цианоацетилен. В результате в атмосфере Титана, в более холодной части, на полюсах, есть облака из кристалликов замерзшей синильной кислоты.

В атмосфере древней Земли тоже был азот, и тоже из морского дна выделялся метан, а на поверхности светило Солнце. Но поскольку Земля ближе к Солнцу, то и ультрафиолета на квадратный метр было больше раз в 100, поэтому должны были идти настоящие дожди из синильной кислоты. Разлагающийся под солнцем метан может еще реагировать с той же водой или с углекислым газом, давая формальдегид и ацетальдегид. Они тоже растворимы и тоже будут выпадать с дождем.

Используя эти знания, химики достигли больших успехов по абиогенному синтезу нуклеиновых кислот. Прежде всего, надо отметить группу Джона Сазерленда, которая работает в университете Манчестера. Недавно им удалось в одной системе, грубо говоря, в одной емкости, из одних и тех же исходных веществ получить одновременно все четыре нуклеотида для РНК и еще десяток аминокислот, входящих в состав белков.

(Джон Сазерленд - британский химик, в 2009 году впервые осуществивший вместе с коллегами абиогенный синтез пиримидиновых нуклеотидов в лабораторных условиях.)

---Образование мембран

Если с тем, как получить ДНК и РНК, все более-менее понятно, то появление мембран - это пока открытый вопрос. Есть идея так называемой первичной пиццы - что первые формы жизни обходились без липидных мембран, которые бывают у современных клеток. От внешней среды они могли отделяться минеральными стенками. Мокрая набухшая глина - это довольно слоистый материал, и между минеральными прослойками получаются щели толщиной в несколько молекул, куда как раз цепочка РНК или цепочка белка отлично вписывается. Сейчас такие слоистые разновидности глины можно встретить в магазине под названием “минеральный наполнитель для кошачьих туалетов”.

Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. В экстремальных вариантах в результате высыхания воды почти не остается, и в экспериментах получается, что в такой майонезоподобной среде нуклеотиды очень хорошо соединяются в цепочки. Рекорд абиогенных РНК - это цепочка длиной около 100 нуклеотидов, полученная как раз в майонезной жировой фазе.

Откуда могли эти жиры взяться в таком большом количестве, известно хуже. Лучше всего жироподобные вещества получаются в условиях черных курильщиков: необходимо высокое давление и температура, а исходным веществом может быть угарный газ. Аналог такой химической технологии назывался: процесс Фишера - Тропша. С помощью этого процесса в Германии во время Второй мировой войны производили бензин из каменного угля.

---Грязевые котлы против черных курильщиков

Когда Мулкиджанян и Бычков опубликовали свою теорию о грязевых котлах как колыбели жизни, это все выглядело довольно гипотетично. Черные курильщики можно если не потрогать руками, то хотя бы спуститься на батискафе, произвести замеры, съемки, взять пробы. А вот таких древних грязевых бескислородных котлов нигде на Земле не осталось - сейчас из-за кислорода химия в них совсем другая, много серной кислоты, очень кислая среда и там почти никто не живет.

Но несколько лет назад статью Мулкиджаняна и Бычкова прочитал австралийский геолог Мартин ван Кранендонк. Он давно занимается районом Пилбара - безводными пустынями в Западной Австралии. Сейчас там почти нет жизни, зато очень много полезных ископаемых: от угля и железа до золота и урана. Это один из самых древних блоков земной коры, ему 3,5 миллиарда лет.

Земная кора постоянно образуется и разрушается. В океанической коре эти процессы идут быстро: она образуется на срединно-океанических хребтах и ныряет в глубоководный желоб под материком. Океанической коры старше 200 миллионов лет, старше мезозоя, на Земле не осталось. А материки так никуда не уходят полностью, но на материках есть эрозия. Их скребут ледники, поливают дожди, дует ветер. Песок царапает скалы и за миллиарды лет может сцарапать очень много. На скалах вырастают деревья, которые своими корнями раскалывают их, пытаясь добыть себе немножечко фосфора. То есть материковая кора тоже на самом деле подвержена разрушению. Древние куски земной коры много где есть, но почти везде они погребены под осадками. А вот в Скандинавии, на Кольском полуострове, в районе Пилбара в Австралии и еще в Южной Африке есть такие места, где очень древняя кора выходит на поверхность.

Пилбара уже была ранее знаменита ископаемыми бактериальными матами возрастом 3,5 миллиарда лет. Геологи считали, что Пилбара на момент образования осадков и активного роста бактерий была мелководным теплым морем. А вот Мартин ван Кранендонк, почитав работу Мулкиджаняна и Бычкова, вспомнил, что вроде как ему попадались там минералы, которые характерны, скорее, не для моря, а для наземных горячих источников. Ему повезло, что у него была очень наблюдательная аспирантка, которая накопала там гейзерит - это минерал, который образуется только в наземных горячих источниках, он растет из пара, в море его получить невозможно. Потом там же нашли турмалин - это борсодержащий минерал, который тоже образуется только в районе горячих источников, а в море он растворяется.

То есть получается, что в Пилбаре на самом деле было не мелководное море, а наземное геотермальное поле, ровно как Мулкиджанян и Бычков предсказывали. И там нашлись все те минералы, которые должны быть на бескислородном поле гейзеров и грязевых котлов.

---Загадка фосфора

Чтобы сделать клетку, фосфора нужно много. ДНК и РНК без фосфора не получить никак. При этом с фосфором проблема такова, что в принципе на Земле его довольно много, но он почти весь лежит в виде фосфоритов, минералов фосфата кальция, которые совершенно не растворимы в воде и химически инертны. Растения, чтобы добыть оттуда фосфор, выделяют корнями всякие кислоты, и только тогда эти фосфориты и апатиты начинают медленно растворяться. Когда люди делают фосфорные удобрения из апатитов, они их тоже обрабатывают сильными кислотами.

Для колыбели жизни кислотная мобилизация фосфора не подходит, потому что двойные спирали ДНК и РНК, Уотсон-Криковские пары и правильное сворачивание РНК в шпильки возможно только в нейтральной среде. По этим критериям море не подходит однозначно: во-первых, морская вода сейчас слабощелочная, а тогда была, скорее, слабокислая, потому что было много CO2 в атмосфере. Во-вторых, в море всегда было много кальция, а растворимые фосфаты с кальцием выпадают в нерастворимый осадок фосфорита и апатита.

Но в грязевых котлах фосфора много, причем именно в растворимых формах. В вулкане при температурах выше тысячи градусов фосфориты разлагаются, и фосфор вылетает с вулканическими газами в виде оксидов фосфора. Когда эти оксиды фосфора P4O10 и P4O6 попадают в воду, получаются полифосфаты, которые хорошо растворимы даже в присутствии кальция. Более того, полифосфаты - это не просто фосфор, это еще источник энергии по аналогии с АТФ. За счет распада этих цепочек на отдельные фосфатные блоки можно получать энергию.

Свет, калий и фосфор - это три улики, которые указывают на возможность зарождения жизни в горячих наземных источниках. На морском дне ни одного из этих трех условий обеспечить нельзя.

---Цинковый мир

Железо, медь, цинк, марганец, молибден и кобальт нужны организму человека в качестве микроэлементов. Бывают микробы, у которых к этому списку добавляется никель или вольфрам, или животные, которым нужен ванадий, но это совсем экзотика. Интересно, что в клетках наравне с железом также много цинка. Но если железа много и в окружающей среде, то цинка в клетках в миллион раз больше, чем в современной морской воде. А в древней морской воде цинка было, наверное, еще меньше. То есть цинк клетки явно концентрируют сильнее, чем все остальные элементы, а используют они его при этом необязательно для жизненно важных функций. Есть, например, такой белковый модуль - цинковые пальцы, он входит в состав разных белков, которые связываются с ДНК и РНК. Но это нужно просто для правильного сворачивания белка и ни для чего больше. Но есть куча других способов свернуть белок и без дефицитного цинка, а это значит, что такие белковые элементы могли возникнуть только там, где цинка было много, - это как Эльдорадо, где дома строят из золотых кирпичей.

Есть маленький набор, примерно 60-70 штук, абсолютно универсальных и очень древних белков, которые есть в любой клетке. Эти белки выполняют самые важные функции, они абсолютно незаменимы. И в них цинк есть, а железа нет. И как могла выглядеть среда, богатая цинком? В бескислородную эпоху у цинка были большие проблемы с растворимостью, потому что было много сероводорода, который с любыми растворимыми солями цинка выпадает нерастворимым сульфидом цинка.

А маленькие кристаллики сульфида цинка имеют очень интересные отношения со светом. Они могут поглощать синий или ультрафиолетовый свет и потом, например, флуоресцировать. В воде освещенный сульфид цинка может восстанавливать какие-нибудь вещества, например углекислый газ, и получается такой минеральный фотосинтез. При этом кристаллы сульфида цинка разрушаются, сера окисляется, а цинк выходит в раствор. Получается среда, где много растворенного цинка, и если туда набулькать сероводорода, то пока есть свет, цинк все равно будет возвращаться в раствор. Вот и получается среда, богатая растворенным цинком.

(Цинковый палец - тип белковой структуры, небольшой белковый мотив, стабилизированный одним или двумя ионами цинка, связанными координационными связями с аминокислотными остатками белка.)

---Последний общий предок

История жизни - это история появления приспособлений к окружающей среде. Жизнь, которую мы знаем и наблюдаем на Земле, сформировалась такой именно потому, что Земля в частности и наша Солнечная система в целом устроены определенным образом.

Если бы Земля располагалась несколько ближе к Солнцу, то было бы как на Венере. Венера не успела достаточно остыть для появления жидкой воды. По всей видимости, исходно там было воды столько же, сколько на Земле, но она вся была паром в сверхплотной атмосфере, поэтому постепенно сдувалась в космос солнечным ветром. И Венера в результате стала сухой и безжизненной планетой.

В этих расчетах на самом деле непонятно, насколько сильно Землю надо двигать, чтобы добиться такого же эффекта, как на Венере. Но чем ближе она была бы к Солнцу, тем дольше бы она остывала до пригодных для жизни температур. Возможно, она бы не успела остыть до этих температур вообще до поздней метеоритной бомбардировки, и жизнь бы зарождалась уже после этого. Я не знаю, как бы это все изменило.

Сейчас мы считаем, что, скорее всего, жизнь пережила метеоритную бомбардировку. И это видно вот по какому признаку: когда по последовательностям ДНК стали строить родословные деревья разных микробов, бактерий и архей, оказалось, что самые древние и самые нижние веточки таких деревьев занимают гипертермофилы - любители кипятка. И расчеты показывают, что в позднюю бомбардировку гипертермофилы избирательно могли выживать. Потому что когда падает большой астероид и испаряет целый океан, то температура на Земле достигает 70 градусов на поверхности. Для гипертермофилов это нормально, они еще и размножатся, захватят полпланеты. Поэтому может быть, что вся жизнь, которая у нас есть после бомбардировки, это потомки гипертермофилов, которые потом опять привыкали к холодным условиям.

(Термофилы - тип экстремофилов, организмы, живущие при относительно высоких температурах свыше 45 °C. Многие термофилы являются археями. Гипертермофилы способны обитать при температурах выше 80 °C или даже 100 °C, но при повышенном давлении, когда вода не закипает.)

Но восстановить облик общего предка очень непросто, потому что гены не только передаются от предков к потомкам, он еще и подвержены горизонтальному переносу. Как мы по современному распространению какого-нибудь гена в разных группах микробов будем решать, был он у общего предка или не был? Если у всех есть, то, наверное, был.

Но таких генов, которые есть у всех организмов, крайне мало: их меньше сотни. Этого недостаточно, чтобы сделать полноценный организм, потому что среди этой сотни генов нет ни одного, связанного с обменом веществ. Все они работают только в таких центральных процессах, как синтез белка и транскрипция. К тому же биологи почти не знают такого, чтобы одна клетка могла образовывать замкнутую экосистему, где она будет и продуцентом, делающим органику из углекислого газа, и консументом, потребляющим органику.

Даже одноклеточные организмы всегда образуют многовидовые экосистемы с разделением труда. И генные деревья нам рисуют одного общего предка всех бактерий и архей - Last universal common ancestor, LUCA, но вряд ли он был единственным организмом своего времени. Скорее всего, вместе с ним жило еще много других форм. И если, допустим, рибосомы мы все унаследовали только от этого общего предка, от LUCA, и ни от кого больше, то какие-то другие компоненты клетки, менее важные, могли достаться и от его соседей по сообществу путем горизонтального переноса. Поэтому когда мы реконструируем LUCA, глядя на геномы современных бактерий и архей, мы никогда не знаем, реконструируем ли мы один организм или сообщество из нескольких видов организмов.

Минимальный набор генов для этого сообщества можно найти. Получится нормальное микробное сообщество, жившее в бескислородной среде при температуре 60-80 градусов - не совсем кипяток, но и не комнатная температура. Это сообщество очень любило соединения серы, было способно питаться и углекислым газом, и муравьиной кислотой, и угарным газом, и метанолом, и переваривать какие-то уже готовые чужие сахара. То есть это была очень гибкая система с разнообразными типами питания. Там точно были и продуценты, которые делали органику, и консументы, которые ее потребляли.

По устройству клеток, скорее всего, LUCA и его соседи были устроены примерно на таком же уровне сложности, как современные бактерии, не проще. У них уже были нормальные рибосомы и специфические клеточные мембраны. Скорее всего, поскольку они жили в грязевых котлах, где солевая среда была идеальной, их мембрана была проницаема для солей. То есть они еще не умели поддерживать солевой состав внутри клетки.

Постепенно строение клеток усложнялось. Какие-то бактерии и археи независимо осваивали морскую воду или какие-то еще среды и делали себе более плотные мембраны и ионные насосы. Приспособления к кислороду появились поздно, потому что и кислород далеко не сразу появился. Но из общих для разных групп жизни приспособлений после приспособлений к аэробному образу жизни больше ничего и не было. Появились всякие частные приспособления, например связанные с освоением суши у растений и грибов: приспособления к высыханию, к жизни в почве, к взаимодействию растений и грибов друг с другом, к разлету спор по воздуху, к распространению по воде. И такие частные адаптации, конечно, продолжаются до сих пор.

Сейчас уже вряд ли есть какие-то бактериальные сообщества, похожие на те первые конгломераты первичных предков: условия слишком сильно поменялись. Те сообщества жили, во-первых, в бескислородной среде, а во-вторых, под солнцем. Сейчас эти два условия вместе не встречаются: либо бескислородная среда где-нибудь в темноте под землей или в морских глубинах, либо под солнцем, но тогда кислородная атмосфера неизбежна.

Таким образом, у всего живого на Земле практически одинаковый набор генов, которые кодируют процессы трансляции, то есть синтеза белка. За некоторыми косметическими отличиями люди, бактерии и археи в этом отношении устроены совершенно одинаково, и эти признаки мы унаследовали от LUCA. Но это не означает, что у него чего-то другого не было. Это означает только то, что мы про это точно знаем, но, скорее всего, у LUCA были сложные пути обмена веществ. Только мембрана у него была более примитивная, чем сейчас.

