Вселенная внутри вас Клегг Брайан
Если взглянуть на каплю крови, выступившую на месте укола, то можно увидеть только темно-красную однородную жидкость, но под микроскопом хорошо заметно, что она содержит множество мелких объектов. Одни из них – красные кровяные тельца – похожи на плоские лепешки или крошечные сушеные абрикосы. Их функция заключается в транспортировке кислорода от легких к тканям тела.
Эти клетки имеют красный цвет, потому что их главным компонентом является белок гемоглобин (белки – это главные действующие молекулы организма человека). Если удалить из красных кровяных телец всю воду, то 95 процентов сухого остатка будет составлять гемоглобин. Эта крупная молекула прекрасно присоединяет к себе кислород и разносит его по всему телу. Гемоглобин содержит железо, и многие полагают, будто именно это придает ему красноватый цвет, как ржавчине на железных деталях. Однако это просто совпадение. Атомы железа окружены кольцом порфиринов, и именно это органическое соединение придает цвет гемоглобину. Красные кровяные тельца производятся в костном мозге и обычно живут в кровеносной системе в течение примерно четырех месяцев вместе с триллионами других своих собратьев, а затем заменяются новыми.
В числе других обитателей крови можно назвать белые кровяные тельца. Они подразделяются на несколько разновидностей и выполняют функции защитных и очистительных механизмов. Один из видов белых кровяных телец уничтожает отмершие красные кровяные тельца, большинство других охотится за возбудителями инфекций и другими нежелательными объектами, попадающими в организм.
Хотя отдельные белые кровяные тельца нельзя увидеть невооруженным глазом, вы наверняка знаете, как выглядят скопления выполнивших свою работу и умерших белых кровяных телец. Это гной. Целая армия, состоящая из миллиардов белых кровяных телец, непрерывно выискивает и уничтожает пришельцев извне, а также клетки собственного организма, отработавшие свой срок и нуждающиеся в утилизации.
И это далеко не все защитные средства в арсенале крови. Существует такой тип клеток, как тромбоциты. Эти довольно бесформенные клетки, имеющие короткий жизненный срок, отвечают за свертываемость крови, чтобы при случайных царапинах она не вытекала до бесконечности.
Особая молекула
Основным компонентом крови является вода. Плазма крови (напоминаю, что сейчас мы ведем речь не о состоянии вещества), в которой плавают кровяные тельца, содержит в растворенном виде некоторые белки и другие химические вещества, но состоит главным образом из воды. В организме человека много воды – больше, чем какого-либо другого вещества. Вода представляет собой простую молекулу, обладающую удивительными свойствами. Один атом кислорода и два атома водорода составляют самую известную из всех химических формул – Н2О. Вода имеет колоссальное значение для биологии. В связи с этим все наши поиски жизни в Солнечной системе сводятся в основном к поискам воды. Бактерии могут жить при экстремально высоких и низких температурах, они могут обходиться даже без воздуха, но без воды ни одна из известных нам форм жизни существовать не может.
Важность воды для поддержания жизни объясняется рядом ее уникальных свойств. Это единственное вещество, которое встречается на Земле в твердом, жидком и газообразном состоянии. Среди удивительных качеств этой молекулы есть одно, без которого она закипала бы уже при 70 °С. В этом случае на Земле не было бы жидкой воды, а следовательно, и жизни. Однако благодаря этому качеству точка кипения воды находится на привычной для нас отметке – 100 °С.
Речь идет о так называемой водородной связи, которая возникает между электрическим зарядом атома водорода и другим атомом, например кислорода, азота или фтора. В случае с водой положительный заряд водорода обеспечивает связь с отрицательным зарядом кислорода в другой молекуле воды. В результате такой межмолекулярной связи молекулы воды становится труднее перевести в газообразное состояние. Это сдвигает точку кипения вверх и таким образом делает нашу планету обитаемой.
Наличие водородной связи придает воде еще одну особенность. Большинство веществ в твердом виде имеют меньший объем, чем в жидком. Однако твердая вода (лед) занимает больший объем, чем жидкая. Именно поэтому мы не рекомендуем замораживать воду в бутылках. Именно поэтому лед плавает по поверхности воды, давая возможность выжить тем, кто обитает подо льдом. Утверждение, что это свойство характерно только для воды, не совсем верно. Уксусная кислота и кремний, к примеру, тоже имеют в твердом состоянии меньшую плотность, чем в жидком, но это все же скорее исключение, чем правило.
Наполните небольшую пластиковую бутылку водой до самого верха, закройте крышкой и поставьте на ночь в морозильную камеру. При замерзании вода расширится и либо разорвет пластик, либо сорвет крышку, либо необратимо деформирует бутылку. Не вздумайте провести этот эксперимент со стеклянной бутылкой, иначе вам придется собирать ее осколки по всему холодильнику.
Причина расширения воды при замерзании заключается в том, что стандартная шестиугольная кристаллическая структура льда не соответствует направлению водородных связей, которые удерживают молекулы воды в жидком состоянии. Чтобы вписаться в кристаллическую структуру, молекулам воды приходитсяотдаляться друг от друга, что уменьшает ее плотность (кстати, наибольшую плотность вода в жидком виде имеет при температуре 4 °С).
Вода прозрачная, хоть и имеет слегка голубоватый оттенок, что объясняется особенностями преломления в ней света (по этой же причине и небо имеет голубой цвет). Правда, чтобы это разглядеть, необходим большой объем воды, например в горных ледниках.
Важность воды для поддержания жизни объясняется еще и тем обстоятельством, что она является прекрасным растворителем. Благодаря наличию водородной связи она растворяет многие вещества и способна переносить их к живым клеткам. Но и это еще не все. Вода принимает участие во многих химических реакциях, необходимых для обмена веществ в организме. Без нее живая клетка существовать не может.
Крошечные камеры
Я уже неоднократно употреблял в этом тексте слово «клетка». Без него просто не обойтись, если разговор идет об организме. Данный термин ввел в оборот современник (и соперник)
Ньютона Роберт Гук. Он был выдающимся ученым. Его самым известным сочинением была «Микрография» – прекрасно иллюстрированный труд с изображениями, полученными с помощью увеличительных стекол и предшественников современных микроскопов.
Изображение блохи из книги Роберта Гука «Микрография»
Некоторые иллюстрации из этой книги произвели ошеломляющее впечатление на современников. Речь идет прежде всего об увеличенных изображениях блохи и вши. Люди той эпохи были слишком хорошо знакомы с этими насекомыми, но не испытывали никакого желания наблюдать их в таких ужасающих деталях. Гук также поразил публику детальным изображением фасеточного глаза мухи. Изучая тонкие срезы пробки, он обнаружил «скопление бесчисленного множества крошечных камер», которые он назвал клетками. Это название и прижилось в биологии.
Все известные живые существа состоят из клеток или, по крайней мере, из одной клетки. К примеру, простейшая форма жизни – бактерия – имеет только одну клетку, а в нашем организме их триллионы. Каждая клетка – это вместилище жизни. Клетки крови, о которых мы уже говорили, имеют довольно необычное строение, но их более стандартные формы, из которых состоит наше тело, располагают центральным ядром и разнообразными биологическими механизмами, плавающими в окружающей его жидкости.
Молекула-суперзвезда
В ядре клетки находится самое известное из существующих химических соединений – ДНК. Согласитесь, что это настоящая знаменитость в мире химии. Упоминания о каких других молекулах появляются в новостях столь же часто? Нам даже необязательно называть эту молекулу полным именем, так как вполне хватает инициалов (название «дезоксирибонуклеиновая кислота» не так-то легко произносить). Нам достаточно только взглянуть на изображение двойной спирали, чтобы понять, с чем мы имеем дело.
ДНК – это не простое вещество типа соли, например хлористого натрия, молекула которого состоит всего из двух атомов (NaCl). Это сложнейшая структура, предназначенная для хранения информации в химической форме. ДНК в ядре одной из клеток тела (скажем, в клетке кончика пальца) состоит из последовательности длинных молекул, обернутых вокруг белков, которые носят название гистонов. Гистоны играют роль своеобразного веретена, на которое накручиваются нити ДНК.
Возможно, вы видели увеличенные изображения человеческих хромосом. Каждая хромосома представляет собой отдельную молекулу ДНК с сопутствующими гистонами. В ядре каждой клетки находится 46 таких хромосом. Подробнее мы поговорим об этом в главе 7. Пока же достаточно знать, что ДНК в каждой хромосоме – это одна отдельная молекула. Она свернута в клубок и по размерам превосходит любую другую из известных молекул. ДНК в первой хромосоме человека состоит примерно из 10 миллиардов атомов.
У вас есть возможность самостоятельно повторить то, что делают судебно-медицинские эксперты в телесериалах, когда выделяют ДНК из полученных образцов. В данном случае мы будем экстрагировать ДНК из банана. Это один из самых сложных экспериментов в книге, но даже если вы не решитесь его проводить, все же приятно сознавать, что вы сами можете добыть ДНК сравнительно простым способом.
Измельчите банан в блендере до состояния пюре (для этого достаточно всего несколько секунд, чтобы полученная смесь не была слишком жидкой). Смешайте в кружке одну часть жидкого средства для мытья посуды и девять частей теплой воды (скажем, 10 миллилитров средства для мытья посуды и 90 миллилитров воды). Добавьте в раствор щепотку соли. Перемешайте раствор с банановым пюре, чтобы у вас получилась однородная масса без комков, пузырей и пены.
Через кофейный фильтр отцедите из этой кашицы жидкость и поставьте ее в холодное место. Часть полученной жидкости налейте в узкую стеклянную емкость (желательно лабораторную пробирку). Уровень жидкости должен составлять пару сантиметров. Теперь аккуратно добавьте сильно охлажденный спирт, наливая его по стенке, чтобы он образовал слой поверх раствора. ДНК начнет переходить из раствора в спирт, и ее можно будет просто намотать на длинную палочку типа зубочистки.
В идеале следует использовать чистый 95градусный этиловый спирт. Если его не удастся добыть, подойдет и спирт для растирания. Алкогольные напитки не обладают должной чистотой. Эксперимент можно проводить не только с бананом, но и с любой другой живой субстанцией, однако банановое пюре получить проще всего. Конечно, в добытом образце будет содержаться примесь белков, но основную его массу составляет все же ДНК.
Молекула ДНК, имеющая вид двойной спирали, очень напоминает винтовую лестницу. Завитки образованы длинными нитями полимера дезоксирибозы – одного из видов сахаров, способных образовывать длинные цепи с повторяющейся последовательностью атомов. Но это лишь каркас молекулы. Самыми важными компонентами являются ступеньки этой лестницы. Каждая из них состоит из пары, образованной соединением четырех азотистых оснований – цитозина, гуанина, аденина и тимина.
Ваш личный код
Эти основания играют ту же роль, что единицы и нули в двоичном коде компьютера (разумеется, аналогия с двоичным кодом условна, потому что оснований не два, а четыре). ДНК в каждой из клеток состоит из шести миллиардов таких пар оснований. Этот код используется для хранения информации, необходимой в производстве различных белков, играющих главную роль в биологическом мире, а также других молекул, которые определяют последовательность формирования и развития организма. Вся эта система работает эффективно, потому что в образовании ступенек всегда участвуют строго определенные пары оснований. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.
Именно это попарное соединение является ключом к копированию информации. Новые клетки образуются в процессе деления старых. Каждая новая клетка должна получить свою копию ДНК. Для этого две цепи одной двойной спирали разделяются по линии соединения оснований. Хотя обе половинки не идентичны, они легко воссоздадут недостающую часть ДНК, так как основания всегда соединяются одинаково. В результате в каждой новой клетке, появившейся в процессе деления, окажется полная версия ДНК.
ДНК часто сравнивают с чертежом живого организма. У этой молекулы много дел. Посудите сами: организм начинается с одной-единственной клетки. Она делится на две части, потом на четыре и так далее, пока не достигнет окончательной цифры – 50–70 триллионов. Разумеется, это не просто механическое увеличение количества одинаковых клеток. В противном случае вы превратились бы просто в большой однородный сгусток. Что-то должно давать указания клеткам, чтобы они специализировались и образовывали различные органы и структуры тела. В этом и заключается задача ДНК.
И все же сравнивать ДНК с чертежом неправильно. Чертеж дает точные инструкции по строительству того или иного объекта, а ДНК не содержит всех данных, которые позволили бы в точности определить, что и как должно происодить в организме. Не существует никакой связи между количеством генов (базовых информационных кодов ДНК) и уровнем сложности живого существа. Например, рис имеет вдвое больше генов, чем человек. Конечно, это излишне упрощенный подход, в чем мы еще сможем убедиться, более детально изучая гены.
И все же лучше рассматривать ДНК как контрольную компьютерную программу на полностью автоматизированной фабрике, каковой является живой организм. ДНК не содержит всех деталей. Просто различные внешние факторы взаимодействуют с ней, в определенное время активизируя одни ее части и замедляя другие. Тем не менее, как мы увидим в главе 7, ДНК играет колоссальную роль в формировании организма.
Сорок шесть молекул ДНК в ядре клетки не единственные ДНК в организме. На самом деле есть и другие, которые можно считать своего рода пришельцами. Они родились не в человеческом организме.
Пришельцы в ваших клетках
Во внутриклеточной жидкости вокруг ядра вы можете обнаружить структуры, называемые митохондриями. Эти крошечные образования часто называют электростанциями клеток, так как их функция заключается в усвоении кислорода, получаемого в ходе дыхания (его доставляют красные кровяные клетки), и соединении его с химическими веществами пищи. В результате образуется аденозинтрифосфат (АТФ) – молекула, в которой запасается необходимая для организма энергия. Митохондрии представляют собой биохимические зарядные устройства для электрических батарей. Самое удивительное то, что раньше они, по всей видимости, были бактериями, которые впоследствии, в процессе взаимовыгодного симбиоза, стали частью клеток.
Эта теория происхождения митохондрий возникла уже довольно давно, но ее доказательство появилось лишь в 2011 году, когда в море была открыта бактерия с довольно скучным названием – SAR11, имевшая с нашей митохондрией общего предка. Сравнение генов митохондрии и SAR11 показало, что их общим предком была древняя бактерия.
Это сравнение стало возможным лишь потому, что у митохондрий есть собственная ДНК, содержащая всего 13 генов и не имеющая ничего общего с хромосомами, содержащимися в ядре клетки. В отличие от главной ДНК, которая представляет собой комбинацию генов обоих родителей, ДНК в митохондриях передается только по материнской линии. В бывшей бактерии было около тысячи генов, и раньше все они находились в ее ядре. Но со временем, когда бактерия стала митохондрией, большая часть генов, за исключением тринадцати, перешла в хромосомы.
Количество митохондрий зависит от типа клеток. Наибольшее количество (свыше тысячи) содержится в клетках печени. Хотя у митохондрий есть и другие функции, ее главная задача – накопление энергии в молекулах АТФ, которые представляют собой химический эквивалент заведенной пружины в часовом механизме.
В сжатой до предела пружине содержится большой потенциал энергии, которая при высвобождении способна приводить механизм в движение. Точно так же и митохондрия запасает энергию в АТФ. Это химическое соединение с труднопроизносимым названием содержит пару внутриатомных связей, которые соединяют атомы фосфора с единственным атомом кислорода. Эти связи относительно слабы и легко разрываются, в результате чего высвобождается энергия, приводящая в движение мышцы.
Чужие гены
Митохондрии – это не единственные пришельцы в организме человека. Ваша ДНК содержит гены по меньшей мере восьми ретровирусов. Это разновидность вирусов, использующих клеточные механизмы для кодирования ДНК и за счет этого берущие клетку под свой контроль (один из подобных вирусов, в частности, вызывает СПИД). Гены этих вирусов в ваших хромосомах в настоящее время выполняют важные функции размножения, но они абсолютно чужды человеческой ДНК.
Если когда-то митохондрии были бактериями, то теперь они стали частью клеток организма человека. Хотя они не встречаются в простейших одноклеточных существах, но присутствуют практически во всех организмах, клетки которых имеют ядра.
Похоже, что вторжение митохондрий в чужие организмы состоялось на очень ранних стадиях развития сложных форм жизни на Земле. Однако это не единственные бактерии, живущие в вашем теле.
Триллионы нелегальных мигрантов
Глядя на себя в зеркало, задумайтесь о том, что с чисто математической точки зрения в вас больше бактериальной жизни, чем человеческой. В теле человека в 10 раз больше бактерий, чем собственных клеток.
Многие из бактерий, которые называют тело человека своим домом, настроены дружелюбно, то есть не причиняют никакого вреда. Некоторые даже полезны. Они не являются неотъемлемой составной частью нашего организма, как митохондрии, поэтому можно обойтись и без них, но тогда жизнь существенно осложнится. В конце 1920х годов американский инженер Джеймс Рейнерс решил выяснить, могут ли животные жить вообще без бактерий. Он надеялся создать мир без бактерий, в котором будет царить здоровье. Рейнерс посвятил всю жизнь созданию безбактериальной среды, в которой можно было бы с момента рождения выращивать морских свинок и других животных.
Оказалось, что это возможно. После уничтожения всех бактерий животные не умирали. Поскольку мир без бактерий сулил избавление от многих болезней, результаты работ Рейнерса стали толчком для широкого распространения всевозможных антибактериальных средств и антибиотиков.
Никто не сомневается в том, что некоторые бактерии чрезвычайно вредны. Однако исследования Рейнерса зашли в тупик. Да, некоторые морские свинки могли обходиться без бактерий, но многие в таких условиях умирали. А тех, кто оставался в живых, приходилось кормить специальной едой. Дело в том, что бактерии, обитающие в кишечнике, способствуют пищеварению. Это имеет особое значение для животных и насекомых, поедающих растения с богатым содержанием целлюлозы. Такая пища расщепляется только с помощью бактерий.
Вы тоже могли бы жить без бактерий, но в отсутствие ферментов, которые производят кишечные бактерии, вам пришлось бы употреблять в пищу только те продукты, которые богаты питательными веществами. Особенно это касается вегетарианцев, так как волокна растительного происхождения не перевариваются исключительно с помощью собственных ферментов. С ними могут справиться только химические вещества, вырабатываемые бактериями.