Еще есть таинственная история про механизмы копирования ДНК. Дело в том, что у бактерий и архей копирование ДНК устроено в принципе одинаково. Там есть репликативная вилка, которая копирует одновременно две цепочки двойной спирали. Но конкретные белки, входящие в состав репликативных вилок, у бактерий и архей совершенно разные и не родственные друг другу. То есть как бы ту же самую пьесу играют совершенно другие актеры.

А если рассмотреть, как это устроено еще и у вирусов, то мы увидим другие варианты систем копирования ДНК. То есть получается, что копирование ДНК возникало в истории несколько раз независимо - как минимум три раза, а то и четыре. И что из этого было у LUCA, непонятно совершенно. А вот транскрипция возникла один раз. Трансляция и рибосомы тоже возникли один раз. А механизмы репликации ДНК много раз возникали независимо на какой-то разной основе.

Скорее всего, ДНК появилась уже после рибосом и белков как более стабильный генетический материал. И может быть, были какие-то промежуточные механизмы, когда ДНК строилась на матрице РНК, как у ретровирусов. В общем, с ДНК очень большое разнообразие и какая-то запутанная история, которую мы не до конца понимаем: почему репликация так много раз возникала, почему одна система не оказалась лучше остальных и не вытеснила остальные.

Без размножения никакая жизнь невозможна. Поэтому как только возникли нуклеиновые кислоты, сразу должен был возникнуть и механизм их копирования: в случае РНК-мира должна была появиться репликация РНК. Пока не удалось экспериментально подтвердить возможность возникновения этого процесса, но ученые все ближе к этой цели.

---Жизнь на других планетах

Мы очень надеемся на телескоп Джеймса Уэбба, который планируют запустить в следующем году. У него зеркало гораздо больше, чем у предыдущего космического телескопа Хаббл, - не 2,5 метра, а 6, поэтому он может собирать гораздо больше света. Это зеркало охлаждаемое, поэтому телескоп может работать не только в видимом свете, но и в инфракрасном диапазоне. К тому же он будет работать не на низкой околоземной орбите, а довольно далеко, в районе лунной орбиты, поэтому засветка от Земли ему мешать не будет.

Этот телескоп сможет делать прямые изображения экзопланет на расстоянии до 100 световых лет. Это прорыв, потому что большинство известных нам экзопланет мы никогда не видели отдельными точками рядом со звездой. Большинство экзопланет мы обнаруживаем методом затмений: то есть мы видим планетную систему с ребра и видим, как при прохождении планеты перед звездой свет звезды немножко тускнеет. Достаточно крупные и далекие от звезды планеты, Юпитер и Сатурн в нашей Солнечной системе, телескоп Джеймса Уэбба сможет показать как отдельную точку рядом со звездой.

А для планет, дающих затмение, он сможет довольно хорошо и подробно определять, как меняется свет звезды, когда планета перед ней проходит. Когда происходит такое затмение, часть света звезды проходит через атмосферу планеты, и можно по тому, какие частоты атмосфера поглощает, понять, есть ли там метан, озон, кислород, водяной пар и прочие другие интересные газы. Такой способ и в нашей Солнечной системе находит применение. Есть зонд «Экзомарс», который сейчас начал работать на орбите Марса. Он наблюдает восходы и закаты и регистрирует, как меняется цвет Солнца, когда оно заходит за диск планеты или выходит из-за него.

«Экзомарс» ищет, прежде всего, метан. Потому что если на Марсе какая-то жизнь есть, то, скорее всего, она прячется под поверхностью, и по аналогии с земными глубинными микробами проще всего их найти по следам дыхания. А выдыхают они, скорее всего, метан. Метан в атмосфере долго не живет, он разрушается под солнцем. Поэтому если он там регулярно есть, значит, его кто-то выделяет. Также его приборы рассчитаны на то, чтобы измерить изотопный состав этого метана и отличить тот метан, который производят бактерии, от метана, который может образовываться просто в геологических процессах.
---------------------

Эти гениальные птицы. Почему пернатые умнее, чем мы думаем, и что роднит их с людьми
Журнал «Нож»
Елена Серафимович
12 сентября 2018

В издательстве «Альпина нон-фикшн» вышла книга «Эти гениальные птицы» Дженнифер Акерман, где собраны сотни научных фактов о птицах.

Публикуем отрывок, из которого вы узнаете, что общего между птицами и динозаврами, чем пернатые пожертвовали ради умения летать и так ли они глупы, как привык считать человек.

На протяжении нескольких столетий мы считали, что в ходе эволюции птичий мозг по разумной причине уменьшился в размере, чтобы птицы могли летать <…>. Головной мозг - тяжелый по массе и чрезвычайно ресурсоемкий орган, уступающий по энергозатратности только сердцу. Крошечные нейроны в процессе создания и поддержания работы потребляют примерно в десять раз больше энергии относительно своего размера, чем другие клетки тела, поэтому обеспечение их развития и функционирования - дорогостоящее удовольствие.

Неудивительно, что природа сократила у птиц объем серого вещества, думали мы. «Иронично, что за свою способность летать, которой мы так восхищаемся у птиц, те заплатили эволюционную цену в виде более низкого интеллекта по сравнению с млекопитающими», - писал известный натуралист Питер Маттиссен.

Иначе говоря, птицы предпочли решать проблемы, не полагаясь на собственный ум, а улетая от них, считали мы.

Полет - действительно трудоемкое дело. Птица размером с голубя во время полета расходует примерно в десять раз больше энергии, чем в состоянии покоя. У маленьких птичек, таких как вьюрок, короткие перелеты с частым маханием крыльями отнимают энергии почти в 30 раз больше. (Для сравнения: расход энергии при плавании у водоплавающих птиц, таких как утка, превышает энергозатраты в состоянии покоя всего в три-четыре раза.)

Чтобы удовлетворить ограничительным условиям полета, природа
действительно постаралась облегчить нагрузку для птиц, наделив их максимально прочным, но легким скелетом. Некоторые кости слились, некоторые вообще были устранены. <…>

Эволюция нашла и другие способы упростить или полностью устранить ненужные части тела. У птиц нет мочевого пузыря. Печень сократилась до полуграмма.

Сердце у птиц, как и у млекопитающих, четырехкамерное и с двумя желудочками, но очень миниатюрное и бьется несравнимо быстрее (от 500 до 1000 ударов в минуту у черношапочных гаичек по сравнению с 78 ударами у человека). <…> Половые органы птиц увеличиваются только в сезон размножения; в течение большей части года их семенники, яичники и маточные трубы уменьшаются до минимальных размеров.

Сокращение птичьего генома также может быть следствием адаптации к полету. Птицы обладают самым маленьким геномом среди всех амниот - так называется группа животных, включая рептилий и млекопитающих, которые первоначально откладывали яйца на суше.

Геном типичного млекопитающего содержит от одного до восьми миллиардов пар оснований, тогда как у птиц эта цифра колеблется на уровне миллиарда, что получилось в результате значительного уменьшения количества повторяющихся фрагментов и множества делеций, то есть утрат участков ДНК в ходе эволюции.

Вероятно, сокращение генома позволило предкам птиц гораздо быстрее корректировать свои гены, адаптируясь к сложности полета.
Эта экономичная во всех аспектах структура сформировалась в результате уникального эволюционного процесса, который начался еще у динозавров и привел к их превращению в современных птиц.

Томас Гексли был одним из первых, кто проследил этот эволюционный путь, что, кстати говоря, нисколько не улучшило имидж птиц в глазах людей и не добавило им интеллекта. Гексли - «старика с желтым лицом, квадратной челюстью и пронзительными маленькими карими глазами», как описал его ученик Герберт Уэллс, - считали «цепным псом Дарвина».

В его распоряжении был довольно ограниченный ископаемый материал, но, тщательно изучив его, он сумел увидеть в динозаврах признаки птиц, а в древней, только что тогда описанной птице - так называемом археоптериксе возрастом 150 млн лет - признаки динозавров. «Если бы задняя четверть, от подвздошной кости до пальцев ног, невылупившегося цыпленка вдруг могла многократно увеличиться в размерах, окостенеть и окаменеть, - писал Гексли, - это обеспечило бы нас последним переходным звеном между птицами и рептилиями; в их характере нет ничего, что могло бы помешать нам отнести их к динозаврам».

Конечно, Гексли был прав.

Птицы произошли от динозавров в Юрский период от 150 до 160 млн лет назад. На самом деле, как говорит палеонтолог Стивен Брусатте из Эдинбургского университета: «Мы не нашли четкого разграничения между „динозаврами“ и „птицами“. Динозавры превратились в птиц не за один день; преобразования начались очень рано, и птичье тело формировалось постепенно, по частям на протяжении более чем ста миллионов лет непрерывной эволюции».

Также в птицах есть многое от рептилий: такие же глаза-бусинки и резкие отрывистые движения; у малайского калао (птицы-носорога) такие же крылья, как у птеродактилей; такая же манера у странствующего дрозда неподвижно замирать в настороженной готовности, улавливая внешние звуки, как это часто делают ящерицы, причем с таким же отсутствующим и ничего не выражающим взглядом. Посмотрите на большую голубую цаплю, которая своими медленными, тяжелыми взмахами крыльев, змеиным изгибом изящной шеи и хриплым клекотом напоминает динозавра. Но у нас не умещается в голове, что крошечные молниеносные синицы тоже произошли от гигантских чудовищ, некогда бродивших по нашей планете. <…>

Динозавры породили современных цапель и синичек благодаря неумолимому процессу устойчивой миниатюризации - подобно тому, как уменьшалась Алиса, попавшая в Страну чудес. Более 200 млн лет назад динозавры начали быстро диверсифицироваться в размерах, заполняя новые экологические ниши. Но из всех эволюционных линий динозавров только одна - линия предков современных птиц - продолжила интенсивно изменяться. На протяжении 50 млн лет эти тероподы устойчиво уменьшались в размерах, сократив массу тела со 163 кг до менее чем одного килограмма. Практически все уменьшилось в пропорциональном отношении.

Миниатюрное и легкое тело позволяло этим тероподам осваивать новые пищевые ниши и спасаться от хищников, забираясь на деревья, планируя, совершая большие прыжки, а затем и улетая. Новые адаптивные особенности развивались у них значительно быстрее, чем у других динозавров.

Небольшой размер, эволюционная гибкость и, разумеется, новые особенности (эффективная теплоизоляция благодаря развитому оперению, способность летать и кормиться на дальних расстояниях) позволили птичьим предкам пережить катастрофические события, приведшие к гибели множество других видов динозавров, и впоследствии помогли стать одной из наиболее успешных групп наземных позвоночных на планете.

Но как насчет мозга? Он уменьшился так же сильно, как тело?

Вовсе нет. Динозавры, от которых произошли птицы, развили так называемый увеличенный мозг еще до того, как научились летать. Увеличение коснулось прежде всего зрительного центра, управлявшего более крупными глазами и более острым зрением, необходимым для того, чтобы избежать столкновений при прыжках с дерева на дерево, а также областей мозга, отвечающих за обработку звуковой информации и двигательную координацию. Протоптичий мозг эволюционировал, чтобы справиться с чрезвычайно высоким уровнем неврологических и мышечно-координационных требований. Другими словами, птичий мозг, как и перья, появился еще до того, как сформировались сами птицы.

Но как можно сохранить большой мозг, если все остальные части вашего тела стремительно уменьшаются? Птицам удалось добиться этого тем же способом, что и нам: сохранив детскую голову и лицо.

Этот эволюционный процесс называется педоморфозом (буквально «формированием по детскому типу») и заключается в сохранении детских черт во взрослом возрасте. <…>

Удивительно, но мы, люди, пошли таким же эволюционным путем. Мы - своего рода Питеры Пэны: у нас большая голова, плоское лицо, маленькая челюсть и неравномерный волосяной покров, как у детенышей приматов. Педоморфоз стал одним из факторов, позволивших нам, как и птицам, стать обладателями крупного мозга.

Миграция - еще один фактор, определяющий размер птичьего мозга, и еще один компромисс. У перелетных птиц мозг по размеру меньше, чем у их оседлых сородичей. В этом есть смысл, поскольку много путешествующие птицы не могут позволить себе крупный мозг, который медленно развивается и потребляет много энергии. Более того, по словам Даниэля Соля из Центра прикладных исследований в области экологии и лесного хозяйства в Испании, врожденное, запрограммированное поведение полезнее для перелетных видов, которые перемещаются между совершенно разными средами обитания, чем приобретенное и новаторское.

Какой смысл тратить массу умственных ресурсов на сбор данных в одном месте, если эта информация не пригодится в другом?

Но и тут не без сюрприза: оказывается, даже в пределах одного вида размер мозга - или, по крайней мере, некоторых его частей - может заметно варьироваться. Владимир Правосудов из Университета Невады и его команда сравнили десять популяций черношапочных гаичек и обнаружили, что те, кто живет в более суровых климатических условиях на Аляске, в Миннесоте и штате Мэн, обладают бОльшим по размеру гиппокампом - участком, играющим особую роль в пространственном обучении и памяти, - с бОльшим количеством нейронов, чем их сородичи из Айовы и Канзаса. Такое же различие было обнаружено у гаичек Гамбела - небольших родственников черношапочных гаичек, населяющих горы на западе США. Гаички, живущие в более холодных и снежных высокогорных районах, превосходят по размеру гиппокампа своих сородичей, живущих у подножия гор. Например, у обитателей высочайших вершин Сьерра-Невады гиппокамп содержит в два раза больше нейронов, чем у тех, кто живет всего на 600 м ниже (и они также демонстрируют лучшие способности в решении различных задач). И это логично. В более суровых условиях птицам необходимо запасать больше корма и запоминать, где они его спрятали. В более мягком климате, где корм доступен круглый год, это умение не столь критично.

Независимо от размера в гиппокампе этих запасливых птиц происходит нечто удивительное: в нем регулярно рождаются новые нейроны, которые добавляются к старым или заменяют их. Причина такого нейрогенеза остается загадкой.

Возможно, это обеспечивает мозг новыми нейронами, когда ему требуется выучить или запомнить что-то новое, или же позволяет новой запоминаемой информации не смешиваться со старой. Как отмечает Правосудов: «Гаички делают новые кладовые, находят старые запасы и перепрятывают их каждый день, особенно зимой, и, чтобы держать в уме всю эту информацию, им нужна прекрасная память». Вторая гипотеза о «предотвращении интерференций» предполагает, что птицам требуется разделять отдельные события, поэтому каждая единица информации хранится в отдельном наборе нейронов. Команда Правосудова установила, что у гаичек из популяций, живущих в более суровых климатических условиях (и потому вынужденных запасать больше еды), более высокие темпы нейрогенеза.

В любом случае, такое обновление нейронов навсегда изменило наши представления о мозге позвоночных, в том числе и нашем собственном. Оказывается, мы не рождаемся с готовым набором мозговых клеток, который не обновляется на протяжении жизни, как некогда считали ученые.