Это необходимо учитывать при лечении антибиотиками. Хотя каждый отдельный антибиотик убивает лишь определенные микроорганизмы, он не делает различий между «хорошими» и «плохими» бактериями. Ему это безразлично. С таким же успехом он уничтожит и полезные кишечные бактерии. Это значит, что некоторое время после этого вам придется делать упор на продукты, богатые питательными веществами, и, кроме того, избегать инфекций, так как бороться с ними помогают именно кишечные бактерии. Если антибиотик уменьшит численность этих бактерий, их место с легкостью займут другие, возможно, вредные микроорганизмы.
Как ни прискорбно, но я должен огорчить любителей напитков и других продуктов, содержащих пробиотики и другие якобы полезные бактерии. Нет никаких свидетельств того, что они приносят хоть какую-то пользу. Такие бактерии, попадающие в организм вместе с пищей, не вносят заметного вклада в состав микрофлоры. Возможно, употребляющий их человек получает какие-то психологические преимущества типа эффекта плацебо, но реальной биологической помощи они не оказывают.
Значение аппендикса
Бактерии тесно связаны еще с одним органом тела, в отношении которого царит самое большое непонимание. Это аппендикс. Если он у вас до сих пор есть, вы, возможно, задумывались, зачем он нужен. В конце концов, пользы от аппендикса не видно, а если в нем возникают какие-то сбои, то это может привести к такому угрожающему жизни состоянию, как аппендицит. В этом нет никакого эволюционного смысла. Если человек уже длительное время живет с абсолютно бесполезным придатком, то почему он не исчезает?
Лишь относительно недавно было обнаружено, что аппендикс чрезвычайно важен для бактерий, обитающих в пищварительной системе. Они используют его как своего рода дом отдыха, где можно немного расслабиться после активной работы в кишечнике и пополнить свое количество за счет размножения. Таким образом, аппендикс не так уж бесполезен, как традиционно было принято считать.
Тем не менее странно, что живущие в нашем организме бактерии, в том числе и обитающие в аппендиксе, почему-то неуязвимы для иммунной системы. Клетки крови непрерывно производят антитела (белки, предназначенные для нападения на чужаков и их уничтожения). Именно из-за них операции по пересадке органов сталкиваются с такими трудностями. Наш организм борется даже с абсолютно безобидными клетками чужого человеческого тела, однако в силу каких-то обстоятельств, которых мы еще не понимаем, бактерии почему-то неуязвимы для антител.
Удивляют и результаты недавних исследований, в ходе которых было установлено, что в аппендиксе содержится колоссальное количество антител. Некоторые из них присоединяются к кишечным бактериям, но не уничтожают их, а, наоборот, оказывают помощь. Самым известным из антител в кишечнике и, в частности, в аппендиксе является иммуноглобулин А. Он присоединяется к бактериям, но вместо того, чтобы их убивать, формирует некую защитную структуру, не только позволяющую им спокойно жить и процветать, но и препятствующую их выведению из организма с отходами пищи. Оказывается, антитела протягивают руку помощи полезным кишечным бактериям.
Бактериям неизвестно правило пяти секунд
Бактерии (и вирусы), разумеется, далеко не всегда идут нам на пользу. Хотя некоторые заболевания обусловлены генетическими причинами или сбоями в каких-то процессах жизнедеятельности, причиной большинства из них являются все-таки эти крошечные агрессоры. Существует одно убеждение, о котором, вам, возможно, приходилось слышать еще от бабушки с дедушкой и которое нуждается в проверке с научной точки зрения. Речь идет о так называемом правиле пяти секунд. Оно гласит, что если вы уронили еду на пол, но подняли ее в течение пяти секунд, то есть ее безопасно для здоровья.
Вероятно, это правило зародилось еще при Чингисхане, хотя в те времена люди были не столь привередливы в вопросах еды и речь тогда шла не о 5 секундах, а скорее о 12 часах. Американская школьница Джиллиан Кларк, проходя летнюю научную практику в университете, решила подойти к этому вопросу с научных позиций и пришла к интересным выводам.
Она взяла мазки с пола во многих университетских помещениях, включая спортивный зал, и обнаружила, что пробы содержат на удивление мало бактерий. Помогавшие ей студенты сумели даже сосчитать их точное количество.
Как и ожидалось, в ходе опросов было установлено, что люди охотнее поднимают с земли и отправляют в рот сладости и кондитерские изделия, чем брокколи и цветную капусту.
Но самым важным результатом работы оказалось то, что если на полу обнаруживались бактерии Е. coli, то для того, чтобы заразить еду, им требовалось значительно меньше, чем пять секунд. Таким образом, это правило в данном случае не срабатывает.
«Ползучее» вторжение
Бактерии, безусловно, представляют собой самую распространенную форму чужеродной жизни как снаружи, так и внутри организма, но они не одиноки. У людей бывают и другие незваные гости – вши, блохи и, конечно, глисты. Мы привыкли думать о глистах как о нежелательных паразитах, но в последнее время получены данные, что некоторые из них иногда могут быть полезны.
Возможно, эта мысль покажется вам странной, но, хотя глисты стали нашими компаньонами значительно позже бактерий, мы живем с ними так долго, что организм уже привык к ним. Хотя экспериментов в этом плане было не так уж много (вероятно, потому, что эти существа многим внушают отвращение), есть достаточные основания полагать, что некоторые глисты оказывают на организм положительное воздействие, так как многие системы нашего организма рассчитывают на их присутствие и чувствуют себя без них неуютно. Высказывается мнение, что с тех пор, как мы объявили глистам войну, некоторые болезни стали возникать чаще и что наличие глистов в разумных пределах было бы полезно для здоровья.
Благородные пиявки
Еще одним паразитом, который проявляет положительные качества, является пиявка. Пиявки используются в медицинских целях на протяжении сотен лет, но первоначально их применение основывалось на ложных предпосылках. Медицина лишь сравнительно недавно стала наукой. На протяжении долгого времени она исходила из идеи, которая напоминает древнегреческую концепцию четырех элементов. В соответствии с ней человеческое тело содержит четыре жидкости – кровь, флегму, черную и желтую желчь.
Эти жидкости должны находиться в определенной пропорции. Если, к примеру, у вас в теле слишком много крови (что характерно для сангвиников), то ее излишек необходимо удалить при помощи кровопускания. Такая процедура была широко распространена, но после нее организм пациента нередко ослабевал и справлялся с инфекциями хуже, чем обычно. В связи с этим кровопускание посредством надрезов на коже часто заменяли более щадящим способом – прикладыванием пиявок.
Хотя современная медицина, к счастью, доказала неэффективность кровопускания, пиявки по-прежнему остались в ее арсенале для оказания помощи при возникновении некоторых послеоперационных проблем. Это кровососущее существо нуждается в том, чтобы кровь текла свободно и не свертывалась, для чего, присасываясь к телу жертвы, использует естественные антикоагулянты. В ходе хирургических операций порой возникают состояния, когда образуются сгустки крови, затрудняющие поступление свежей крови в некоторые части тела. Разумное использование пиявок помогает избежать свертывания крови и улучшает кровоток.
Пришельцы на ресницах
В зависимости от вашего возраста можно с достаточной долей уверенности утверждать, что у вас имеются и другие пришельцы. Оказывается, на отмерших клетках у волосяных фолликулов живут крохотные существа – ресничные клещи (демодексы). В отличие от вшей, они питаются только поверхностными выделениями сальных желез и не причиняют человеку вреда, хотя в редких случаях могут вызывать аллергическую реакцию. Они очень малы (длина взрослой особи составляет около 1/3 миллиметра) и почти прозрачны, поэтому разглядеть их невооруженным глазом крайне трудно.
Однако если вы положите ресницу или волос из брови под микроскоп, то обнаружите это крошечное существо, которое большую часть времени проводит на коже непосредственно у корней волос. Они имеются примерно у половины населения (у детей меньше, у взрослых больше). Ресничные клещи не обладают никакими полезными свойствами, как, например, некоторые бактерии, но и беспокоиться по поводу их присутствия не стоит. Они совершенно безобидны.
Увидеть малое
Упомянутые выше миниатюрные пришельцы по-настоящему стали частью нашего сознательного восприятия собственного тела, когда появились микроскопы. Развитие этой технологии привело нас к пониманию процессов, происходящих в клетках. Первые наблюдения объектов под увеличением, проведенные Гуком, осуществлялись с помощью сильной одиночной линзы на массивной подставке, которая уменьшала вибрации. Примерно такой же техникой пользовался и Антони ван Левенгук, первым сообщивший о существовании бактерий (1674). Но подлинный прогресс начался лишь с появлением составного микроскопа.
Оказалось, достаточно вставить в круглый корпус две линзы, чтобы кардинально расширить наши познания о микроскопической жизни. Одна линза (объектив) размещалась близко к изучаемому объекту и создавала с обратной стороны его увеличенное изображение. Эта «виртуальная» картинка, которую нельзя было увидеть, находилась как бы в пространстве. Другая линза (окуляр), в свою очередь, еще больше увеличивала это изображение.
Данным изобретением мы обязаны отцу и сыну Хансу и Захарию Янсенам из Голландии. Они были мастерами по изготовлению очков и в 1590 году создали первый составной микроскоп. В то время Ханс был еще мальчиком. Впоследствии он приобрел даже большую известность, чем отец, так как всю свою карьеру посвятил изготовлению оптических инструментов, однако основная заслуга в создании микроскопа принадлежит все же Захарию.
Современные знания о строении тела стали еще шире с появлением других технологий, которые позволили увидеть невидимое. Первым настоящим прорывом в данной области стала в свое время аутопсия (вскрытие трупа), которая в течение долгого времени была запрещена. Эта процедура позволила понять многое из того, что происходит внутри организма, но она имела свои ограничения, так как не могла проводиться на теле живого человека. Современная техника предлагает для этого несколько возможностей.
Всепроникающие лучи
Настоящая революция произошла в 1895 году, когда немецкий ученый Вильгельм Рентген, экспериментируя с трубкой Крукса, случайно совершил открытие. Это был прообраз катодной трубки, которая впоследствии широко использовалась в телевизорах и мониторах компьютеров до изобретения жидкокристаллических и плазменных экранов. Испускавшиеся этим устройством «катодные лучи» представляли собой поток электронов, которыми можно было управлять с помощью электрического и магнитного полей. Попадая на фосфоресцирующий экран, электроны вызывали свечение.
В телевизорах такие экраны устанавливались в передней части, но у Рентгена он случайно оказался слева от прибора. Включив трубку, ученый с удивлением заметил, что экран засветился, хотя по бокам трубка была обмотана картоном. Было похоже, что электроны, попадая в металлическую мишень, генерировали какой-то новый вид излучения, которое распространялось во все стороны и было настолько мощным, что проходило сквозь картон.
Рентген назвал этот новый вид излучения икс-лучами. «Икс» в названии символизировал нечто неизвестное и загадочное. Однако научной общественности это не понравилось, и впоследствии они стали называть новое явление рентгеновскими лучами.
В то время, как, впрочем, и сейчас, публикации в научной периодике иногда попадали в поле зрения прессы, и статья Рентгена об открытии икс-лучей произвела фурор среди широкой общественности благодаря одной фотографии. Она изображала руку его жены, сфотографированную в рентгеновских лучах. Лучи прошли сквозь мягкие ткани, но не через кости. Впервые на фотографии можно было увидеть часть человеческого скелета внутри тела. Интересным было и то, что жена не сняла обручальное кольцо (хотя, очевидно, пыталась сделать это, так как оно сдвинуто к суставу фаланги пальца), которое отобразилось на фотографии в виде густого черного пятна.
Возможности медицинского применения нового изобретения были настолько очевидны, что первый в мире рентгеновский аппарат был установлен в больнице города Глазго уже в 1896 году, то есть спустя всего год после открытия. Врачи, работавшие с рентгеновскими лучами, не соблюдали никакой осторожности. Более того, возможность видеть сквозь тело очень увлекала широкую публику. Даже в начале XX века в научно-популярных журналах публиковались инструкции по сооружению собственного рентгеновского аппарата в домашних условиях. В детстве с помощью такого устройства я мог сам наблюдать кости своих стоп, обутых в ботинки.
Лишь намного позже стало понятно, что использование замечательных свойств рентгеновских лучей сопряжено с риском. Рентген с самого начала догадывался, что эти лучи представляют собой разновидность световых. Так оно и оказалось. Рентгеновские лучи – это, по сути, тот же видимый свет, но обладающий куда большей энергией. Мы знаем, что электроны могут перескакивать на более высокий уровень при поглощении фотона – кванта световой энергии. Однако рентгеновские лучи обладали такой энергией, что могли выбивать электроны из атома. Это явление называется ионизирующей радиацией.
Сама по себе ионизация представляет собой довольно обычный процесс. Она происходит, например, при растворении соли в воде. Таким образом, все жидкости в организме человека содержат массу ионов. Однако ионизирующая радиация, проникая в клетки тела, создает свободные радикалы – очень активные молекулы, значительно повышающие риск возникновения рака. Естественной защитой организма от свободных радикалов являются антиоксиданты. В связи с этим в последнее время усиленно рекламируются продукты с антиоксидантами, которые якобы полезны для здоровья. Однако все исследования говорят о том, что антиоксиданты, принимаемые с пищей, не идут ни в какое сравнение с анти-оксидантами, вырабатываемыми самим организмом, поэтому практически бесполезны.
Опасность ионизации, вызванной фотонами высоких энергий, означает, что чрезмерного воздействия рентгеновских лучей на организм следует избегать. Именно поэтому рентгенологи работают за защитными экранами. Однако для пациентов риск весьма невелик, особенно если учесть, что мы непрерывно подвергаемся воздействию естественной радиации. Радиация, исходящая из природных источников, присутствует вокруг нас постоянно. Рентгеноскопия грудной клетки, к примеру, создает такой же уровень облучения, как полет на самолете в течение 10 часов.
Томография и ядерный резонанс
Для того чтобы без вскрытия выяснить, что происходит внутри тела человека, врачи сегодня располагают самыми разными средствами. Компьютерная томография – это те же самые рентгеновские лучи, но они способны на такое, о чем до появления компьютера и подумать было невозможно. Томография представляет собой последовательное фотографирование одного слоя исследуемого участка тела за другим.
С помощью сложной компьютерной обработки из этих снимков составляется объемное изображение внутренних тканей тела, которое можно рассматривать под любым углом.
Еще один хорошо известный метод называется МРТ – магнитно-резонансная томография. Сначала он носил название ЯМР (ядерный магнитный резонанс), но поскольку слово «ядерный» вызывало у людей ассоциации с ядерной радиацией, от него пришлось отказаться, хотя страхи были совершенно напрасными, так как имелись в виду ядра атомов в теле. Никакого облучения пациентов не происходило.
Снимок головы автора, сделанный с помощью компьютерной томографии. Вертикальные полоски отмечают отдельные слои, зафиксированные в томограмме
Протоны в ядре атома могут вести себя как маленькие магниты. МРТ использует сильное магнитное поле, которое ориентирует магнитные поля протонов в молекулах воды в определенном направлении. Затем сканер посылает пучок радиоволн определенной частоты (радиоволны представляют собой разновидность световых волн относительно низкой энергии), который на короткое время отклоняет магнитный момент (спин) протонов. После этого протоны быстро возвращаются в исходное состояние, излучая фотоны, которые могут быть зафиксированы. Поскольку разные виды тканей и жидкостей в теле реагируют на этот процесс по-разному, создается возможность различать их по количеству испускаемых фотонов и выводить полученное изображение на сканер.
Охота за неуловимыми нейтрино
Фотоны электромагнитного излучения определенной частоты – это не единственные частицы, способные проникать сквозь твердые тела. Каждую секунду сквозь наше тело проходит около 50 триллионов частиц, которые носят название нейтрино. Эти частицы испускаются Солнцем и другими космическими источниками. Нейтрино поистине неуловимы. Их так трудно обнаружить, что, хотя существование этих частиц было предсказано еще в 1930е годы, их впервые удалось зафиксировать лишь спустя двадцать лет. По результатам эксперимента, проведенного в 2011 году в ЦЕРНе (Женева), было высказано предположение, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света, а кое-кто даже заявил, что это означает крах теории относительности Эйнштейна.
Поскольку нейтрино с такой легкостью проникают сквозь тело человека, может показаться, что они прекрасно подходят для медицинского сканирования. Но дело в том, что ни одна структура не представляет для них ни малейшего препятствия. Они походят через тело человека так же легко, как через вакуум. Более того, они могут пролететь сквозь всю нашу планету, как будто ее и нет. Обнаружить их можно лишь в том случае, когда один из нейтрино случайно столкнется с атомом, что вызовет образование и разлет вторичных частиц. А вот увидеть нейтрино мы не сможем.
Нейтринные телескопы обычно устанавливают в шахтах глубиной в несколько километров, поскольку на такую глубину не долетит ни одна другая частица, которая могла бы вызвать реакцию в ванне с жидкостью или другим материалом, используемым в качестве детектора. Подобные устройства предназначены для того, чтобы создать с их помощью нейтринную картину Солнца. Картина получается не слишком подробной – всего несколько точек – и то при условии, что Земля в этот момент обращена к Солнцу противоположной стороной.
Самым мощным детектором нейтрино является обсерватория «IceCube» на Южном полюсе. В этом удивительном сооружении, построенном в апреле 2011 года, в качестве вещества для детектора используется квадратный километр льда, а обнаруживающая аппаратура находится на глубине 2,5 километра и фиксирует крошечные вспышки, когда какой-нибудь из нейтрино сталкивается с атомом находящегося наверху льда. Лед выполняет функции не только детектора, но и препятствия для других частиц, которые могли бы давать ложные вспышки. Есть что-то завораживающее в мысли о том, что крошечные искорки в толще антарктического льда – это следы нейтрино, родившихся в ходе ядерных реакций в далеком космосе.