В человеческом гиппокампе также происходит постоянное рождение новых нейронов и отмирание старых. Именно эта способность к обновлению нейронов и связей между ними «дает нашему мозгу возможность меняться и учиться со скоростью от нескольких миллисекунд и минут до нескольких недель», - говорит Правосудов. У прячущих еду птиц, таких как гаички, подобная пластичность позволяет удовлетворять потребности в значительной памяти в пределах относительно ограниченного объема мозга.
--------------------

Старый жесткий диск и гены мамонта: долго ли хранится ДНК и откуда в ней мусор
«Теории и практики»
3 июля 2017

«Теории и практики» запускают спецпроект с премией «Просветитель», которую ежегодно вручают авторам лучшей научно-популярной литературы на русском языке. В длинный список традиционно попадает 25 книг - каждую неделю T&P будут представлять номинантов этого года. В первом выпуске - «Самая главная молекула: От структуры ДНК к биомедицине XXI века» Максима Франк-Каменецкого. Издательство «Альпина нон-фикшн» выпустило новое - уже пятое - издание книги. За 30 лет с момента первой публикации автору приходилось перерабатывать и дополнять ее каждые пять лет, чтобы успевать за научными открытиями. T&P публикуют фрагмент о том, чем геном похож на жесткий диск, откуда появляется «мусорная ДНК» и как наука доказала, что сценарий «Парка юрского периода» в жизни невозможен.

После выхода в 1983 году первого издания этой книги под тем же названием, что и сейчас, «Самая главная молекула», некоторые коллеги журили меня за то, что, выпячивая роль ДНК в названии книги, я принижаю роль других важнейших молекул живой клетки, прежде всего белков и РНК. Думаю, что теперь таких возражений не возникнет. За прошедшие годы мы не только утвердились в понимании главенствующей роли ДНК в феномене жизни - ДНК вторглась и продолжает вторгаться в повседневную жизнь людей. Мы узнали, что ДНК содержит далеко не только инструкцию о строении нашего организма. По последовательности ДНК можно совершенно однозначно идентифицировать того, кому эта ДНК принадлежит, например преступника, оставившего микроскопический кусочек своей кожи на месте преступления. По ДНК можно однозначно установить близкое родство или судить об этническом происхождении группы людей. ДНК современного человека, подобно древним письменам, несет в себе ценнейшие сведения об истории его предков, причем эту историю можно проследить вглубь не только веков, но и тысячелетий, когда никакой письменности еще не существовало.

Дело в том, что в человеческом геноме (т. е. в полном наборе ДНК, содержащемся в каждой клетке организма), который представляет собой текст, содержащий три миллиарда букв (нуклеотидов А, Т, Г и Ц), имеются самые разные области. Одни области содержат инструкцию о строении белков, т. е. собственно гены, которых в геноме человека оказалось не так уж много, всего около 20 тысяч, гораздо меньше, чем ожидалось до того, как первый человеческий геном был расшифрован к 2000 году. Кодирующие белки участки (экзоны) составляют очень маленькую долю всего генома, около 2%. А что же основная часть? Конечно, кроме кодирующих белки областей имеется еще много чего важного, но все же очень существенная часть генома не несет никакой смысловой нагрузки, это просто мусор, накопившийся в ходе эволюции. Ее так и называют: «мусорная ДНК» (Junk DNA). Откуда же в ДНК берется мусор?

Моя любимая метафора, позволяющая понять, как в нашем геноме накопилось столько мусора, состоит в следующем. Каждые несколько лет я меняю компьютер и переношу в новый со старого все свои личные файлы. При этом я не провожу отбраковку файлов, не выбрасываю старые и ненужные: это была бы огромная работа, и нет гарантии, что какой-то документ или старое электронное письмо не окажется вдруг нужным в будущем. Так поступают все, насколько я понимаю. Мы не испытываем никакого давления в том смысле, что объем памяти ограничен и надо освободить место на жестком диске для свежих файлов, если, конечно, мы не загружаем в свой компьютер фильмы с высоким разрешением. В результате за многие годы на моем жестком диске накопилась наряду со многими очень важными, нужными и дорогими мне документами, картинками, видео и т. д. масса мусора, т. е. совершенно устаревших документов, многие из которых я не могу даже открыть, так как они были записаны с помощью устаревших программ, которых уже нет в моем новом компьютере. Вот наш геном и представляется мне таким жестким диском. В случае высших организмов естественный отбор не оказывает давления, с тем чтобы геном очищался от мусора. Гены передаются от родителей следующему поколению вместе со всем накопившимся мусором, потому что проверено, что этот мусор по крайней мере безвреден, так как родители дожили с ним до репродуктивного возраста. А если начать чистить геном, т. е. вырезать из ДНК какие-то куски, то уж точно жди беды.

Другое дело прокариоты. Они находятся под давлением отбора, препятствующего разрастанию генома, так как репликация замусоренного генома требует дополнительного времени и дополнительных ресурсов. А скорость размножения и умение выживать при дефиците ресурсов - это важнейшие факторы в жесточайшей конкурентной борьбе, которую ведет каждый бактериальный штамм за выживание. Поэтому у бактерий геномы гораздо более экономные, в них практически нет мусора.

(Генетическая дактилоскопия © Gio_tto/iStock
* Метод полимеразной цепной реакции. Изобретение метода ПЦР в середине 1980-х годов позволило получать неограниченное количество копий выбранного исследователем участка ДНК)

В отношении мусорной ДНК, очевидно, не существует никакого давления отбора, которое бы препятствовало быстрому накоплению мутаций. Поэтому некоторые участки мусорной ДНК являются гипервариабельными: они меняются из поколения в поколение. Вот они-то и используются в криминалистике. Когда Алек Джеффрис (университет Лестера, Англия) впервые предложил метод идентификации личности по ДНК (известный также как ДНК-дактилоскопия) в середине 1980-х годов, сразу же после изобретения метода ПЦР*, гипервариабельный участок генома подвергался действию рестриктаз, и полученные фрагменты разделялись в гель-электрофорезе. Получалась система полосок, которая была разной для разных людей. Если положение полосок ДНК подозреваемого и образца ДНК, взятого на месте преступления, совпадало, то подозреваемый переходил в категорию преступника и шел в тюрьму или даже получал смертный приговор, если дело происходило в стране или штате, где есть такое наказание.

В наше время сторона обвинения может представить в суде полную последовательность гипервариабельного участка ДНК подозреваемого и ДНК с места преступления и продемонстрировать их полное совпадение. При таком способе доказательства единственным аргументом защиты остается утверждение, что полицейские нарочно подмешали ДНК подозреваемого к ДНК, взятой с места преступления. Иначе говоря, преступником является не подозреваемый, а полицейские. В таком случае, конечно, любая наука бессильна, даже наука о ДНК.

Подобным образом, изучая вариабельные участки мусорной ДНК, устанавливают близкое родство. А можно ли по ДНК установить, наоборот, очень дальнее родство, принадлежность двух организмов к одному и тому же виду? Такая технология тоже была разработана. Тут мусорная ДНК только мешает, даже кодирующие белки области эволюционируют слишком быстро в этом масштабе времени, чтобы их можно было использовать. Вообще, геномная ДНК оказалась бесполезной для этой цели. Как же быть? На помощь пришла совершенно особая ДНК, которая находится не в ядре, а в цитоплазме клетки, - митохондриальная ДНК (мтДНК). Она очень короткая, содержит всего 15 тысяч пар оснований. Конечно, в такой короткой ДНК вообще нет мусора, и она очень медленно меняется в ходе эволюции. После упорных поисков исследователи остановились на определенном участке из 600 нуклеотидов мтДНК в составе гена, кодирующего оксидазу цитохрома Ц. Они определили последовательности этого участка у множества самых разных животных. Им удалось показать, что последовательность нуклеотидов в этом участке одинакова внутри вида, но отличается для представителей разных видов. Ученые составили базу данных, в которой практически каждому виду животных сопоставлена последовательность этого участка. В результате они основали в Канаде компанию, которая по заказу определяет вид животного. Метод получил название «ДНК-штрихкодирование».

Вскоре после создания компании произошла забавная история. Две школьницы в Нью-Йорке посетили несколько суши-баров и рыбных магазинов и собрали образцы сырой рыбы с указанием того, за какой сорт рыбы эти образцы выдавались. Они отослали все образцы в канадскую компанию и сравнили результат ДНК-штрихкодирования с тем, за что платили деньги. Результат оказался шокирующим: только в двух из четырех суши-баров и в четырех из десяти магазинов с ними поступили честно. Все остальные бары и магазины жулили, подменяя более дорогую рыбу более дешевой, но похожей по виду рыбьего мяса. Разразился скандал, получивший название «Сушигейт». Вскоре аналогичная история случилась в Бостоне, где сходное расследование провела местная газета. Эти события произошли в 2008 году. С тех пор суши-бары и рыбные магазины, по крайней мере в Нью-Йорке и Бостоне, регулярно инспектируются на предмет тестирования ДНК подаваемой там сырой рыбы.

После того, как уже совсем недавно был разработан метод ДНК-штрихкодирования растений, подобный скандал разразился с пищевыми добавками. Оказалось, что состав практически всех продаваемых в США добавок не имеет ничего общего с указанным на этикетке. Вместо экзотических трав из Тибета или откуда-то еще они содержат примерно одни и те же тривиальные пищевые компоненты.

Конечно, было бы здорово, если бы все мы могли проводить подобное тестирование, посетив любой ресторан, и не только японский. Всегда ли мы уверены, что едим жаркое из баранины, а не из собаки или кошки? К сожалению, проверить это невозможно, по крайней мере с использованием ДНК. При тепловой обработке ДНК очень быстро деградирует: ее цепи рвутся, и определение последовательности становится невозможным. Так что в отношении приготовленной пищи нам и дальше придется мириться с проклятой неизвестностью. Я, по крайней мере после «Сушигейта», никогда не уверен, что ем в ресторане, особенно в отношении приготовленной рыбы.

Деградация ДНК - очень существенное препятствие на пути осуществления всяческих проектов по воссозданию исчезнувших видов. Все смотрели знаменитый фильм Стивена Спилберга «Парк Юрского периода». Интересно, что изначально он создавался вроде бы на вполне научной основе. Это была сенсация. В начале 1990-х годов, вскоре после изобретения метода ПЦР, в самом престижном научном журнале Nature появились сообщения об определении последовательности ДНК из комаров, сохранившихся со времен Юрского периода (который был 200 миллионов лет назад) в янтаре! Дальше идея состояла в том, что такой комар мог напиться крови своего современника-динозавра и тем самым ДНК динозавра могла сохраниться до наших дней. Действительно, исследователи утверждали, что они нашли последовательности ДНК, принадлежавшие динозавру. Таким образом можно было бы восстановить геном динозавра, синтезировать его ДНК, ввести ее в оплодотворенную яйцеклетку какой-нибудь рептилии, из которой бы вырос настоящий динозавр. Как-то так, вкратце.

Загвоздка только в том, что очень скоро выяснилось, что опубликованные в Nature статьи были ошибочными. Никакая это была не ДНК динозавра. То, что они секвенировали, оказалось собственной ДНК исследователей, которая попала в качестве загрязнения в образцы из янтаря. Постепенно стало ясно, что никакой ДНК из древнего янтаря вообще извлечь невозможно: за такое время, да при таких температурах ДНК полностью деградирует, без остатка. Теперь считается, что в тепле ДНК вообще не может сохраняться в течение миллионов лет. Во льду ДНК может сохраняться очень долго, может быть, и миллионы лет. В отношении динозавров беда состоит в том, что со времени их исчезновения Земля прошла периоды очень сильного потепления наряду с периодами оледенения. Не представляется разумным считать, что где-то остались образцы ДНК динозавров, которые все эти сотни миллионов лет непрерывно находились во льду.

Так что сценарий «Парка Юрского периода» из более или менее научной фантастики быстро перешел в разряд фантастики ненаучной. Впрочем, есть проект, куда менее амбициозный, но зато не совсем нереальный. Речь идет о воссоздании мамонта. В нашем распоряжении имеются туши мамонтов, сохранившиеся в вечной мерзлоте со времен последнего ледникового периода, и это позволило секвенировать геномы нескольких мамонтов. Дальнейшая перспектива введения этой ДНК в оплодотворенную яйцеклетку слонихи представляется значительно более туманной, хотя отдельные гены мамонта уже удалось вставить в геном слонихи. Наверное, в конечном счете задачу воссоздания мамонта можно решить, но это потребует такой уймы денег и таких многолетних усилий, что конечный результат - появление живого мамонта - вряд ли того стоит.
---------------------

Как редактирование генома (в теории) позволит вырастить супердетей. Фрагмент книги научного журналиста Карла Циммера «Она смеется, как мать: могущество и причуды наследственности»
«Медуза» - Meduza
24 ноября 2019

В издательстве «Альпина Нон-фикшн» выходит книга известного научного журналиста, писателя и блогера Карла Циммера «Она смеется, как мать: могущество и причуды наследственности». Циммер рассказывает, какие именно факторы влияют на то, что родители передают своим детям, - это не только митохондриальная ДНК и изменяющие активность генов эпигенетические метки, но и культура, география, экономика. С разрешения издательства «Медуза» публикует главу о редактировании генома и его возможном влиянии на будущие поколения людей.

Генетическая наследственность имеет большое значение, и мы на удивление плохо понимаем, почему это так важно и как наши действия могут на нее повлиять.

Одним из тех немногих, кто размышлял об этике изменения наследственности, был теолог Эммануэль Агиус. Еще в 1990 году, за несколько лет до того как система CRISPR получила свое название, Агиус утверждал, что модификация зародышевой линии клеток лишит будущие поколения части их наследия.

«Общий генофонд человечества не знает национальных или временных границ, это биологическое достояние всего нашего вида, - писал Агиус. - Поэтому ни одно поколение не имеет права менять генетический состав человечества».

Но что это на самом деле значит - изменить генофонд вида? Рисуются разные варианты развития: утопия без заболеваний или антиутопия, где богачи с удовольствием пользуются генетически улучшенным здоровьем и интеллектом, а бедняки страдают от природных бедствий. Некоторые даже заявляют, что таким образом мы превратим Homo sapiens в полностью новый вид.

Все это фантазии. Но иногда фантазии оказываются пророческими. А иногда фантазии так и остаются вымыслом. Мечты Германа Меллера о выборе зародышевых клеток отчасти сбылись, отчасти же оказались воздушными замками. Он предполагал, что социалистическое правительство защитит будущее человеческого генофонда. Доживи ученый до наших дней, он, возможно, был бы поражен, увидев, что банки спермы, экстракорпоральное оплодотворение и преимплантационную генетическую диагностику породил капитализм. Родители не вызывались добровольцами во исполнение морального долга. Они стали потребителями.

В какое бы будущее мы ни пришли, путь начинается от сегодняшнего дня. Преимплантационная генетическая диагностика может заметно изменить процесс рождения детей. В 2014 году - через 36 лет после рождения первого ребенка из пробирки - в США в результате ЭКО на свет появилось 65 175 младенцев. Это примерно 1,6% от всех родившихся в тот год американцев. Конечно, преимплантационную диагностику из них прошли лишь немногие (точное число их узнать нелегко). Во всем мире ее проходят десятки тысяч детей. Все вместе это - лишь небольшая доля от 130 миллионов новорожденных, появляющихся в мире ежегодно. Но каждый год все больше родителей прибегают к этим процедурам, и иногда это поощряется правительством. В 2010 году исследователи оценили, какое количество средств сможет сэкономить пара, которая использует преимплантационную диагностику, чтобы избежать муковисцидоза у ребенка. Процедура стоимостью 57 500 долларов позволит избежать пожизненного лечения стоимостью 2,3 миллиона долларов.

Ныне родители используют преимплантационную диагностику, когда уже знают, что существует риск развития у ребенка определенных заболеваний. По мере совершенствования технологии секвенирования ДНК врачи смогут проверить каждый ген у эмбриона и выявить те наследственные заболевания, о носительстве которых родители и не подозревают. Это звучит соблазнительно! Я могу себе представить, как это будет работать, посмотрев на свой собственный геном.

Например, оказалось, что в одной из копий моего гена pigu есть мутация, которая увеличивает риск развития рака кожи. Если бы я мог выбирать, то предпочел бы, чтобы мои дети унаследовали хороший вариант гена, а не плохой. Все равно это была бы моя ДНК.

Но одним-единственным исправлением было бы сложно ограничиться. Я же знаю, что у меня есть аллель гена il23r, который заметно снижает риск развития у меня определенных заболеваний. Среди них болезнь Крона, хроническое воспаление кишечника и анкилозирующий спондилоартрит, который деформирует позвонки, вызывая постоянную боль и заставляя страдальца хронически сутулиться. Эти заболевания объединяет то, что обезумевшая иммунная система начинает атаковать ткани собственного тела. Никто точно не знает, чем запускается это нападение, но мой вариант il23r, встречающийся только у 8% европейцев, снижает активность сети передачи сигналов в иммунной системе. Этот вариант гена оказался настолько эффективным, что фармакологи использовали механизм его действия в качестве основы для разработки лекарств против аутоиммунных заболеваний. Как родитель я бы сделал все возможное, чтобы снизить риск получения моими детьми болезней, от которых их спины будут ужасно болеть, а кишечник - хронически расстраиваться. Самое меньшее, что я мог бы сделать, - это дать им свой защищающий аллель гена il23r, а не обычный.

Если законодательно будет разрешено, то некоторые родители, возможно, спросят, а не могут ли они сами выбирать аллели, которые влияют и на другие характеристики их детей. За счет одной только преимплантационной генетической диагностики обычно сложно добиться сильных изменений. Но могут быть и исключения. Ученые обнаружили мутацию в гене stc2, которая изменяет гормон станниокальцин, вырабатываемый нашим организмом. Одна копия мутантной версии может увеличить рост на 2 см. Но она встречается только у одного человека из тысячи.

Сложно предсказать, насколько далеко зайдут папа с мамой в выборе аллелей. Физик Стивен Хсу из Университета штата Мичиган заявил, что, выбирая нужные эмбрионы, родители могли бы повысить интеллект своих детей. Их доктора проверили бы каждый вариант из сотен генов эмбриона, влияющих на интеллект, а затем имплантировали бы тот эмбрион, у которого собралась лучшая комбинация. Хсу подсчитал, что таким образом можно будет повысить значение IQ на 5-10 баллов.

Генетики с усмешкой восприняли заявления Хсу. Мы все еще очень мало знаем о генах, которые влияют на интеллект. И хотя ученые сфокусировали свое внимание на исследовании тех нескольких, которые могут играть в этом роль, вполне возможно, что настоящее влияние оказывают соседние гены или генные регуляторы. Поскольку мы к тому же плохо представляем, как эти «гены интеллекта» взаимодействуют со средой, выбор каких-то определенных аллелей для эмбриона может не дать никакого эффекта.

Этот скептицизм не остановил Хсу. В 2011 году он присоединился к Пекинскому институту геномики, где основал лабораторию когнитивной геномики. Исследователи планировали собрать ДНК от 2000 самых умных людей в мире и найти общие генетические варианты. В 2013 году о проекте пронюхали журналисты и описали его в захватывающих дух выражениях. «Почему некоторые люди такие умные? Зная ответ, можно будет создать поколение супердетей», - гласил заголовок статьи в Wired. Журнал Vice объявил: «Китай проектирует гениальных младенцев».

Согласно Vice, команда института геномики подошла вплотную к открытию аллелей интеллекта, а Китай «разработал генно-инженерный проект, получивший одобрение государства». Джон Боханнон из Wired предположил, что поколение супердетей появится, если, как это делается в Сингапуре, государство будет поощрять родителей использовать преимплантационную диагностику для выбора эмбрионов с генетическими предпосылками высокого интеллекта. Сам Хсу счел такие репортажи возмутительными. В своем интервью журналисту Эду Йонгу он сказал без обиняков: «Это чушь».

Однако собственные мечты Хсу достигали меллеровских масштабов. Представьте себе, что преимплантационная генетическая диагностика отвечающих за интеллект генов получила широкое распространение в стране. Теперь представьте, что дети, получившиеся после такой процедуры, повторили ее на своих собственных детях. В 2014 году в эссе для журнала Nautilus Хсу заявил, что все это не будет отличаться от действий скотоводов, выбирающих животных по размеру тела или объему производимого молока. С таким количеством влияющих на интеллект генов можно было бы улучшать результаты тестов в целом ряду поколений, пока значения не достигнут уровня, выходящего за пределы измерительных возможностей современных опросников. «Способности такого рода намного превысят те максимальные способности, которые были у примерно 100 миллиардов человек, живших ранее», - пообещал Хсу.

В 2017 году я написал исследователю по электронной почте, чтобы спросить, как продвигается осуществление его мечты. Прошло ведь уже шесть лет с начала китайского интеллектуального проекта. И за все это время я не слышал ни об одном конкретном результате. Хсу ответил мне, что институт секвенировал ДНК примерно у половины из планируемых 2000 человек. Но затем у института возникли коммерческие разногласия с компанией, которая обеспечивала ему оборудование для секвенирования.

«И как следствие, - объяснил Хсу, - институт закрыл наш проект. Так что на сегодняшний день мы даже не отсеквенировали все образцы ДНК». Первому поколению супердетей придется подождать.
---------------------

Смерть с небес: как черная дыра уничтожит Землю
Журнал «Нож»
Елена Серафимович
13 января 2020 / Популярное

Человечество могут стереть с лица планеты подуставшее Солнце, пришельцы, звезды и многие другие сюрпризы, которые для нас приготовил космос. Если климатические пророчества Греты Тунберг уже утратили для вас остроту, пощекочите нервы прогнозами Фила Плейта - американского астронома, чья книга «Смерть с небес. Наука о конце света» выходит в январе в издательстве «Альпина нон-фикшн». Публикуем фрагмент о красочном апокалипсисе, который может случиться, если по соседству с Землей появится черная дыра.

Именно астроном-любитель, который всегда начеку, чует первые признаки беды. Он надеялся сделать несколько снимков Урана через свой автоматизированный телескоп, но компьютер упорно разворачивал его в другом направлении. Перейдя в ручной режим, астроном в конце концов находит планету в нескольких угловых минутах от расчетного положения. Озадаченный, он звонит другу, и быстро выясняется, что у того такая же проблема. Поиск по нескольким форумам в интернете свидетельствует о том, что многие астрономы во всем мире сталкиваются с тем же самым.

День за днем ситуация только ухудшается. Теперь уже, похоже, и с Юпитером происходит что-то странное. Однако Сатурн, который сейчас находится с другой стороны от Солнца, вроде бы в порядке. Ползут слухи.

Затем ситуация становится очень странной. Обсерватория для наблюдения за Солнцем и проведения гелиосферических исследований, находящаяся на орбите, где силы тяготения Земли и Солнца равны, начинает смещаться. Инженеры озадачены, но вскоре им приходится решать другие проблемы. Теперь Марс не на месте.

На Красную планету летит зонд NASA: попадет ли он на нее? Но вскоре это уже под вопросом, так как космический аппарат также смещается. Через несколько дней становится ясно, что зонд потерян… и что зонд - это наименьшая из наших проблем.

Астрономы, наблюдающие за Солнцем, обнаруживают, что его положение также сместилось. Этого не может быть! Что может сдвинуть целую звезду?.. Но очень быстро они понимают, что проблема не с Солнцем, а с Землей. Как и другие планеты, Земля уже не вращается вокруг Солнца как обычно, а сходит со своей предначертанной орбиты.

Распространяется паника. Ученые приходят к очевидному выводу: к Земле приближается некий массивный объект, и его притяжение смещает нас с курса.

По данным о движении других планет они определяют положение этого объекта, но на том участке неба ничего нет.

Как ни странно, именно тот факт, что они ничего не видят, подтверждает их самые мрачные прогнозы: это черная дыра. После анализа ее траектории становится ясно, что она движется практически прямо на нас с невероятной скоростью. По расчетам астрономов, ее чудовищная масса в десять раз больше массы Солнца - такой легко накликать конец света для нас на Земле. Сначала ее гравитационное воздействие еле ощущается, но быстро нарастает.

Всего через несколько недель после обнаружения первых признаков проблемы, когда черная дыра все еще находится в 480 млн км от нас, ее гравитационное воздействие на Землю сравнивается с гравитационным воздействием Солнца. Земля уже обращается не вокруг одной звезды: она захвачена двумя - одной живой, другой мертвой. Еще через несколько дней влияние черной дыры перевешивает влияние Солнца. Схватив Землю невидимыми пальцами, сколлапсировавшая звезда отрывает нас от Солнца и притягивает к себе.

По мере приближения гравитационные приливные силы черной дыры начинают растягивать Землю. Приливные силы от Луны вызывают приливы и отливы в океанах, но масса черной дыры в 200 млн раз превышает массу Луны.

Даже с расстояния в миллионы километров приливная сила черной дыры вызывает обширные наводнения, мощные землетрясения, гигантские цунами.

Вскоре нанесен решающий удар. Когда черная дыра подходит на расстояние всего 11 млн км, ее силы тяготения, ощущаемые объектами на поверхности Земли, сравниваются с силами тяготения самой Земли. Горстка выживших людей после событий последних дней внезапно начинают чувствовать невесомость, так как их тянет вверх и вниз с одинаковой силой.

Через несколько минут, когда черная дыра подходит еще ближе, сила, направленная кверху, начинает преобладать. Вздымающийся ураганный поток воздуха уносит невесомых людей вместе с камнями, автомобилями, океанами…

Через час все кончено. Колоссальные силы тяготения мертвой звезды разрывают Землю в клочки, превращая ее в пар.

Вещество, когда-то бывшее нашим родным миром, падает в ненасытную утробу дыры, все быстрее кружась вокруг нее, образуя диск из разогретой до миллиона градусов плазмы, прежде чем нырнуть с концами.

Все так же плавно и спокойно черная дыра продолжает свой путь, прочь из Солнечной системы, оставляя за собой хаос, разбросанные планеты и смерть.

---Черная правда

Что такое эти черные дыры? Не укладывающаяся в голове физика, абсолютная разрушительная мощь, каким сверхъестественным образом они искажают наши представления о реальности, пространстве и времени?

Может быть, они очаровывают нас просто потому, что они такие крутые.

Рождающиеся в адском сердце сверхновой, возвещающие о своем появлении двойными пучками ярости, не знающими преград, и поглощающие (почти) все, что попадается им на пути, черные дыры прочно сидят в общественном сознании. Им посвящают фильмы, телевизионные передачи, книги, бессчетные статьи и бесконечные дискуссии. И при всем этом восхищении и интересе большинство людей имеют лишь смутное представление о том, что такое черные дыры и какими они обладают способностями.

Но никогда не забывайте - они опасны.

Черная дыра может убить вас разными способами. Некоторые из них простые, а некоторые очень замысловатые.

Если вы не напрашиваетесь на неприятности, все эти способы крайне маловероятны, но если вам нужны массовые разрушения в крупных масштабах, тогда черная дыра - это подходящая идея.

---Я упал и не могу подняться

Черная дыра - это объект, скорость убегания (вторая космическая скорость) для которого равна скорости света или превышает ее. Это означает, что все, что попадает в дыру, выбраться из нее не может, потому что, насколько нам известно, ничто не может двигаться со скоростью больше скорости света.

Следовательно, первая и самая очевидная опасность от черной дыры - это буквально падение в нее. Если такое происходит, ну что ж, ничего не поделаешь. Это поездка в один конец. С вами покончено. Больше не о чем говорить.

Это не очень-то впечатляющий способ, которым черная дыра может расправиться с вами - никаких лучей смерти, никаких массовых и ужасных разрушений. Просто плюх! И вас уже нет.

Такое отсутствие драматизма как-то скучновато для рассказа. Но это также противоречит здравому смыслу. Если вы находитесь на ракете, погружающейся в черную дыру, разве нельзя просто развернуть ракету, включить двигатели на самую полную мощность и улететь?

Нет, нельзя. Исключительно мощные силы тяготения вблизи черной дыры заставляют нас изменить свой взгляд на пространство, время и движение. <…> Если бы черные дыры были лишь еще одним массивным объектом, с вами все было бы в порядке. Но черные дыры не просто какой-то привычный объект!

Одним из больших достижений Альберта Эйнштейна в науке была идея, что пространство - это объект. Оно не пустое; оно подобно ткани, в которой находятся массивные объекты.

Объект, обладающий массой, обладает силами тяготения, и эти силы тяготения изгибают пространство (примером в прошлой главе был шар для боулинга, лежащий на матрасе и прогибающий его). Траектория любого объекта, проходящего мимо более массивного, будет искривлена таким прогибом пространства за счет силы тяготения.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Когда кто-то объясняет идею черных дыр, искривляющих пространство, он неизбежно использует сравнение с плоской поверхностью, изгибаемой тяжелым объектом, как матрас под шаром для боулинга. К сожалению, это ведет к ошибочному представлению, что черные дыры - это круги в искривленном в виде воронки пространстве. Но это не так: реальность трехмерна, а в этой аналогии используются только два измерения (поверхность матраса можно считать двухмерной, но шар для боулинга прогибает ее, придавая ей третье измерение). Черные дыры - сферические, а изогнутое пространство не похоже на воронку. На самом деле форму изогнутого пространства невероятно сложно описать, потому что мы живем в этих измерениях, и описывать их - это все равно что пытаться описать красный цвет тому, кто слеп от рождения. Мы можем описывать искривление математическими формулами, делать прогнозы о нем и, вероятно, даже использовать его для понимания других явлений физики, но мысленно представить его если не совершенно, то практически невозможно.

Так что все следующие описания водопадов, утесов и всего такого - это сравнения, двухмерные представления искривленной трехмерной реальности. Вам от этого, вероятно, легче не станет, но Вселенная умеет причинять нам неудобства. Если бы это было не так, в этой книге было бы не о чем писать.

А сейчас вернемся к регулярным плановым смертям и разрушениям от черных дыр.
 