Нейтрино, за которыми не может угнаться даже свет
Уже упомянутое открытие, сделанное в ЦЕРНе, вероятнее всего, окажется бурей в стакане воды. В эксперименте (который не имеет ничего общего с работой на Большом адронном коллайдере) нейтрино посылались на расстояние 732 километра. В конце данной дистанции было зафиксировано несколько нейтрино. При этом оказалось, что они прибыли к точке назначения на 0,00000006 секунды раньше, чем должны были. Самой вероятной причиной данного феномена является неправильное измерение расстояния. К моменту написания этой книги указанный результат не был повторен ни в одной другой лаборатории.
Но даже если измерения были проведены верно, то следующим по степени вероятности объяснением могло бы быть то, что нейтрино просто нарушают установленные правила. Неправильно утверждать, как это делали авторы многих статей в то время, что современная физика исходит из постулата, будто ничто не может двигаться быстрее скорости света. Специальная теория относительности говорит, что такого, скорее всего, не может произойти, но возможность преодоления этого барьера все-таки существует. Более того, уже было проведено несколько успешных экспериментов, в которых частицы двигались быстрее скорости света.
Этот феномен является следствием известного в квантовой механике туннельного эффекта. Один из необычных аспектов квантовой физики заключается в том, что нельзя абсолютно точно сказать, где именно находится данная частица. Существует лишь вероятность ее местонахождения в той или иной точке. Это значит, что частицы при определенных условиях могут «перепрыгивать» через препятствие, не пересекая пространство, которое оно занимает.
Это звучит странно и непривычно, но именно таков принцип существования нашего Солнца (и любой другой звезды). Для того чтобы началась реакция термоядерного синтеза, необходимо максимально близко подвести друг к другу положительно заряженные протоны. Но даже колоссальной температуры и давления внутри Солнца не хватит, чтобы запустить такую реакцию. Тем не менее она происходит, но только благодаря тому, что каждую секунду миллиарды частиц туннелируются через барьер взаимного отталкивания и сливаются.
Схема, демонстрирующая действие туннельного эффекта
Тот же самый туннельный эффект используется и для того, чтобы заставить частицу двигаться быстрее света. Все дело в том, что, преодолевая барьер, частица не пересекает занимаемое им пространство. Вместо этого она исчезает по одну сторону барьера и в то же мгновение появляется по другую сторону. Представьте себе, что фотон проходит 1 сантиметр со скоростью света, затем туннелируется через барьер протяженностью 1 сантиметр и после этого проходит еще 1 сантиметр со скоростью света. В результате он проходит общую дистанцию со скоростью 1,5с (с – скорость света).
Я не утверждаю, что это произошло в эксперименте с нейтрино, но могу себе представить, что причиной могло быть нечто похожее. И это не означает краха специальной теории относительности даже в том случае, если эксперимент был проведен корректно и в его результаты не закралась ошибка (что наиболее вероятно). Теория относительности подвергалась проверке не один раз, и каждый раз доказывала свою состоятельность.
Как бы то ни было, нейтрино в обозримом будущем не войдет в арсенал медиков для исследования нашего тела, хотя такие обсерватории, как «IceCube», представляют большой интерес для астрономов. И все же в исследованиях Вселенной, как и в изучении нашего тела, главную роль играет свет – основной инструмент изучения ближнего и дальнего пространства. Наше тело прекрасно владеет этим инструментом.
4. Свежим взглядом
Ваши глаза – это самое замечательное устройство для восприятия окружающего мира. А связь между вами и всей остальной Вселенной обеспечивается с помощью света. В этой главе мы попробуем понять, что и на каком расстоянии вы можете увидеть своими глазами. Выйдите ясной ночью из дома и взгляните на небо. Просто пять минут посмотрите на звезды. Если у вас есть время, возьмите стул и понаблюдайте за звездами немного дольше. На первый взгляд в них нет ничего необычного, но их созерцание – одно из самых ярких и захватывающих событий в жизни.
Пояс Ориона
Давайте, к примеру, взглянем на созвездие Ориона (оно хорошо видно во всем мире с ноября по февраль, а во многих странах и круглый год).
Созвездия – это вотчина астрологов. Для науки они не имеют никакого значения, если не считать, что с их помощью легче находить на небе нужные звезды. Наш мозг приучен познавать мир в образах. Мы постоянно ищем знакомые образы и порой находим их даже там, где их нет. Такие созвездия, как Орион, Кассиопея и Южный Крест, буквально бросаются в глаза, так как их привычные очертания легко распознаются мозгом.
Лишь немногие люди способны разглядеть в созвездиях очертания классических персонажей, в честь которых они названы. Например, Орион – это мифологический охотник, держащий в руках дубинку. Однако общее очертание созвездия весьма узнаваемо, в частности, по трем близко расположенным звездам, образующим прямую линию. Это пояс Ориона.
Созвездие Ориона
Как уже было сказано, созвездия как таковые имеют значение для астрономов лишь с точки зрения ориентации на небе и присвоения звездам названий. Сами же их очертания – это в значительной мере иллюзия. Звезды, принадлежащие к одному созвездию, могут находиться на огромных расстояниях друг от друга. В частности, средняя звезда пояса Ориона находится от нас вдвое дальше, чем большинство других звезд созвездия, но мы этого не замечаем.
Звезды получают свои имена в соответствии с системой, которая впервые была представлена в 1603 году в звездном атласе немецкого астронома Иоганна Байера. Каждая звезда в созвездии имеет название, состоящее из двух частей. Первая часть представляет собой букву греческого алфавита, а вторая – название созвездия в родительном падеже. Теоретически алфавитный порядок звезд должен соответствовать их яркости, но Байер не всегда придерживался этого правила. Так, например, три звезды в поясе Ориона официально именуются дельта Ориона, эпсилон Ориона и дзета Ориона. Принцип яркости здесь нарушен. Звезды просто перечислены в алфавитном порядке с севера на юг.
Звезды, не входящие в состав созвездий, обычно получают скучные имена, состоящие из букв и цифр. Чтобы еще больше запутать ситуацию, самые известные звезды получают «клички», которые зачастую более известны, чем имена, приведенные в системе Байера. Так, например, самая яркая звезда Ориона (и шестая по яркости на всем звездном небе), находящаяся в правом нижнем углу созвездия, носит официальное название бета Ориона, но более известна как Ригель.
Точно так же вторая по яркости звезда, альфа Ориона (в верхнем левом углу), больше известна как Бетельгейзе. Она тоже входит в десятку самых ярких звезд и имеет выраженный красноватый оттенок. Бетельгейзе – громадная звезда. Если бы она занимала место Солнца, то доходила бы почти до орбиты Юпитера.
Но раз уж мы обратили внимание на Орион, я хочу, чтобы вы взглянули на среднюю звезду пояса – эпсилон Ориона, известную также как Альнилам. Настало время потренировать свои глаза.
Если вы никогда внимательно не смотрели на ночное небо, то, вероятно, не замечали, что некоторые звезды (и, по крайней мере, одна планета) отличаются по цвету. В следующий раз, когда небо будет ясным, найдите пару минут, чтобы внимательно рассмотреть звезды. Через некоторое время ваши глаза станут более чувствительными и вы заметите, что некоторые звезды имеют красноватый оттенок, а некоторые – голубой. Если вы увидите очень яркую звезду выраженного красного цвета, то это, скорее всего, не звезда, а планета Марс.
Альнилам – самая удаленная от нас звезда Ориона, поэтому мы не замечаем, что это чрезвычайно яркий голубой гигант. Альнилам очень молод по звездным меркам. Его возраст всего около четырех миллионов лет (для сравнения: нашему Солнцу уже 4,5 миллиарда лет). Он расположен в 1340 световых годах от Земли.
Взгляд в прошлое
Как уже было сказано, световой год – это дистанция, которую свет проходит за год. С учетом того, что скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, это очень большое расстояние. Альнилам находится от нас примерно в 12 686 155 200 000 000 километрах. Сравните это с максимальным расстоянием, на которое человек отдалялся от Земли в ходе полета на Луну (каких-то 385 тысяч километров), и поймете, что на Альнилам мы полетим еще очень не скоро. Однако вы можете просто открыть глаза и без всяких вспомогательных средств увидеть объект, удаленный от вас на 12 686 155 200 000 000 километров. Ваши глаза – поистине чудесный инструмент исследований.
При взгляде на созвездие Ориона на ум приходит еще одно необычное обстоятельство. Поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, мы видим звезды такими, какими они были, когда испускали этот свет, а не такими, какие они сейчас. Поскольку главные звезды Ориона находятся на разном расстоянии от нас, мы наблюдаем их в разное время прошлого. Альнилам, например, мы видим таким, каким он был 1340 лет назад, то есть в VII веке. Подумать только, как многое изменилось на Земле, пока до нас шел свет от Альнилама!
Волна или частица?
Давайте проследим за светом Альнилама со времени его зарождения до того момента, когда его обнаружил наш глаз. Свет состоит из крошечных нематериальных частиц энергии, называемых фотонами. Вероятно, в школе вам рассказывали, что свет имеет волновую природу. Его удобно рассматривать в виде волны, потому что фотоны в ряде случаев ведут себя так, словно действительно являются частью волны. И все же луч света от Альнилама – это поток фотонов.