Но черная дыра не просто создает прогиб пространства; она вырезает бездонную яму, бесконечно глубокую дыру с вертикальными стенками. Как только вы в нее попали, выбраться оттуда вы не сможете ни на какой скорости.

Вы проваливаетесь в нее, и ничто вас не может удержать. Скорость убегания на поверхности черной дыры - называемой горизонтом событий - это скорость света.

Более точным было бы рассуждать об этом, пользуясь математическими формулами Эйнштейна и физическими принципами относительности. Эндрю Гамильтон, астрофизик с кафедры астрофизики и планетологии Университета штата Колорадо в Боулдере, довольно долго изучал черные дыры и у него есть интересное сравнение:

Понять, что происходит, будет легче, если представить, что черная дыра подобна водопаду. Только в черную дыру падает не вода, а само пространство. Снаружи горизонта событий скорость падения пространства меньше, чем скорость света. На горизонте пространство падает со скоростью света. А внутри горизонта пространство падает быстрее, чем свет, унося с собой все, даже свет. Такое представление черной дыры как области пространства-времени, где пространство падает быстрее света, это не просто хорошая концептуальная картинка… у нее есть прочное математическое обоснование [подчеркиваю].

Может показаться, что это нарушает еще один закон Эйнштейна - ничего не может двигаться быстрее, чем свет, - но это применимо только к физическим объектам, обладающим массой(и к самому свету). Пространство же отличается от материи и света (еще одна из великих идей Эйнштейна), поэтому оно может вести себя как захочет, в частности двигаться быстрее света.

Если вы находитесь внутри горизонта событий, пространство стекает в черную дыру быстрее скорости света… и, если вы проваливаетесь, оно уносит вас с собой.

Если вы попытаетесь выгрести против водопада, у вас ничего не получится, потому что вы никогда не сможете заставить свою лодку двигаться вверх быстрее, чем текущая вниз вода. Так и внутри черной дыры: в пространстве, текущем с транссветовой скоростью к ее центру, вы не сможете выгребать в своей ракете достаточно быстро.

Вы обречены.

Можно представить это и по-другому, но такое сравнение будет еще более фантастическим (если такое вообще возможно). Если вы взглянете на (чертовски сложные) уравнения, описывающие поведение пространства и времени вблизи черной дыры, вы обнаружите, что внутри горизонта событий переменные, представляющие пространство, ограничены. Вне черной дыры - например, там, где вы находитесь сейчас, - вы можете свободно двигаться в пространстве: вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо. Однако внутри черной дыры эта свобода исчезает. Движение возможно лишь в одном направлении - вниз.

Черные дыры забавны: даже такое элементарное действие, как движение, оказывается сложным. Но основной вывод таков: если вы проваливаетесь, что бы там ни было, вам конец.
--------------------

«Смерть с небес. Наука о конце света»
«N + 1» - nplus1.ru
6 марта 2020 / Книжная полка

Вселенная пытается нас убить, и это нормально - такова ее природа. Космос заготовил для человечества множество увлекательных и зрелищных вариантов апокалипсиса. Сценарии конца света, изложенные астрофизиком Филипом Плейтом в книге «Смерть с небес. Наука о конце света»(издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Ольгой Лосон, могут напомнить сюжеты научно-фантастических фильмов, но не являются выдумкой. Хорошая новость также заключается в том, что некоторые из них человеку вполне по силам предотвратить. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным тому, как жизнь на Земле может исчезнуть из-за поплавковых колебаний Солнца.

Филип Плейт «Смерть с небес. Наука о конце света»

---Полет на плоскости

Как уже упоминалось, звезды в диске Млечного Пути обращаются вокруг центра точно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Однако есть несколько важных отличий. В масштабах Солнечной системы (с диаметром в миллиарды километров) Солнце - маленькое (меньше 1,6 млн км диаметром). Для планет вся гравитация в Солнечной системе сконцентрирована в одной точке*.

(*То есть более или менее. Сами планеты также обладают гравитацией и воздействуют друг на друга, но очень незначительно и только на очень больших временных отрезках. Через минутку мы вернемся к этой теме.)

Так как источник сил тяготения находится в центре, орбита планеты может иметь лишь определенную форму, которая называется коническим сечением. Сюда входят круги, эллипсы, параболы и гиперболы. Все это плоские фигуры. Если сильно ударить по планете, ее орбита изменит форму или наклон, но все равно останется коническим сечением и по-прежнему будет плоской.

Но звезды, обращающиеся вокруг центра галактики Млечный Путь, находятся в другой ситуации, потому что масса размазана, распределена по всему диску. Звезда, движущаяся в нем по орбите, ощущает притяжение от окружающих ее масс, а не только из одной точки в центре Галактики. Следовательно, орбиты звезд могут иметь самые разные причудливые формы. Скажем, у вас есть звезда с идеально круглой орбитой точно в средней плоскости диска галактики. Если бы вы придали звезде немного вертикальной скорости - перпендикулярно диску, - звезда начала бы подниматься и опускаться относительно диска, как пробка на воде (продолжая по-прежнему обращаться вокруг центра).

Это немного похоже на то, что происходит, когда вы подбрасываете камень: силы тяготения замедляют его полет, и он падает на землю. Благодаря вертикальной скорости звезда поднимается над плоскостью, но силы тяготения диска тянут ее назад. Однако диск не однородный, он состоит из звезд, разделенных большими расстояниями. Остановить нашу звезду нечему, поэтому она проходит прямиком сквозь плоскость и погружается под нее. И снова силы тяготения замедляют ее до полной остановки, и звезда поворачивает обратно. При подходящих обстоятельствах этот цикл будет повторяться бесконечно. В комбинации с круглой орбитой звезды получаем форму, похожую на синусоиду, бегущую по кругу.

Существует масса причин, по которым звезда может начать колебаться таким образом. Она может пройти мимо другой звезды, и гравитационное взаимодействие может подтолкнуть ее кверху или книзу - но, как мы обсуждали раньше, звездные встречи крайне редки, поэтому это маловероятно. В свою очередь, звезды образуют скопления (см. ниже), где они гораздо ближе друг к другу, и гравитационные взаимодействия более распространены. Массивная звезда в скоплении, проходя рядом с менее массивной, может легко подбросить звезду меньших размеров так, что она совсем вылетит из скопления, или может заставить ее двигаться как поплавок.

Еще одна причина - звезда может пройти мимо гигантского газопылевого облака. Ранее мы видели, что прямое столкновение с туманностью имеет ряд отрицательных последствий, но еще одно заключается в том, что из-за притяжения массы этого облака звезда может приобрести вертикальную составляющую скорости, и ее орбита деформируется так, что она начнет совершать колебательные движения.

Оказывается, что очень близкая и дорогая нам звезда демонстрирует именно такое движение: Солнце! Тщательные измерения скорости Солнца относительно окружающих его звезд показывают, что оно на самом деле поднимается над плоскостью Галактики и опускается под нее. Это смещение не очень большое: может быть, максимум 200 световых лет или около того, по сравнению с диаметром диска, который составляет 100 000 световых лет. Кроме того, толщина диска примерно 1000 световых лет, поэтому Солнце также не выходит за пределы вещества диска.

Период колебания орбиты Солнца - от максимальной высоты над диском до максимальной глубины под плоскостью, а затем снова до максимальной высоты - составляет примерно 64 млн лет.

Ну что ж, кажется, все круто: за несколько миллионов лет нас бесплатно довезут туда, где у нас будет (немного) лучший вид на Галактику, и ничего страшного, так?

Так?

Может быть, и не так. Но чтобы понять почему, вместо того чтобы смотреть вверх, нам придется посмотреть вниз, в слои отложений на Земле.

В течение многих лет существует предположение, что палеонтологическая летопись жизни на Земле свидетельствует о периодических эпизодах массового вымирания, как если бы жизнь на Земле следовала какому-то графику повальных вымираний, после которых разнообразие видов снова восстанавливалось. Не все такие события попадают в этот график, и для многих из них был найден настоящий виновник; самое известное - это исчезновение динозавров, и у нас есть вполне надежное доказательство того, что оно было вызвано столкновением с астероидом. Но причины других (за исключением, возможно, ордовикского массового вымирания, см. главу 4) не так ясны.

Периодичность массовых вымираний, конечно, подразумевает некую циклическую причину. Несмотря на то что такие события, как эпизодические извержения вулканов или какие-либо иные внутренние причины, исключить невозможно, цикличность в очень продолжительных временных масштабах подразумевает действие внеземных сил.

До недавнего времени у нас были лишь подозрения по поводу такой циклической смертельной жатвы, поскольку ископаемые свидетельства были не очень внятные. Но новые исследования существенно укрепили догадку. Математически анализируя ископаемые свидетельства, исследователи обнаружили четко выраженную периодичность в истории массовых вымираний. Они изучили разнообразие видов - буквально сколько разных видов находится в разных геологических слоях, соответствующих разным моментам времени, - и обнаружили, что количество видов, похоже, увеличивается и уменьшается с четко просматриваемым периодом.

Продолжительность этого периода, по их оценкам, составляет около 62 млн лет.

Ой-ой.

Такое тесное соответствие между циклами вымираний и периодом колебаний Солнца в диске Млечного Пути - всего лишь совпадение? Есть способы проверить, статистические методы, которые можно применить, чтобы попробовать сопоставить два разных цикла и посмотреть, есть ли между ними связь. Еще одна группа исследователей, Михаил Медведев и Адриан Мелотт из Канзасского университета, тщательно провели такой анализ, и их ответ - «возможно».

Ну, это не очень-то успокаивает. Однако перед нами новая область исследований, и мы лишь начинаем заниматься ею. Данных не так много, а результаты так новы, что сложно сказать, насколько прочные основания у сделанных выводов.

Но они определенно провокационные*.

(*Провокационные также в буквальном смысле, так как эти результаты спровоцировали поток исследований как поддерживающих, так и критикующих выводы ученых. Я еще раз хочу подчеркнуть, что такая периодичность массовых вымираний не была подтверждена, и на деле ее, возможно, не существует. Со временем, когда будет проведено больше исследований, мы все узнаем.)

В этом случае виновником может быть наш старый знакомый - космическое излучение. Насколько вы помните по предыдущим главам, это маленькие субатомные частицы, разогнавшиеся до невероятных скоростей в космическом пространстве. Когда они врываются в атмосферу Земли, это приводит к ряду последствий. Прежде всего, когда космические лучи ударяют по молекуле в воздухе на скорости, близкой к скорости света, молекула разбивается на множество субатомных частиц меньших размеров, называемых мюонами. Они обрушиваются дождем с неба и, если попадают по молекуле ДНК в клетке, могут изменить или разрушить ее. На самом деле такое происходит постоянно, но в целом ткани организма способны устранять или отторгать повреждения. Но если с неба проливается достаточное количество мюонов, последствия для жизни могут быть не мгновенными, но отдаленными - например, массовое вымирание. Как уже отмечалось ранее, мюоны могут проникать в воду на глубину почти 2 км и до 800 м в скальные породы! Поэтому пострадала бы практически вся жизнь на Земле.

У космического излучения есть и другие последствия. Оно может разрушать молекулы озонового слоя в верхних слоях атмосферы, подвергая жизнь на поверхности опасным уровням УФ-излучения от Солнца. Кроме того, оно может приводить к образованию двуокиси азота в воздухе, которая затем прольется кислотным дождем. С годами такое может разрушить растительную жизнь, и этот эффект распространится по всей пищевой цепочке.

И последнее - возможно, менее четко установленный фактор: частицы, из которых состоит космическое излучение, могут становиться зародышевыми центрами конденсации при образовании облаков, поэтому рост интенсивности космического излучения может привести к увеличению облачности на Земле, отчего изменится климат, так как больше солнечного света будет отражаться в космос. Хотя это может и не повлечь за собой полномасштабный ледниковый период, но падение температуры даже на несколько градусов может быть разрушительно для биосферы.

Но откуда к нам приходят все эти космические лучи? И как это связано с поплавковым движением Солнца на орбите в Галактике? Если такая связь на самом деле существует, Медведев и Мелотт, возможно, обнаружили ее. Источник большинства космических лучей - взрывы сверхновых или ветер от пульсаров. Вещество, испускаемое этими источниками, может врезаться в медленнее движущееся вещество и генерировать массивные ударные волны, разгоняющие субатомные частицы, такие как протоны и электроны, практически до скорости света. Так как источником этих космических лучей являются события, происходящие внутри Млечного Пути, такие лучи называются галактическими космическими лучами.

Но есть и космические лучи, которые приходят извне Галактики. Млечный Путь входит в небольшое скопление галактик, называющееся Местная группа, включающее нашу Галактику, галактику Андромеды (массивная спираль, схожая с нашей по размерам) и горстку меньших галактик.

Местная группа находится на окраинах гораздо более крупного и массивного скопления Девы, состоящего из тысяч галактик, - мы как будто пригород крупной метрополии. С притяжением скопления Девы не забалуешься: оно крепко держит нас (и другие галактики Местной группы) в кулаке и притягивает с умопомрачительной скоростью 257 км/с.

А ведь мы движемся не в вакууме. Помните о межгалактической среде? Млечный Путь врезается в это разреженное вещество на высокой скорости, создавая ударную волну, которую практически невозможно представить: она сотни тысяч световых лет в ширину и генерирует огромные количества энергии. Они настолько велики, что создают космические лучи, но в этом случае лучи возникают вне Галактики, поэтому это межгалактические космические лучи. Космические лучи уносятся от фронта ударной волны, и многие из них направляются в нашу сторону, обратно в Галактику.

Галактика, как и Солнце, имеет магнитное поле. Кроме того, как и у Солнца, галактическое магнитное поле - это мешанина переплетенных, скрученных петель. Они сильнее всего посередине, в средней плоскости диска, где магнитное поле прекрасно отражает прилетающие галактические космические лучи. Однако при удалении от средней плоскости их сила быстро снижается. Если звезда придерживается плоскости Галактики, она защищена от этих высокоэнергетических частиц. Но если она забредает слишком далеко, то подвергается их действию.

И вот тут приобретает значение колебательное движение Солнца. Поднимаясь и опускаясь относительно плоскости при движении вокруг центра Млечного Пути, каждые 64 млн лет Солнце оказывается высоко над ней и выходит из-под защиты магнитных полей. Именно со стороны приходящей космической ударной волны Солнце оказывается относительно незащищенным от облучения космическими лучами. Это все равно что смотреть в лицо торнадо, швыряющему в вас камни. Медведев и Мелотт обнаружили, что количество межгалактических космических лучей, которые могут достигать Солнца в те периоды, может увеличиваться в пять раз по сравнению с более спокойными периодами, когда Солнце уходит глубоко в плоскость Галактики (которая также действует как щит, потому что между нами и прилетающими космическими лучами находится основная масса Галактики).

Количество межгалактических космических лучей, которые могут достичь Солнца, таким образом, существенно увеличивается и уменьшается с цикличностью 64 млн лет. Далее ученые использовали расчеты движения Солнца, чтобы смоделировать количество космических лучей, добирающихся до нас здесь, на Земле, и наложили эту зависимость на график разнообразия ископаемых остатков за исторические периоды. Они обнаружили, что каждый раз максимумы первого графика совпадали с минимумами второго!

Другими словами, всякий раз, когда Солнце находилось высоко над плоскостью и количество поступающих космических лучей было на пике, количество биологических видов на Земле сокращалось. Каждый раз без исключения, в течение последних девяти циклов за 0,5 млрд лет.

Скажем прямо: это не является точным свидетельством того, что движение Солнца вызывает массовое исчезновение живых организмов. Но это очень веское свидетельство. Когда исследователи учли столкновения с астероидами и иные события, не связанные с космическими лучами, которые вызывают массовое вымирание, корреляция между движением Солнца и теми эпизодами массовой гибели стала еще нагляднее. Между прочим, в исследовании не говорится прямо, что именно космические лучи наносят удар. Имеется ряд доказательств того, что с теми периодами также коррелируют ледниковые периоды, поэтому, возможно, в этом виноваты повышенная облачность и изменение климата. Также имеются интересные исследования, увязывающие космические лучи и вспышки молний на Земле. Неясно, какой из механизмов, описанных выше (мюоны, разрушение озона, образование смога или центров конденсации облаков), виновен в грязных делах, или же это комбинация разных или всех факторов, или может быть что-то, о чем мы пока даже и не догадываемся. Но появляется все больше доказательств того, что космические лучи на самом деле оказывают влияние на живые организмы на Земле.

Отсюда вытекает очевидный вопрос: на каком этапе цикла мы сейчас находимся? В настоящий момент Солнце направляется вверх, поднимаясь над диском. Мы всего на расстоянии 25 световых лет или около того над средней плоскостью, хорошо защищены галактическими магнитными полями, поэтому до опасной зоны нам еще идти и идти. Однако через 20 или 30 млн лет наши потомки могут иметь повод для беспокойства: они будут наблюдать ухудшения в своей округе. Если они смогут избежать постоянно разогревающегося Солнца, сверхновых и пары случайных всплесков гамма-излучения, им, возможно, все равно придется разбираться с межгалактическими космическими лучами. Чтобы избежать их, потомкам нужно найти звезду, похожую на Солнце, с планетами, на которых можно обитать, в средней плоскости Галактики (или под ней) и переехать туда. Вероятно, существует множество потенциальных мест для колонии... если звезды подходящие.
--------------------

Как анализ «Беовульфа» помогает бороться с троллями, а письма Эдгара По - диагностировать депрессию
Журнал "Коммерсантъ Weekend"
03.04.2020

Семь опытов изучения прошлого с помощью больших данных

Большие данные давно используются банками и фармацевтическими корпорациями, транспортными компаниями и урбанистами, генетиками и биологами, но в гуманитарных науках к ним прибегают значительно реже. Между тем с их помощью можно ответить на вопросы, мучившие исследователей не один десяток лет, и такие опыты уже есть. Ульяна Волохова выяснила, что нового удалось узнать о культуре благодаря большим данным и как это может повлиять на нашу жизнь

---Что случилось с Эдгаром По и как это поможет нам бороться с депрессией

(Эдгар Аллан По, 1848)

3 октября 1849 года случайный прохожий нашел Эдгара Аллана По без сознания на одной из скамеек Балтимора (по другой версии, его нашли в таверне). Писателя доставили в больницу, где он умер рано утром 7 октября, так и не придя в сознание. Что именно произошло с По, доподлинно не известно: современники и историки выдвигали немало версий, включая сердечную недостаточность, опухоль мозга, менингит, эпилепсию, убийство, отравление алкоголем и белую горячку, гипогликемию, бешенство от укуса бродячей собаки и даже холеру. Но самое популярное предположение состояло в то, что Эдгар По покончил с собой. Считается, что в течение жизни он неоднократно испытывал тяжелую депрессию, а за год до смерти чуть не погиб от передозировки опиумной настойкой, которой снимал симптомы болезни. Была ли передозировка умышленной или случайной, неизвестно, однако тот случай дал современникам, а позже исследователям основания полагать, что у По были суицидальные наклонности и что осенью 1849 года, поддавшись им, он или отравился каким-то веществом, которое не смогла обнаружить в его организме медицина XIX века, или целенаправленно довел себя до смерти саморазрушительным поведением.

(График уровня депрессии Эдгара По по годам)
(График депрессии Эдгара По с выделенными периодами обострений)

Загадка гибели Эдгара По привлекла внимание психологов Райана Бойда (Ланкастерский университет) и Ханны Дин (Техасский университет). Они посчитали, что жизненный и творческий путь писателя делают его идеальным кандидатом для исследования языковых маркеров депрессии и суицидальных мыслей. С помощью компьютерного анализа было обработано почти все письменное наследие Эдгара По. Специально разработанный алгоритм должен был искать и анализировать в текстах количество негативно и позитивно окрашенных слов, частотность употребления местоимений «я» и «мы», интенсивность использования глаголов, обозначающих когнитивные действия,- похожая система анализа применяется в психиатрии при сборе анамнеза. Результаты анализа текстов позволили Бойду и Дин сделать вывод, что суицидальные мысли свойственны писателю не были, а вот эпизоды депрессии действительно случались довольно часто. Самые тяжелые из них относились к 1840-м годам, когда По написал свои главные произведения: «Золотой жук», «Убийство на улице Морг», «Тайна Мари Роже» и «Ворон». Возможно, депрессию усиливал тот факт, что литературный успех никак не улучшил его материального положения. Алгоритмы, подобные разработанному Бойдом и Дин, позволяющие анализировать письменную речь на предмет признаков депрессии, могут облегчить врачам диагностику, сделав возможным анализ состояния пациента по содержанию его переписки в социальных сетях.

(421 текст Эдгара По был проанализирован алгоритмом. Среди них было 309 писем, 49 стихотворений и 63 рассказа)
(20 текстов Эдгара По показали чрезвычайно высокий уровень депрессии. В основном это письма, в которых он рассказывал близким о своих переживаниях. Из художественных текстов депрессия такого уровня обнаружилась лишь в рассказе «Маяк» - его последнем произведении)

---Как выглядели картины Ван Гога при его жизни и при чем тут архитектурные памятники

(Винсент Ван Гог. «Вид на Арль с ирисами», 1888)

Насыщенности цветов на картинах Винсента Ван Гога посвящено немало работ. Некоторые исследователи даже считают, что именно яркие краски стали причиной тяжелых головных болей и судорог, мучивших художника перед смертью: для приготовления красок использовали токсичные медь, мышьяк, ртуть и свинец, и насыщенность цвета напрямую зависела от их количества. В переписке с братом, который снабжал его материалами для работы, Ван Гог связывал яркость своей палитры с непостоянством новых пигментов и красок: «Все краски, которые ввел в обиход импрессионизм, изменчивы - лишнее основание не бояться класть их смело и резко; время их сильно смягчит». Ван Гог оказался прав: по мнению исследователей, при жизни художника цвета на его картинах были гораздо насыщеннее, а до нас они дошли в сильно искаженном виде.

(Цифровая реконструкция картины «Вид на Арль с ирисами»)

Для того чтобы доказать это, команда ученых и исследователей из Музея Ван Гога, Тилбургского университета, Технологического университета Делфта и компании AkzoNobel (голландский производитель красок, которому принадлежит, к примеру, бренд Dulux) решила визуализировать разницу на примере картины «Вид на Арль с ирисами». Для реконструкции был произведен анализ всех использованных для создания картины красителей, рассчитаны остатки лакового покрытия и степень искажения лаком цветопередачи, а также произведена гиперспектральная съемка полотна, позволившая разложить картину на пиксели. На следующем этапе были помечены участки, где использован только один пигмент. В этих случаях алгоритм на основе химического анализа мог сразу присвоить пикселю цвет: белый для цинка, прусский голубой для железа и т.д. В тех случаях, когда встречался, например, свинец, который использовали для приготовления нескольких пигментов, производился дополнительный микроскопический анализ для установки точного цвета. Затем полученная пиксельная карта пигментов была превращена в цифровую репродукцию картины с восстановленным цветом - он действительно оказался ярче и насыщеннее, чем на оригинале. Теперь искусствоведы проводят такую же работу с картиной Рембрандта «Ночной дозор», чтобы понять, насколько в действительности потемнели ее краски и как картина выглядела почти четыре века назад.

Этические правила реставрации картин не позволяют наносить радикальные изменения на сами полотна, поэтому их цветовая реставрация возможна лишь в цифровом виде: каким бы ни оказался «Ночной дозор» в реконструкции, в музее останется висеть привычный темный вариант. Зато эта методика успешно применяется при реставрации архитектурных памятников: именно этот алгоритм подбирал цвета при недавней реконструкции росписи в Рейксмюсеуме, которую в начале XX века просто покрыли побелкой.

(1,7 млн пикселей проанализировал алгоритм при реконструкции «Вида на Арль с ирисами»)
(4 года шла работа над восстановлением цветовой палитры картины)

---Как разоблачить заговорщиков спустя 400 лет и зачем это спецслужбам

(«Энтони Бабингтон с другими заговорщиками», литография XVI века)

В 1591 году галеон английского королевского флота взял на абордаж голландский корабль, следовавший в Англию с католическим священником на борту. Священник Джон Сноуден был немедленно арестован и под конвоем доставлен в Лондон к главе правительства Елизаветы I лорду Бёрли. Протестантское правительство после восстания католической знати и раскрытия нескольких заговоров против королевы небезосновательно видело в католиках врагов и предпочитало не церемониться с католическими священнослужителями: только в 1590 году на территории Англии казнили 53 священников. Во время допроса Сноудена, однако, стало ясно, что в Англию он возвращался не только по делам церкви. Бежав в Европу от религиозного притеснения, Джон Сноуден (на самом деле его звали Джон Сесил) сблизился там с кругом бывших соотечественников, планировавших при поддержке короля Испании устранить Елизавету I и возвести на престол монарха-католика. Сноуден должен был стать одним из агентов заговорщиков в Англии. Разоблачение шпионских намерений спасло Сноудена: он предложил лорду Бёрли использовать себя в качестве двойного агента и уже через несколько месяцев отправился обратно в Европу следить за заговорщиками и докладывать об их деятельности в Англию.

(Схема основной корреспондентской сети Джона Сноудена)

В 2019 году исследователи из Лондонского и Кембриджского университетов Рут и Себастьян Анерт решили использовать переписку Сноудена как статистическую модель для выявления паттернов и аномалий, указывающих на то, что человек ведет шпионскую деятельность или готовит заговор. Сами тексты писем в построении модели никак не участвовали - были важны только имя отправителя, имя получателя, дата и адрес составления письма. Всю переписку между Сноуденом и его корреспондентами алгоритм обработал с помощью теории граф, преобразовав массив данных в своего рода социальную сеть, которая показывала, какие лица были связаны между собой перепиской, насколько эта переписка была интенсивной, а связи продолжительными. Результат показал, что Сноуден входил в группу, переписка которой обладала характерными особенностями: каждый ее член, имея небольшое количество непосредственных корреспондентов, оказывался посредником и связывал между собой большое количество людей.

Подобный алгоритм позволяет выявлять не только заговорщиков, но и другие группы: дипломатов, правителей, людей, находящихся под наблюдением, и т.д. Обученная алгоритму нейросеть найдет в большом количестве данных характерные для группы шаблоны поведения. По крайней мере, это получилось сделать на материале архива бумаг главного королевского секретаря Тюдоров. В нем содержатся десятки тысяч писем, которыми обменивались более 20 тыс. человек. Во всем этом массиве информации алгоритму удалось вычислить людей, за которыми следило правительство. Рут и Себастьян Анерт отмечают, что это исследование показывает не только возможности анализа данных в исторических архивах, но и наглядно демонстрирует, какими инструментами обладают спецслужбы: для того чтобы выявить подозрительное или нежелательное поведение граждан, им совершенно необязательно читать их сообщения, достаточно собирать данные об активности в сети и обрабатывать их с помощью алгоритмов.

(15 англичан, живших в 1590-х годах за пределами Англии, были отнесены алгоритмом к числу потенциальных заговорщиков. При ручной проверке этих данных исследователи установили, что 13 из них действительно хотели свергнуть Елизавету I)
(32 747 писем из архива главного королевского секретаря Тюдоров было обработано алгоритмом. 16 лет понадобилось бы одному ученому, чтобы прочитать все эти письма)

---Кто из битлов написал музыку для «In My Life» и как это поможет защитить авторское право

(Джон Леннон и Пол Маккартни, 1965)

Пол Маккартни и Джон Леннон вместе написали в общей сложности около 180 песен, большая часть из них подписана «Леннон - Маккартни». О том, кто из двоих в какую песню внес больший вклад, музыканты почти никогда не спорили, но могли в интервью рассказать, кому именно принадлежит музыка или слова в конкретном случае. Исключением стала песня «In My Life», эксклюзивное авторство которой оказалось для Леннона принципиальным. В том, что слова песни, в которой лирический герой размышлял о прошлом и случившихся в нем потерях, принадлежат Леннону, сходились оба участника авторского дуэта, но о том, кому принадлежит музыка, договориться не смогли. В 1976 году в интервью Полу Гамбаччини для книги «Пол Маккартни его собственными словами» Маккартни заявил, что очень гордится песней «In My Life», которую от начала до конца самостоятельно положил на музыку под впечатлением от работ американской группы The Miracles. В 1980-м в интервью Playboy Джон Леннон поправил бывшего коллегу - музыка и слова принадлежат ему, Маккартни всего лишь написал аккордовую последовательность для проигрыша песни. Снова к вопросу об авторстве музыки к «In My Life» Маккартни вернулся в 1984 году, уже после гибели Леннона, заявив в интервью тому же Playboy: «Джон, вероятно, забыл либо никогда не думал о том, что музыку написал я».

(Гистограмма вероятности авторства песен, приписываемых Маккартни. Зеленым выделено количество типичных для Маккартни элементов, красным - для Леннона)

Последнее слово в споре могло бы так и остаться за Маккартни, но преподаватель статистики из Гарварда Марк Гликман и математик из Университета Далхаузи Джейсон Браун смогли с помощью анализа данных установить авторство не только песни «In My Life», но и других работ дуэта «Леннон - Маккартни». Для этого искусственному интеллекту написали алгоритм, с помощью которого он вычленил из песен (часть из них была написана только Маккартни, часть - только Ленноном и еще часть считалась их коллективной работой) мельчайшие элементы, такие как аккордовые и мелодические последовательности, переходы, интервалы между нотами, смещение звукоряда и т.д. Какие-то из них встречались в основном в музыке Леннона, а какие-то - Маккартни. В музыке к песне «In My Life» искусственный интеллект нашел менее 2% компонентов, свойственных музыке Маккартни, зато в блюзовом проигрыше к песне таких компонентов было больше 50%. Также по результатам исследования можно с уверенностью сказать, что музыку к песням «Ask Me Why» и «Do You Want To Know A Secret» тоже написал Леннон, а традиционно приписываемую ему композицию для песни «The Word», напротив, сочинил Маккартни.