Когда мы говорим о длине волны или частоте света, то имеем в виду только уровень энергии фотонов. Данная характеристика воспринимается глазом как цвет и говорит о том, к какой части электромагнитного спектра принадлежат фотоны. Этот спектр простирается от радиоволн, микроволн и видимого света до излучений высоких энергий типа рентгеновских и гамма-лучей.
Причина, по которой фотоны ведут себя как волны, заключается в том, что им присуща такая характеристика, как фаза, которая циклически меняется. Представьте себе, что к каждому фотону прикреплены крошечные часы, стрелка которых очень быстро совершает оборот на 360 градусов. В любой данный момент времени эта стрелка (фаза) указывает в определенном направлении, которое соответствует положению фотона на воображаемой волне.
Из сердца звезды
Фотоны, которые достигают ваших глаз, промчавшись сквозь пространство космоса, зарождаются в сердце звезды в процессе реакции термоядерного синтеза. В такой звезде, как Солнце, ядра двух атомов водорода сливаются и образуют ядро следующего по тяжести элемента – гелия. При этом теряется небольшая часть массы, которая превращается в энергию в соответствии с самой знаменитой физической формулой Е = mc.
Приведенная формула демонстрирует нам, насколько велика эта энергия. Символ «с» в этом уравнении, возведенный в квадрат, соответствует скорости света. Таким образом, из крошечной массы мы получаем огромное количество энергии, которая излучается в виде фотонов (и других частиц) в центре звезды. Практически мгновенно фотоны сталкиваются с другими частицами и поглощаются ими, в результате чего излучаются другие фотоны. Этот процесс повторяется вновь и вновь по мере того, как свет постепенно пробивается к поверхности звезды. Могут пройти миллионы лет, прежде чем фотон в конце концов покинет Солнце.
В Альниламе этот процесс выглядит немного иначе, поскольку протекает с такой интенсивностью, что весь водород там, вероятно, уже выгорел, и звезда производит другие элементы, но конечный эффект остается тем же. После серии реакций в глубинах звезды, в ходе которых фотоны непрерывно излучаются и поглощаются, один из фотонов в конце концов достигает поверхности и покидает ее. После миллиардов столкновений его энергия в этот момент намного ниже, чем изначальная. Если в момент зарождения энергия фотона была в диапазоне гамма-лучей, то теперь она снижается до видимого спектра света. Именно в таком виде он и улетает в пространство.
Звездный путь длиной в 1340 лет
Как только фотон покидает поверхность звезды, его уже ничто не может остановить, если только он не будет чем-то уничтожен. Свет должен двигаться с определенной скоростью, в противном случае он просто не может существовать. Итак, он летит в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Подавляющее большинство фотонов, излучаемых звездой Альнилам, никогда не достигнет Земли. Однако очень незначительная часть, включая и фотон, за которым мы пристально следим, движется строго в нашем направлении.
На протяжении 1340 лет этот фотон пересекал пространство и вот, наконец, вошел в атмосферу Земли. Если ему повезет, его не поглотит ни одна из молекул воздуха. А такая печальная судьба грозит многим фотонам. Именно поэтому космический телескоп «Хаббл», установленный на спутнике, может делать куда более качественные фотографии, чем наземные телескопы. Воздух в земной атмосфере поглощает некоторую часть света. Хотя молекула воздуха в конечном счете все равно испустит поглощенный фотон, она необязательно направит его в том же направлении. Поэтому свет в воздухе рассеивается, а те фотоны, которые продолжают движение в нашем направлении, немного сбиваются с пути, из-за чего возникает впечатление, будто звезда слегка колеблется и мерцает.
Наконец фотон достигает вашего глаза. Возможно, это тот же самый фотон, который покинул Альнилам 1340 лет назад. Все это время он летел в космосе только для того, чтобы исчезнуть, попав в ваш глаз. Если вы носите очки, он прекратит свое существование чуть раньше. Когда фотон проходит через такое вещество, как стекло, он может неоднократно поглощаться и излучаться повторно. Но даже если вы не носите очков, то это будет уже не тот же самый фотон, так как процесс поглощения и повторного излучения будет совершаться уже в вашем глазу. И все же процесс будет запущен именно тем фотоном, который 1340 лет летел до вас от Альнилама.
Искажающая линза
В конце концов фотон попадает на сетчатку, находящуюся на задней стенке глаза. Вместе с многими другими фотонами он будет сфокусирован на маленьком пространстве сетчатки с помощью инзы, которая находится в глазу. Как и во всех оптических устройствах, работа этой линзы основана на отклонении луча света при переходе из одной среды в другую. Это явление называется преломлением света.
Наполните прозрачный стакан водой на две трети (лучше, если у стакана будут вертикальные стенки) и поместите туда карандаш так, чтобы он стоял в стакане под наклоном. Посмотрите на то место, где он входит в воду. Создается впечатление, что в этой точке карандаш слегка изогнут и в месте входа в воду его положение становится почти вертикальным. Искажение не слишком велико, но вполне заметно. Это результат преломления света при переходе из воздуха в воду. То же самое происходит при его переходе из воздуха в стекло, например в линзу.
Традиционно этот феномен объясняют тем, что свет замедляется, переходя в более плотную среду, например в стекло линзы (или, в данном случае, в воду). Согласно закону сохранения энергии, при этом переходе возрастает частота, то есть волны следуют друг за другом чаще. Если вы представите себе широкий пучок света, попадающий на стекло под углом, то часть пучка, проникающая в стекло, должна увеличить частоту, а та часть, что еще находится в воздухе, сохранит прежнюю частоту. За счет этого происходит искривление волн.
Квантовая теория подходит к проблеме света и материи совершенно иначе. В соответствии с ней фотон может избрать любой из возможных путей, но с разной вероятностью. При прохождении по избранному пути он сохраняет уже упомянутое нами свойство изменения фазы с течением времени. Поскольку пути у каждого фотона разные, то и фаза при входе в стекло у каждого из них будет разной.
Чтобы понять, что происходит в действительности, необходимо произвести сложение всех фаз. Какие-то из них окажутся противоположно направленными и взаимно компенсируют друг друга. Останутся те фазы, которые ориентированы примерно в одном направлении – на путь, который потребует от фотонов минимального времени на прохождение. Хотя в принципе каждый фотон может избрать любой из потенциальных путей, на практике он ленив и пойдет по самому быстрому. Возможно, вы подумали, что это будет кратчайшая дистанция, то есть прямая линия, но ваш навигатор в автомобиле частенько доказывает, что лучше иногда сделать крюк по пустым дорогам, чем избрать прямой маршрут и потом торчать в пробках в центре города.
Принцип спасателя
Переходя из воздуха в воду или стекло, свет ведет себя так же, как спасатели на пляже. Представьте себе такого спасателя в красном жилете, который замечает, что кто-то тонет. Первое побуждение, которое возникает в таких случаях, – бежать к утопающему по прямой линии. Но это не самый быстрый путь. Лучше пробежать некоторое расстояние вдоль берега до того места, откуда плыть будет короче. Ведь бежать по земле всегда быстрее, чем плыть по воде. Общая дистанция при этом несколько увеличивается, но человек, терпящий бедствие, получит помощь быстрее.
То же самое происходит, когда свет переходит из менее плотной среды в более плотную (например, стекло или воду). Поскольку свет в стекле движется медленнее, он сможет попасть к месту назначения быстрее, если сначала проделает лишнюю часть пути по воздуху, а затем пройдет более короткую дистанцию в стекле. Это и есть «принцип спасателя», который экономит время на дорогу.
Во всех этих рассуждениях мы исходим из предположения, что скорость света в стекле замедляется. Но замедлить ее не так-то просто. На самом деле свет в любой среде должен двигаться с одинаковой скоростью. В противном случае он просто прекратит существование. Квантовая теория объясняет, почему такое замедление все же происходит. Фотоны постоянно взаимодействуют с материей, особенно с электронами, находящимися на периферии атомов. При слишком сильном сближении электрон поглощает энергию фотона и тем самым повышает уровень своей энергии.
Правда, в этом случае электрон обычно становится менее стабильным. Он с легкостью перескакивает в прежнее энергетическое состояние и излучает новый фотон. Возможно, этот фотон полетит в том же направлении, а может, совершенно в другом. В большинстве случаев в прозрачной среде реэмиссия фотона осуществляется в прежнем направлении, и прямолинейность движения света сохраняется. Но на поглощение и реэмиссию тратится определенное время. В связи с этим скорость света замедляется.
В непрозрачном веществе вторичные фотоны испускаются не в том направлении, в котором двигались прежде. Именно эти фотоны попадают в наши глаза, и в результате мы видим объект. Мы привыкли считать, что свет отражается от предметов, словно мяч от стенки, и попадает к нам в глаза. На самом деле он поглощается предметом и излучается повторно. Большинство объектов лучше поглощают свет определенной части спектра (превращая его в тепло). В зависимости от того, какую часть спектра объект поглощает и какую испускает, мы можем видеть его цвет. Например, если объект поглощает все цвета радуги, кроме красного, мы видим его красным.
Взгляд сквозь чечевицу
Поскольку линза, в том числе и та, что имеется в нашем глазу, по форме напоминает зерно чечевицы (само слово «линза», кстати, происходит от латинского lет – чечевица), пучок света, преломившийся в месте входа, проходит сквозь нее и повторно преломляется в точке выхода. Изогнутая поверхность линзы приводит к тому, что фотоны, летевшие первоначально в разных направлениях, собираются в одну точку. Если говорить о линзе, находящейся в передней части нашего глаза, то она фокусирует изображение отдаленных предметов на сетчатке, благодаря чему мы можем их видеть.
Однако у линз есть одна проблема: они по-разному реагируют на разные цвета. Степень преломления света зависит от его цвета. Именно по этой причине луч белого света, прошедший через призму, дает на выходе радужный спектр. В двояковыпуклой линзе синий цвет отклоняется чуть сильнее остальных, а красный, наоборот, чуть слабее. В результате изображение, полученное с помощью такой линзы, будет искажено за счет размытого радужного обрамления по краям.
Обычно эту проблему решают, добавляя к двояковыпуклой линзе корректирующую двояковогнутую или используя вместо линзы зеркало. Изогнутые зеркала тоже фокусируют лучи света, идущие с различных направлений, но при этом не проявляют избирательности по отношению к цветам.
Отчасти именно поэтому почти во всех астрономических телескопах используются не линзы, а зеркала. Такие телескопы (рефлекторы), кроме того, значительно короче, чем рефракторы, построенные на основе линз и имеющие такую же степень увеличения.
Затемненное зеркало
Как и в случае с непрозрачными объектами, отражение света от зеркала совершенно не похоже на отскок мяча от стенки, если взглянуть на этот процесс с точки зрения квантовой теории. Попадая на поверхность зеркала, фотон может отразиться от него под любым случайным углом. (Слово «отразиться» я использую здесь только для краткости. Не забывайте, что фотоны не отражаются. Каждый фотон сначала поглощается зеркалом, а потом испускается вновь, но конечный эффект выглядит так, словно происходит отражение.)
Представьте себе луч света, попадающий на зеркало, и отражающийся от него в ваши глаза. В соответствии с квантовой теорией он не попадает в центр зеркала и не отражается затем под тем же углом в ваши глаза, как рисуют на картинках в школьных учебниках. Фотоны имеют возможность с разной вероятностью избрать любой возможный путь и попасть на любой участок зеркала, а затем под самыми разными углами отразиться от него и, возможно, попасть в ваш глаз. При этом каждый фотон обладает фазой, меняющейся с течением времени. Если сложить вместе все вероятности путей, которые могут избрать фотоны, и фазы, которые они имеют на протяжении пути, то большинство из них окажутся взаимоисключающими. В конечном итоге останется только путь, по которому свет может пройти за наименьшее время. Обычно при этом угол падения света на зеркало равен углу отражения.
Отражение света от зеркала с нанесенными темными полосами
Но если все остальные вероятности взаимно компенсируют друг друга, то это еще не означает, что их не существует. И вы можете в этом убедиться. Если вы чем-нибудь закроете зеркало, оставив открытым только небольшой участок в середине, то, естественно, не сможете получить отражение от закрытой поверхности. Но нанесите на открытый участок тонкие темные полосы, и вы увидите то, чего не должны были бы видеть, если бы свет отражался под «правильным» углом. Дело в том, что эти полосы помогают увидеть и другие пути фотонов, чьи фазы ориентированы в одном направлении.
Но даже если вам не охота самим возиться с нанесением полос на зеркало, вы все же сможете увидеть отражение под необычным углом, вызванное квантовым эффектом. Видимый белый свет представляет собой смесь различных цветов, каждый из которых при попадании на полосатое зеркало должен отражаться под разным углом. И такое зеркало есть практически у каждого из вас. Это компакт-диск. Поверните его к себе зеркальной стороной и слегка наклоните по отношению к источнику света. Радужный узор, который вы увидите, объясняется рядами бороздок на поверхности, которые позволяют выборочно отражаться только фотонам, пути которых имеют определенную вероятность. В результате различные участки спектра отражаются по-разному и под неожиданным углом.
Искаженные цвета
Зеркала прекрасно фокусируют свет, не разлагая его на составляющие цвета, но ваш глаз не смог бы работать, если бы в нем вместо линзы было зеркало. Устройство глаза таково, что зеркало не сможет направить лучи света от Альнилама (или любого другого объекта) на воспринимающую поверхность. Поэтому глаз вынужден использовать линзу, а это значит, что неизбежна хроматическая аберрация (цветовое искажение). Если бы вы могли видеть подлинное изображение, которое создается линзой в глазу, то оно имело бы окантовку из радужных полос по краям. Однако, как мы увидим ниже, мозг старается создать из поступающих сигналов наилучшее из возможных изображений, поэтому «исправляет» его, устраняя попутно и аберрационный эффект.
Это значит, что, используя различные цветовые сочетания на картине, мы можем создать иллюзию трехмерности изображения или, скажем, эффект, который будет создавать дискомфорт для зрения. Например, красные буквы на синем фоне вызывают неприятные ощущения при чтении. Такой ярко выраженный цветовой контраст вызывает сильную хроматическую аберрацию, и мозг с трудом справляется с устранением этого эффекта.
Отличный пример того, как мозг оказывается неспособным справиться с сильной хроматической аберрацией, вы можете увидеть на сайте www.universeinsideyou.com. Выберите на странице раздел Experiments и в нем тему The lenses of your eyes. Там вы увидите два варианта написания слова «Illusion». Даже трудно понять, почему эти изображения вызывают у вас неприятное чувство, но все дело в том, что мозг изо всех сил старается справиться с чрезвычайно сильной цветовой аберрацией.
В связи с этим, кстати, интересно упомянуть, что вы не способны видеть свет как таковой. Подобное утверждение может показаться противоречащим всякой логике, но я имею в виду, что увидеть свет так, как, например, дерево или собаку, невозможно. Свет, попадающий на сетчатку глаза, со здает зрительный образ. Да, вы видите предметы, когда они излучают или отражают свет и его фотоны взаимодействуют с вашими зрительными рецепторами. Но вы не способны видеть свет, проходящий мимо вас.
И это хорошо. Пространство вокруг вас заполнено светом и другими невидимыми формами электромагнитного излучения. Солнечный и искусственный свет, радиоволны, сигналы мобильных телефонов и других беспроводных средств связи – все это, по сути, одна и та же разновидность энергии. Если бы все эти потоки были видимыми, то мы вообще ничего не смогли бы разглядеть в этой мешанине. Если вы направите луч света в черную трубу и посмотрите внутрь через окошко, вырезанное в ее стенке, то ничего не увидите. Луч, проходящий внутри трубы, невидим. Его можно увидеть лишь в том случае, если что-то внутри трубы будет его рассеивать (например, дым, который используется во всевозможных лазерных шоу).
Ловля фотонов
На задней стенке глазного яблока располагается сетчатка – своеобразный экран для восприятия света. Именно на нее проецируется изображение Альнилама, когда вы смотрите на ночное звездное небо. Этот экран покрыт сетью, состоящей примерно из 130 миллионов крошечных сенсоров, имеющих две формы – палочек и колбочек. Палочки воспринимают только черно-белое изображение. Их насчитывается порядка 120 миллионов, и они значительно чувствительнее, чем три вида колбочек, которые воспринимают цвет. При слабой освещенности колбочки вообще не работают. В этих условиях мы видим окружающую действительность черно-белой. Не только дети, но и многие взрослые отказываются верить в это, пока не убедятся на собственном опыте.
Если вы тоже сомневаетесь в неспособности глаза различать цвета при слабой освещенности, плотно зашторьте окна или дождитесь ночи. Посидите пару минут, чтобы глаза привыкли к темноте. Если вы вообще ничего не видите, включите ночник и накройте его покрывалом.
А теперь осмотритесь вокруг. Взгляните на свою одежду, кожу, окружающие предметы. Конечно, все выглядит немного не так, как в черно-белом кино, но цвета вы различить не сможете. Если цвет вам все-таки виден, значит, света еще слишком много. Уменьшите освещенность до такого уровня, чтобы очертания предметов были едва различимы, и попробуйте еще раз.
При цветном зрении используются комбинации трех первичных цветов – красного, синего и зеленого, из которых можно скомпоновать все остальные цвета. Возможно, вам приходилось слышать, что основными цветами являются синий, красный и желтый, но на самом деле это упрощенная версия для школьников, в которой речь идет о вторичных цветах – голубом, пурпурном и желтом, которые являются визуальными негативами первичных. Вторичные цвета используются для смешивания красящих пигментов, поскольку пигменты поглощают первичные цвета света.
Ночное зрение сильно отличается от цветного и регистрирует только уровень освещенности. Однако имеется и смешанный тип зрения (так называемая мезопия или сумеречное зрение), когда используются оба вида чувствительных элементов сетчатки. При этом возникают совершенно особые ощущения. Сумеречное зрение обладает необычными чертами. Пожалуй, именно этим объясняется тот факт, что в сумерках людям часто видятся призраки и другие визуальные феномены. Это как раз то время, когда зрение чаще всего обманывает нас, поскольку обе системы соперничают между собой, снабжая мозг визуальной информацией.