Разработки на основе эксперимента Гликмана и Брауна могут сильно облегчить споры об авторстве - с помощью таких алгоритмов можно анализировать большие объемы музыкальных произведений и создавать из типичных для композиторов музыкальных компонентов своего рода музыкальные подписи, по которым будет легко определить автора мелодии.

(70 песен за подписью «Леннон - Маккартни» анализировал алгоритм)
(149 особенностей, типичных для творчества либо Леннона, либо для Маккартни, выявил алгоритм в песнях)

---Почему пьесы Мольера написал Мольер и как это меняет отношение к текстовому анализу

(Жан-Леон Жером. «Сотрудничество (Мольер и Корнель)», 1873)

Мольеровский вопрос появился в литературоведении относительно недавно - в 1919 году писатель Пьер Луис высказал сомнения в том, что сын простого обойщика (пускай и получивший хорошее образование), который провел большую часть жизни в гастролях в качестве актера бродячего театра, вдруг в 40 лет начал заниматься драматургией, оставил наследие из 33 пьес (еще восемь не дошли до наших дней), и при этом не сохранилось ни одного клочка бумаги с каким-либо его рукописным текстом. Луис предположил тогда, что Мольер работал в паре с великим драматургом Пьером Корнелем: Корнель писал пьесы, а подписывал их именем Мольера - тот был очень известным актером и его имя привлекало внимание. Результаты поверхностной стилометрии отчасти подтвердили эту теорию - корпус слов, используемый в пьесах за подписью Мольера, оказался похож на используемый Корнелем.

(График распределения отличительных стилистических признаков между авторами: (A) леммы «слава»; (B) рифмовки леммы «удовлетворение»; (C) формы слова «удовлетворения»; (D) аффиксов; (E) последовательности слов-определений в пьесах; (F) употребления союза «и»)

Исследователи из университета Paris Sciences et Lettres Флориан Кафьеро и Жан-Батист Камс решили перепроверить эту гипотезу, используя радикально новую технологию. Они собрали тексты Мольера, Корнеля и их современников и пропустили через статистический алгоритм, который выявлял частотность употребления не только самостоятельных слов, но и служебных частей речи - предлогов, артиклей, союзов. Именно они лучше всего иллюстрируют то, как строит свою письменную речь автор, и показывают ее закономерности и паттерны. Также были подсчитаны и выделены грамматические структуры, которыми авторы пользовались для рифмовки слова, словообразующие элементы (суффиксы, префиксы и т.д.) и принципы и последовательность употребления определенных частей речи. Каждую пьесу сравнивали как со всеми пьесами в исследуемом корпусе, так и с другими представителями своей жанровой группы (в случае Мольера - с комедиями). Полученные данные показали, что весь корпус приписываемых Мольеру пьес написал один человек, и он совершенно точно не был Корнелем или кем-то из 10 других анализируемых авторов - изученный на таком детальном уровне язык пьес Мольера оказался отличным от языка его коллег.

Система, примененная Кафьеро и Камсом, хоть и требует проверки и доработки, вскрывает проблемы ранее применяемых для установления авторства текстов алгоритмов стилометрии. Прежде на компьютерную стилометрию автоматически переносили принципы ручной стилометрии, в основе которой лежало выявление в тексте более или менее крупных элементов языка. Этим во многом объяснялись результаты предыдущего стилометрического анализа: изучая пьесы Корнеля и Мольера, ученые считали в них частотность употребления слов, но не учли, что общность используемого словаря в значительной степени объяснялась тем, что оба автора жили в одну эпоху и работали в одном жанре,- те же слова были свойственны и другим авторам комедий, а также просто употреблялись в разговорном языке. Изучение текста на уровне служебных слов в гораздо большей степени позволяет определить индивидуальный стиль автора.

(71 пьесу Мольера, Корнеля и их современников проанализировали Флориан Кафьеро и Жан-Батист Камс)
(5000 слов - такой минимум лексических единиц должен содержаться в каждой пьесе, чтобы анализ был максимально корректным)

---Почему Толкин был прав насчет «Беовульфа» и как это поможет бороться с троллями

(«Беовульф», XI век)

Самый знаменитый памятник английской литературы - эпос «Беовульф» - был опубликован в 1815 году. Романтики пропагандировали народное творчество, и поэма об отважном воине, побеждающем чудовищ и драконов, долгое время считалась произведением коллективного творчества средневековых сказителей. В пользу этой версии говорило несколько обстоятельств. Во-первых, единственная сохранившаяся рукопись поэмы была составлена двумя писцами, которые вполне могли быть не переписчиками текста, а его авторами. Во-вторых, в тексте, по большей части языческом, встречались христианские элементы, а некоторые сюжетные линии поэмы были никак не связаны с подвигами Беовульфа - то есть, возможно, писцы или какой-то средневековый редактор обработали сразу несколько не связанных между собой языческих сказаний и свели их в один текст, добавив от себя немного христианской культуры. Первым теорию о том, что у «Беовульфа» был один автор, выдвинул Джон Р.Р. Толкин в лекции 1936 года «"Беовульф": чудовища и критики», в которой утверждал, что в поэме присутствует целостный образ автора и этот автор - христианин, использующий традиционные приемы народной англосаксонской поэзии для создания литературных образов.

((A) Соотношение смысловых пауз в «Беовульфе», корпусе англосаксонской поэзии, «Илиаде» и «Одиссее»; (B) график употребления в «Беовульфе» различных стихотворных ритмов; (C) график употребления в тексте поэмы гапаксов - слов, встречающихся в нем только один раз)

В 2019 году Мэдисон Кригер из Гарвардского университета и Джозеф Декстер из Университета штата Техас доказали, что Толкин, вероятно, был прав. Для этого они использовали метод компьютерной стилометрии. Алгоритм искал в тексте «Беовульфа» мельчайшие повторяющиеся закономерности: частоту употребления комбинаций определенных звуков, количество кеннингов (специфические для скальдической и англосаксонской литературы поэтические метафоры, к числу которых относится и само слово «Беовульф», которое переводится как «волк пчел», то есть «медведь»), частотность смысловых пауз и соотношение разных видов ударений в полустроках. Результаты исследования показали, что текст «Беовульфа» однороден - различий между основным повествованием и вставными линиями нет ни на лексическом, ни на фонетическом, ни на строфическом, ни на метрическом уровнях, так же как их нет и между первой частью, переписанной одним писцом, и второй, которую переписывал другой писец. Подобные результаты были получены и в контрольном эксперименте, в котором анализировались стихи англосаксонского поэта Кюневульфа и неатрибутированные средневековые тексты,- индивидуальные особенности были одинаковы для всех текстов Кюневульфа, но различались для текстов без установленных авторов.

Такой способ анализа текстов может помочь не только в вопросах авторства древних текстов или в судебных спорах об авторском праве, но и для выявления кампаний политической или социальной направленности. Благодаря такому анализу можно без труда вычислить, что фейковые новости, провокационные комментарии или посты в соцсетях созданы фермой троллей, за которыми стоит один человек.

(3182 строки содержит поэма «Беовульф». Исследователи делят ее на две части - до 2300 строки и после нее,- именно с этой строки в источнике поэмы поменялся писец)
(5 видов ударений в полустроках «Беовульфа» выявил алгоритм, все они распределены по тексту равномерно, без каких-либо значимых колебаний между частями поэмы)

---Почему левые победили в борьбе за французскую конституцию и что это значит

(Жак-Луи Давид. «Клятва в зале для игры в мяч», 1790-1794)

20 июня 1789-го депутаты третьего сословия Генеральных штатов Франции впервые выступили против короля. Не получив доступа в зал для заседаний из-за объявленного траура по малолетнему сыну Людовика XVI, они заняли соседнее помещение - зал для игры в мяч. Там они торжественно поклялись, что продолжат собираться, пока Франция не получит конституцию, какие бы препятствия ни чинила им знать. Они действительно продолжали собираться, что поставило короля в сложное положение: чтобы не потерять лицо, он вынужден был настоять на том, чтобы к собраниям третьего сословия присоединились духовенство и дворяне, а также признал в нем законодательный орган - Национальную конституционную ассамблею, работающую над созданием Основного закона страны. Еще через месяц, после взятия Бастилии 14 июля, ассамблея фактически стала управлять охваченной революцией страной до тех пор, пока в 1791 году не была создана конституция, закрепившая основные права и свободы человека и ставшая моделью для современных парламентских республик.

(График соотношения долговечности и новизны речи, ниже разделительной линии выделяется группа резонансных речей депутатов ассамблеи)

Политологи и историки уже два с лишним века изучают работу ассамблеи и пытаются выяснить, как более 1000 депутатов за два года смогли создать абсолютно новый тип управления и новый политический язык. Исследователи из Университета Индианы, Александр Т. Дж. Баррон, Дженни Хуанг, Ребекка Спэнг, и Саймон Дедео из Университета Карнеги решили исследовать этот вопрос с помощью анализа огромного корпуса сохранившихся стенограмм речей и выступлений с заседаний. Для этого они применили к текстам алгоритм тематического моделирования: программа выделяла в речах темы и наблюдала за их дальнейшим развитием и влиянием на общую риторику ассамблеи. В ходе работы сначала было выделено два статистических показателя: новизна (насколько речь неожиданна с точки зрения уже сказанного в ассамблее) и долговечность (насколько темы речи повлияли на последующие речи). Эти данные предсказуемо показали, что высоким уровнем новизны обладали депутаты левого крыла: у них было много новых идей, которые они бесконечно озвучивали, но большая их часть тут же забывалась. У монархистов-консерваторов было другое преимущество - пользуясь старым языком и старыми идеями, они гарантировали своим тезисам повторяемость в следующих речах, то есть высокую долговечность. После этого в отдельную группу были выделены те речи, которые сочетали в себе высокий уровень новизны и долговечности, то есть обладали резонансом. Высокий уровень резонанса был одинаково свойствен как левым депутатам, так и правым, но левым помогало то, что уровень новизны в их резонансных речах был выше, чем у консерваторов (ассамблее было интереснее обсуждать новые речи Робеспьера, чем очередную монархическую речь кардинала Мори). Еще более продуктивными оказались различные комитеты в составе ассамблеи. Сформированные из небольшого количества депутатов для решения конкретных вопросов, они оказались хорошей площадкой для нехаризматичных ораторов: с трудом удерживающие внимание толпы, в комитетах они могли донести свои идеи до узкого круга людей и, убедив их, представить свои рекомендации для всего собрания. По мнению авторов исследования, этот анализ позволяет не только понять, насколько весом человеческий фактор в политической борьбе, но и выяснить, кто из современных политиков является консерватором или новатором вне зависимости от партийной принадлежности.

(40 000 речей и выступлений депутатов Национальной конституционной ассамблеи анализировал алгоритм)
(2-е место занимает Максимилиан Робеспьер в рейтинге самых резонансных ораторов ассамблеи, на первом месте оказался его соратник Жером Петион де Вильнёв)
--------------------

Для чего нужна математика? Геометр Виктор Васильев - о своей науке, просветительской роли математиков и о том, как фальсифицируют исследования
Журнал «Нож»
Интервью: Серое Фиолетовое
14 декабря 2019 / Популярное

Для чего нужна математика? Зачем бороться с фальшивыми диссертациями? Как меняется объем тела, отсекаемого плоскостью при ее движении? Эти и другие вопросы «Нож» обсудил с академиком РАН Виктором Васильевым - топологом, специалистом по теории особенностей и интегральной геометрии, председателем комиссии РАН по фальсификации научных исследований, членом совета фонда «Эволюция», да и просто - одним из крупнейших русских математиков.

---Об образовании и просвещении

- Зачем нужна математика неспециалисту?

- Математика - это способ правильно рассуждать. Как говорил Фейнман, «математика - это не только язык науки, это - сконцентрированный опыт точного мышления множества людей».

- Однако среднее образование от этого идеала очень далеко. Обычный школьник, скорее всего, думает, что математика - это такая деятельность, где до бесконечности нужно что-то вычислять по заданным правилам. Всё, что связано с правильным рассуждением, уходит в кружки или становится прерогативой людей, которые по каким-то причинам этим заинтересовались.

- Наверное, так исторически сложилось, что люди не хотят думать.

Бесконечный источник задач - это тригонометрические уравнения, то есть дрянь, которую можно просто штамповать.

И те, кто не хотят думать, их штампуют, тем более что они есть в вузовских вступительных экзаменах.

В ЕГЭ по математике всё же что-то меняется. Кампания Ященко внесла хоть какое-то оживление в эту систему, но хороших учителей, которые понимают суть предмета, по-прежнему очень мало.

- Вы долго работали в комиссии РАН по экспертизе школьных учебников математики - можете назвать действительно хорошие?

- Учебники Башмакова и учебники под редакцией Шарыгина, Дорофеева, Бунимовича мне нравятся.

- А какую роль играют математики в просвещении общества?

- Есть положительный опыт. Например, Николай Андреев издает книгу «Математические этюды», да и всегда были хорошие книжки - та же «Что такое математика?» Р. Куранта и Г. Роббинса.

- Эти книжки (тираж - 3 тысячи экземпляров) купят в основном самые заинтересованные школьники, часть из которых станет математиками, а часть - программистами. Но если мы говорим о коммуникации с широким сообществом людей в контексте важности методов точного рассуждения, отделения истинных суждений от ложных, то она не может касаться только книжек для заинтересованных школьников.

- На эту тему есть замечательная книга американца Джордана Элленберга «Как не ошибаться. Сила математического мышления», которую издал фонд «Эволюция». Она начинается с такого примера: командование американских ВВС поручило своим летчикам выяснить, на какую часть самолета нужно установить наиболее прочную броню. Они осмотрели вернувшиеся на базу самолеты, отметили, в каких частях находится большее число пробоин, и сделали вывод: раз туда чаще всего попадают, надо дополнительно укрепить именно эти части. На что ученый-математик сказал: «Вы идиоты». Он не так сказал, конечно, но суть в том, что при обстреле пули попадают равномерно. Следует выяснить, где больше всего пробоин у самолетов, которые не вернулись, - эти части и надо укреплять. И это решение, вероятно, спасло тысячи самолетов и людей.

---О фальсификации науки

- Вы - председатель комиссии по противодействию фальсификации научных исследований, чья деятельность широко освещалась в связи с выборами в РАН. В чем вы видите свою задачу?

- Это дело очень важное, которое нельзя не поддержать. Понятно, что стоит вкладываться, когда ты находишься близко к точке бифуркации и от тебя действительно что-то зависит. Проблема фальшивых диссертаций, статей, плагиата ужасна, и от нее опускаются руки. В какой-то момент мне стало казаться, что ничего с этим сделать нельзя, но когда появился «Диссернет», родилась надежда.

- В математике, на ваш взгляд, есть такая проблема? Если посмотреть на статистику, то там не очень много плагиата - «Диссернет» просто «не ловит»?

- В математике она не на таком уровне. «Диссернет» «вылавливает» большую часть, но только то, что на поверхности.

- Например, если чиновник заказал сделать работу и эту работу ему сделали плохо?

- Бывает по-разному. Резонансные случаи, когда ВАК упирается, начинается скандал, как раз такие: важный чиновник, серьезный совет. И есть большое количество случаев, когда ВАК с радостью соглашается с «Диссернетом»: мелкая сошка, коллега что-то списал. «Вы указали, а мы проявили принципиальность», - говорит ВАК.

Но надо развиваться. Может быть, с повышением околонаучной нравственности, репутационной ответственности оно как-то само собой будет изживаться.

- «Диссернет» реально что-то меняет в этой области?

- Ловят реальную сволочь, которая уже совершенно обнаглела. Если бы они знали, что их поймают, то стали бы это делать хитрее. Но они распустились и вляпались по полной программе. Их отловить и выставить на всеобщее обозрение - это великое дело, потому что больше они ничего выдумать не смогут.

- Эти не смогут, другие смогут: есть рынок заказных работ, просто люди будут делать это более качественно.

- И рынок есть, и люди будут, но сама демонстрация того, что с этим надо бороться, что это ненормально, для многих является положительным фактором.

---О математике

- Что для вас математика и занятие математикой?

- Это такая деятельность, которой я по воле судьбы занялся. Оказалось, что я с ней справляюсь и она мне нравится - вот, собственно, и всё.

Всё начинается с задачи. Ты ее обдумываешь, появляются какие-то образы, начинаешь разбираться. Вопрос, который часто задают: математика - это строительство или кладоискательство? Для меня математика - это поиск источников, поиск подземной воды, которая была всегда. Я не строитель, я разбираюсь с тем, как оно есть на самом деле.

Я занимался довольно большим количеством задач, одна из них - задача по теории узлов: все знают, что есть задача и в ней я что-то придумал [речь идет об инвариантах Васильева-Гусарова. - Прим. CФ]. При этом образы были совсем из другой науки - теории особенностей; потом оказалось, что их можно применить к узлам, проинтерпретировав достаточно «потайным» образом. За одними картинками прячутся картинки совсем другого рода.

- Какая связь между теорией узлов и теорией особенностей?

- Теорию особенностей в популярных текстах еще называют теорией катастроф (хотя она и не сводится к последней). Это такая вещь: у нас есть множество всех объектов какого-то сорта. В этом множестве объектов есть объект, который чем-то выделяется. Если мы будем случайным образом рисовать кривую на плоскости, то почти все кривые будут выглядеть так, что у них есть только двукратные точки пересечения. А если мы рассматриваем все кривые, то в этом множестве есть кривые, в которых есть трехкратные точки пересечения или самокасания.

Интересно смотреть на эти выделенные объекты, потому что именно в них происходит перестройка из одной качественной ситуации в другую.

Например, можно посмотреть на пространство всех узлов - всех замкнутых кривых в трех измерениях. В этом пространстве лежат все узлы, все они связаны друг с другом. Это пространство - топологически тривиально, то есть две кривые можно соединить друг с другом. При этом они как-то перестраиваются. Полезно посмотреть на множество перестройки - множество кривых, которые отделяют узел одного типа от другого. А это - теория особенностей, и тут оказалось, что можно успешно применить некоторые трюки, которые я придумал раньше, для совсем других задач, в результате чего я попал в какую-то модную струю, это заметили.

- Работая с узлами, вы ожидали такого результата? Или же вы просто применили свой метод к модной задаче?

- Трюк, который я придумал, действительно решил какие-то известные задачи. Я был горд и очень радовался, когда мне это удалось сделать, но почему-то все обращали внимание только на решения задач, а сам мой метод, который мне так нравился, игнорировали. А мне очень хотелось, чтобы все заметили. И я стал искать какую-нибудь очень модную задачу, к которой его можно было бы применить, чтобы все поразились.

В это время была популярна теория узлов [речь идет о середине-конце 1980-х; в 1990 году Воган Джонс получил медаль Филдса за работы в этой области. - Прим. CФ], и я решил применить этот метод к ней. На самом деле основная цель не была достигнута, так как все сразу посмотрели, какие у меня ответы, и сумели это переформулировать в более элементарных терминах. Впрочем, кому надо, тот заметил: Максим Концевич и еще пара человек поняли, что за этим стоит.

- Но при этом идея всё равно осталась в форме трюка, она не превратилась в какую-то связную теорию?

- Нет, она превратилась, но об этом знает только узкая группа специалистов высокого уровня, не только Концевич, но еще несколько десятков людей. А картинки, связанные с узлами, понимают тысячи, но до них мои идеи так и не дошли. Этот метод применяется, в других областях с его помощью удается получить рекордные результаты, но это происходит во «взрослой» математике.

- А было ли наоборот: вы начинали с понятной задачи, и из нее рождался какой-нибудь интересный метод? Или же ваши мотивации всегда лежали в каких-то абстрактных областях?

- Исходные задачи очень часто были совершенно наглядные, а методы удавалось применять достаточно сложные.

Я на самом деле сейчас при всех общественных сложностях нахожусь в состоянии некоторой эйфории, потому что за последние 3 дня я добил задачу, которую пытался решить больше 30 лет.

Она не из самых знаменитых, но это был челлендж. Когда доказываешь гипотезу, очень радуешься. Придумать контрпример - это, как правило, немного похуже, но доказательство того, что он на самом деле эту гипотезу опровергает, - это тоже некоторая теория. Я уже в другом интервью Михаилу Сергеевичу Гельфанду для сборника «Математические прогулки» об этой задаче рассказывал.

Сама задача восходит к Архимеду и Ньютону, и у нее есть две ипостаси: четномерная и нечетномерная. Итак, пусть у нас будет какое-то тело в пространстве, например на плоскости, и мы рассматриваем множество всех гиперплоскостей в этом пространстве и на пространстве всех гиперплоскостей рассматриваем двузначную функцию - объемы двух частей, на которые гиперплоскость рассекает тело.

- Тело выпуклое (любой отрезок, имеющий концы внутри тела, сам лежит внутри тела)?

- Когда выпуклое - эта задача как раз менее сложная, ее решить достаточно быстро. Сложная задача - когда оно не выпуклое, любое тело, пусть - с гладкой границей. Вот такая функция. Вопрос в том, будет ли она алгебраической на пространстве всех гиперплоскостей?

Первая знаменитая теорема, которая принадлежит Архимеду, говорит, что если это тело - шар в нашем пространстве, то да, это будет алгебраическая функция. А Ньютон доказал, что на плоскости таких тел не бывает, во всяком случае выпуклых.

Арнольд спросил: а как в других размерностях и как в невыпуклых случаях, и бывают ли другие примеры, кроме шаров? Я достаточно быстро тогда доказал, что для выпуклых тел в четномерном случае - не бывает, через двадцать с лишним лет доказал, что условие выпуклости тут не важно, и в четномерном случае задача полностью решилась.

И вот сейчас я придумал тело в нечетномерных пространствах, начиная с размерности 5, которое обладает такими же свойствами, что и шар.

- Оно связано с идеей Архимеда про шар или это что-то другое?

- Тело достаточно простое: в пятимерном пространстве надо взять двумерную сферу, лежащую в трехмерном пространстве, и ее тоненькую трубчатую окрестность (трехмерный слой). Оказывается, это нетривиальный факт на самом деле, и функция будет алгебраической.

Вот такая геометрически наглядная картинка - она имеет вполне рекламный вид.

- Эта задача интересна сама по себе или у нее есть какие-то следствия в математике?

- В математике довольно много задач, которые сами по себе не имеют прямых применений. У теории узлов есть якобы какие-то приложения к теории струн. Такие задачи являются полигоном для отработки методов, и в этом главная ценность теории узлов. Теория наборов гиперплоскостей носит такой же характер. Данная задача тоже из этой серии. У меня есть книжка под названием «Ветвящиеся интегралы», в которой раскрывается интегральная геометрия и связанные с ней задачи математической физики.

Есть огромное количество функций в математической физике, имеющих такую же природу, как эта функция объема: в теории потенциала, в теории ударных волн; гипергеометрические функции, фейнмановский интеграл. Все это - интегральные функции. Там действуют похожие принципы, связанные с ветвлением интегралов, зависящих от параметров.

- А прикладными задачами вы занимались или, может быть, на вас повлияли какие-то нематематические идеи?

- Нематематические идеи на меня, пожалуй, не влияли. Некоторой прикладной тематикой я занимался, у меня даже был хоздоговор с текстильщиками из Университета де Монфорт в Лестере: это связано с теорией узлов, со способом плетения.

Ткань - это такой узел, состоящий из многих нитей, двоякопериодический; узор повторяется, его можно рассматривать как узор в клеточку, который продолжается на торе.

Теория узлов на торе ничем не хуже, а в чем-то и лучше, теории узлов в трехмерном пространстве. Вот, значит, классификацию какой-то системы автоматизированного проектирования этих самых текстильщиков из университета в Лестере я и делал. Из этого сотрудничества получилось пять сугубо математических статей. Потом они подавали заявки на какие-то гранты, но не выиграли.

---Об учениках, коллегах и математическом сообществе

- Вы проработали всю жизнь в Москве - считаете ли вы при этом себя частью глобального математического сообщества? На ваш взгляд, советская математика находилась в изоляции?

- У меня опыт, надо сказать, непоказательный. Я никогда не чувствовал себя в изоляции, даже в советское время. Я ходил на семинары Гельфанда и Арнольда, последний притаскивал на них большие пачки журналов, которые получал как член редколлегии, и письма от своих зарубежных коллег.

Половина этих писем оседала в разных конторах, но половина доходила. Арнольд говорил: «Есть интересная задача - кто бы мог это сделать?» И старался ее кому-нибудь всучить. Иногда он прямо обращался к кому-то: «Вот вы, посмотрите, пожалуйста». И этих оттисков журналов и писем было больше, чем семинар мог переварить, от некоторых еще и отказывались. Из этих задач выросло довольно много всего.

- А вы сами общались с иностранными коллегами до перестройки?

- Почти нет. Лично я с ними не разговаривал. Несколько раз Арнольд давал какую-то задачу - я ее решал. Потом радостно писал письмо, скажем, Смейлу, что я, мол, познал вашу задачу. Через месяц получал от него ответ (или не получал, но от Смейла, слава богу, получил).

- То есть интенсивной переписки с коллегами из разных университетов не было?

- Это был совсем другой мир, тогда не было интернета. Чтобы послать письмо с непонятными закорючками, надо было его подписать в первом отделе. Конечно, это было очень трудно, и Арнольд делал великую вещь, что он эту часть коммуникации брал на себя, и весь наш семинар, как говорят религиозные люди, окормлял.

- Эта ситуация изменилась только в 1989 году?

- Ну да. В первый раз я оказался на Западе в 1990 году, на юбилее Смейла: он меня позвал, чтобы я рассказал о решении его задачи.

- Считаете ли вы, что есть какая-то «московская» математика, и насколько научные подходы в Москве могли отличаться от каких-то других, например во Франции или Америке, с точки зрения атмосферы или идей?

- Я не знаю. Опять-таки в молодости, когда я формировался, я был под большим влиянием Арнольда, мне были близки его взгляды и подход. Вот говорят - я не знаю, насколько это правда, - что в Америке не принято быть специалистом во многих областях, что они предпочитают изучать одну дисциплину, но глубоко. По мнению Арнольда, сила московской школы в том, что старались выучить всё, но я не стану этого утверждать. При том, что, безусловно, во Франции и в Америке есть универсалисты, такие как Делинь.

- А вы постоянно работали в Москве или на какие-то периоды выезжали?

- 3 раза я ездил на 3 месяца и 5 раз на месяц, бывал на международных конференциях.

- Ваши аспиранты в России работают или где-то еще?

- Два моих бывших аспиранта работают у нас на математическом факультете ВШЭ, правда, один из них сильно изменил тематику. А другой, мой любимый ученик, работает в Канзасе. Вообще, учеников не так чтобы очень много. Остальные от меня ушли: кто-то - в программирование, кто-то - в другую науку.

- Вы не очень стремитесь брать аспирантов или вам сложно наладить контакт с ними?

- Может быть, я не очень хорошо оценивал их потенциал. Обычно я давал студенту, который ко мне просился, какую-нибудь задачу, которую я сам пытался решить, но она у меня не пошла. У некоторых получалось, но чаще выходило что-то бледное. Например, какую-нибудь курсовую или диплом написал, но дальше шел не ко мне.

- В России, даже в тех местах, где наука финансируется, математика все равно остается национальной. В МИАН, где мы сейчас находимся, работают ученые, которые родились в России, в крайнем случае ученые из Украины с российским гражданством. Вы бы хотели, чтобы научные институции стали более глобализированными, или же вы за сохранение национальных школ и локальных традиций?

- Хотелось бы, конечно, чтобы границы падали понемножку. Насколько это возможно - зависит не только от математики.

- Высшая школа экономики в какой-то период привлекла иностранных профессоров. Здесь, в МИАН, числились какие-то иностранные аспиранты, вроде бы из Нидерландов, но в целом это российское учреждение; Сколтех еще более интернационален, чем ВШЭ.

А вы предпочитаете заниматься математикой в окружении, которое говорит на русском языке, или когда всё обучение и семинары проходят на английском, иначе люди не поймут, о чем речь. Понятно, что есть разные варианты, но что, на ваш взгляд, лучше - работать всю жизнь в одном месте или перемещаться?

- Если смотреть статистически, то, конечно, больше добиваются успеха те, кто ездят: вот человек поучился здесь, узнал какой-то новый философский подход, съездил в другое место и там чему-то научился - это благотворно влияет на человека, хотя бывают исключения и люди бывают очень своеобразные. Вот Перельман очень своеобразный, хотя и он покатался.

Смена нескольких парадигм скорее полезна. У меня тоже был такой опыт. Я долго учился у Арнольда, потом работал с Гельфандом, а это совсем другой подход. Было очень трудно перестраиваться, но это было очень важно.

Самые сильные люди получаются из тех, кто вобрал в себя знания из трех-четырех источников: натурфизического - у Арнольда и Гельфанда и алгебраической геометрии - у Шафаревича и Манина. Концевич - тому пример, и это идеальный букет.

- Чем различались подходы Арнольда и Гельфанда?

- Во-первых, они были разные люди, и, соответственно, на их занятиях эмоциональная обстановка была тоже разная. У Арнольда новое решение задачи было всегда связано с «выбросом» вдохновения, волшебства.

А у Гельфанда был подход совершенно профессиональный.

Он говорил: «В этом надо разобраться». Если человек не желал этого делать, Гельфанд закипал: «Что такое?! Если вы считаете себя профессионалом, что значит, что вы не знаете этой области? Если того требуют условия задачи, то вы сядьте и выучите, иначе вы не профессионал, а…»

Он не совсем так формулировал, но смысл был ровно такой. Любимая была у Гельфанда поговорка - «кто в лавке остался»: всеми побочными вещами можно заниматься, но главное, чтобы дело двигалось. Арнольд производил более блестящее впечатление, а у Гельфанда была такая трудовая атмосфера: если ты работник, то ты уж работай.
--------------------