Цветовые колбочки сконцентрированы в центре сетчатки. Если же освещение слабое, то порой мы видим лучше, глядя на предмет не прямым, а боковым зрением. В этом случае изображение фокусируется на палочках, которых больше на периферии сетчатки. Похоже, наши глаза специально устроены таким образом, чтобы в темноте можно было боковым зрением заметить подкрадывающегося хищника. Три типа колбочек воспринимают, соответственно, красный, синий и зеленый цвета, хотя эти диапазоны у них в значительной степени перекрываются. Скорее, можно сказать, что их максимальная чувствительность настроена на один из цветов. Не у всех животных можно наблюдать такой набор светочувствительных элементов. Одни вообще не различают цветов. У других, в частности у собак, цветовое зрение сильно ограничено, так как у них в сетчатке только два типа колбочек.
Из глаза в мозг
Фотоны, прошедшие путь от Альнилама до вашего глаза, достигают наконец задней поверхности сетчатки (как ни странно, световые рецепторы глаза повернуты задом наперед и обращены не вперед, а назад, что может объясняться какой-нибудь эволюционной ошибкой). На поверхности каждого сенсора находятся специальные светочувствительные молекулы (фоторецепторы). Когда электроны этих молекул поглощают фотон, возникает слабый электрический импульс, который служит пусковым механизмом для отправки сигнала в мозг.
Перед передачей в оптический нерв сигналы комбинируются. Количество нервных волокон, подходящих к глазу, намного меньше, чем количество рецепторов, поэтому на одно нервное окончание поступают сигналы сразу от нескольких чувствительных элементов, что требует некоторой предварительной обработки сигналов. Как правило, нервы от правого глаза посылают информацию в левое полушарие мозга, и наоборот, однако некоторое количество нервных волокон не перекрещивается, поэтому часть сигналов от правого глаза обрабатывается правым полушарием параллельно с сигналами, поступившими от левого глаза. Перекрещивание нервных путей позволяет нам получать трехмерное изображение, а вот у птиц, к примеру, глаза в значительной степени работают независимо друг от друга и перекрещивание зрительных нервов выражено намного слабее.
До сих пор мы имели дело только с электрическими сигналами, посылаемыми в мозг. Затем мозг начинает обрабатывать эту информацию, используя набор модулей, отвечающих за различные аспекты зрения. Эти модули не ограничены какими-то определенными участками мозга, а имеют, скорее, функциональный характер. В их задачу входит фиксация движения, выделение деталей, определение формы, соотнесение с привычными визуальными моделями и т. п.
После первоначальной обработки данных мозг создает на их основе образ. Он конструирует ночное небо со звездой Альнилам в центре. Все это совершенно не похоже на фотографию. То, что вы «видите», – это образ, искусственно сконструированный мозгом на основе сигналов и их обработки. Можно даже сказать, что он менее реален, чем обычная фотография.
Искусственный образ мира
Такая искусственная природа зрения является причиной возникновения оптических иллюзий. Ваш мозг непрерывно конструирует образы такими, какими они, по его мнению, должны быть, а не такими, какими их видят глаза. Так, например, на сетчатку проецируется перевернутое изображение, но мозг переворачивает его с головы на ноги. Этот феномен можно доказать с помощью специальных очков, переворачивающих изображение. Уже через несколько часов мозгу это надоедает и он восстанавливает правильную ориентацию картинки. Даже в таких очках люди опять начинают все видеть нормально.
Еще один пример того, как мозг вас обманывает, – это способ, с помощью которого он устраняет слепое пятно. Часть вашей сетчатки в том месте, где к ней подходит зрительный нерв, не обладает чувствительностью, так как там отсутствуют сенсоры. Однако ваш мозг, совмещая информацию, поступающую от двух глаз, ликвидирует этот пробел в изображении. Точно так же, когда вы смотрите на звезду в ночном небе, вам кажется, что ваши глаза не движутся и взгляд устремлен в одну точку. В действительности же глаза непрерывно совершают мелкие, как бы ощупывающие движения.
Эти движения глаз помогают мозгу создать более детальную картину окружающего мира. Совершаются они очень быстро – быстрее, чем любой другой частью тела. Глаз при этом поворачивается на 10 градусов менее чем за 1/100 секунды. Если бы вы действительно наблюдали все то, что отображается на сетчатке, картинка была бы расплывчатой и скачущей, но мозг постоянно редактирует его и устраняет то, что необязательно нужно видеть.
Перед вами простой пример, позволяющий понять, каким образом ваш сложнейшим образом устроенный мозг может приходить к ложным выводам о форме и цвете предметов.
Все мы знакомы с тем, как должна выглядеть шахматная доска, а мозг хорошо разбирается в эффектах света и тени. Однако рисунок специально выполнен таким образом, чтобы ввести его в заблуждение. Вы совершенно отчетливо видите, что один из черных квадратов А в верхней части доски намного темнее, чем белый квадрат Б. На самом же деле оба квадрата окрашены в абсолютно одинаковый серый оттенок.
Это достаточно легко проверить, если согнуть страницу и совместить оба квадрата. Вы сами увидите, что их окраска совершенно одинакова. Если вы не хотите мять книгу, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Chessboard experiment. В видеоролике квадрат А сдвигается к квадрату Б и вы можете собственными глазами увидеть, что они имеют абсолютно одинаковый оттенок.
Оптическая иллюзия на шахматной доске
Квантовая реальность
Вы уже неоднократно слышали о том, что фотон, который пересек пространство, чтобы вы могли увидеть звезду, является квантовой частицей. Но что это на самом деле значит? В последнее время слово «квант» часто употребляется совершенно не к месту, особенно когда рекламируются какие-то новшества вроде «квантовой вибрационной терапии» или превозносится «квантовый скачок» в развитии какой-то отрасли. Это лишь создает путаницу в головах.
В физическом смысле квант – это мельчайшая возможная часть, самая крошечная порция чего-либо существующего. Как мы уже видели, первоначально это слово употреблялось по отношению к частице, которую позже назвали фотоном, но сегодня квантовая физика занимается изучением и других мельчайших частиц.
Когда в начале XX века в научной среде появилось понятие кванта, все очень быстро поняли, что это нечто очень странное и необычное, своего рода Страна чудес, где частицы ведут себя совсем не так, как более крупные объекты в привычном нам повседневном мире. Бросая мяч, мы можем предсказать, как он себя поведет (при наличии достаточной информации). Но когда мы имеем дело с местоположением или характером движения квантовой частицы, речь может идти только о вероятностях. Вероятность трансформируется в точные данные только в момент измерения.
Опыт Юнга
Пожалуй, самой яркой демонстрацией странностей квантового мира может служить эксперимент, который был проведен в начале 1800х годов Томасом Юнгом с целью доказательства волновой природы света. Для этого луч света направлялся через пару узких прорезей и затем попадал на экран, установленный на некотором отдалении. Вместо того чтобы высветиться на экране в виде двух ярких полос, он образовывал последовательность расплывчатых светлых и темных участков.
Опыт Юнга
Это рассматривалось как доказательство волновой природы света, так как пятна на экране представляли собой интерференционный узор. Когда две волны на поверхности воды сталкиваются под некоторым углом друг к другу, возникает характерный узор. Если в точке соприкосновения обе волны находятся в верхней точке, их фазы складываются, образуя дополнительный подъем. Если обе находятся в нижней точке, в месте соприкосновения образуется более глубокая впадина. Если же в момент соприкосновения одна волна находится в верхней фазе, а вторая – в нижней, они взаимно компенсируются, и в этом месте можно наблюдать ровную поверхность воды. Это и есть интерференция. Очевидно, свет в этом опыте вел себя так же: темные полосы на экране обозначали компенсацию фаз, а светлые – их сложение.
Такая интерференция была бы невозможна, если бы свет представлял собой поток частиц. Представьте себе поток мелких частиц, направляемых в стену с двумя прорезями.
Они просто пролетели бы сквозь щели в прямом направлении, не образуя никаких узоров. Но, как вы уже знаете, свет – это поток фотонов. Почему же происходит интерференция? К слову, даже если вы будете запускать фотоны через щель по одному, они все равно создадут интерференционный узор. С чем же они в таком случае взаимодействуют?
Вот тут-то и начинаются квантовые странности. Это происходит из-за того, что фотон проходит сквозь обе щели и интерферирует сам с собой! Вспомните, что квантовая частица может избрать любой возможный путь от А до Б, но с разной вероятностью Поскольку фотон не имеет точного местоположения, а только комбинацию вероятностей, он проходит через обе щели. Вероятность того, где он может быть найден, распределяется подобно волне, и именно эта вероятность создает интерференционный эффект частиц.
Если вы поставите специальные детекторы, которые будут определять, через какую именно щель прошел фотон, интерференционный узор исчезнет, а на экране появятся яркие точки, чего и следовало бы ожидать, если бы фотоны были просто частицами. При проведении измерений фотон вынужден занимать определенное положение в пространстве, а не распределяться по нему в соответствии с вероятностью, поэтому проходит только сквозь одну щель. Достаточно лишь обратить внимание на фотон, чтобы он полностью изменил свое поведение.
Неопределенность правит бал
Читать бесплатно другие книги:
