Думал ли французский конструктор Анри Жиффар, оснастивший в 1852 году воздушный шар двигателем с пропеллером, что его изобретение перевернет представление человечества о путешествиях над земной поверхностью? Вряд ли. Тем не менее идею управляемого полета на воздушном шаре подхватили энтузиасты во всем мире.

С началом XX века пальма первенства в дирижаблестроении перешла к Германии. Расцвет этой отрасли связан с аппаратами графа Цеппелина, имя которого стало нарицательным. Фердинанду фон Цеппелину было за 50, когда «безумный граф», как его прозвали в округе, вложил все свои средства в постройку дирижабля LZ-1 и эллинга (специального ангара для его сборки) на берегу Боденского озера. Цеппелин использовал идеи своих предшественников и разместил в оболочке дирижабля изолированные газовые секции, что обеспечивало большую безопасность. Даже если один или несколько баллонов теряли газ, воздушное судно могло оставаться на ходу, хотя и с потерей подъемной силы. Для управления помимо воздушных рулей служил подвижный свинцовый груз массой один центнер, перемещение которого создавало крен корабля. Другим новшеством были гондолы, прикрепленные непосредственно к оболочке без подвесных устройств.

Исторический полет состоялся 2 июля 1900 года. Когда команда солдат вывела дирижабль из ангара, толпа поразилась размерам гиганта: такой «кашалот» (128м длиной и 11,7м в диаметре) еще никогда не поднимался в воздух.

Через Атлантику за 43 часа

В течение нескольких лет последующих экспериментов Цеппелин совершенствовал конструкцию. Пригласив для увеличения мощности двигателей инженера Вильгельма Майбаха с завода Daimler, граф положил начало славной традиции — цеппелины стали оснащаться исключительно «Майбахами». Позднее моторное подразделение превратилось в отдельную фирму Maybach-Motorenbau, которая положила начало знаменитой автомарке.

Наконец граф получил одобрение от кайзера Вильгельма II, и вскоре цеппелины стали использоваться для пассажирских рейсов, а в 1910 году открылась первая в Европе регулярная воздушная пассажирская линия Фридрихсхафен — Дюссельдорф. К 1914 году за 1500 полетов было перевезено более 34 000 человек. На тех же дирижаблях доставлялась и почта. На конвертах при этом ставились особые штемпели, а некоторые страны даже выпустили специальные «дирижабельные» почтовые марки, за которыми сейчас охотится всякий уважающий себя филателист. В день 90-летия со дня рождения графа — 8 июля 1928 года — дирижабль LZ-127 был торжественно окрещен именем Цеппелина. «Граф Цеппелин» (объем 105 000 м3, длина 236 м) благополучно выполнил десятки рейсов над Европой и Атлантикой, в том числе и над Новой Шотландией, а в августе-сентябре 1929 года всего лишь с четырьмя остановками совершил первое кругосветное путешествие по воздуху. Корабль побывал и в Москве, где произвел посадку на Ходынском поле, а также осуществил арктическую экспедицию с остановками в Ленинграде и Архангельске. Все это казалось настоящим чудом и сулило новую эру в воздухоплавании.

В 1936 году самым большим дирижаблем в истории стал новый флагман германского воздушного флота «Гинденбург». Длиной «Гинденбург» в три раза превосходил современные самолеты (245 м), а по высоте равнялся 12-этажному дому (41,2 м), весил почти 100 тонн. Оснащенный четырьмя дизелями, он развивал скорость до 130 км/ч и был специально спроектирован для трансатлантических рейсов. Корабль оборудовали двухместными каютами, рестораном, пассажирским салоном и кухней. К услугам пассажиров были прогулочные палубы, библиотека, свежее питание, душ, курительная комната, бар и даже легкий кабинетный рояль. Уже в год своего создания «Гинденбург» поставил рекорд, совершив перелет через Атлантику за 43 часа. А за год, курсируя практически безостановочно, «Гинденбург» преодолел свыше 300 000 км, перевезя более 3000 пассажиров и десятки тонн грузов. Казалось, фрегат убедительно доказал возможность коммерческого применения дирижаблей.

6 мая 1937 года капитан корабля Макс Прусс поразил жителей Манхэт-тена рискованным маневром, практически вплотную подлетев к смотровой площадке небоскреба Эмпайр-стейт-билдинг. Наблюдатели были в восторге. А вечером того же дня при посадке в Лейкхёрсте, неподалеку от Нью-Йорка, буквально перед закреплением канатов корабль неожиданно взорвался и сгорел. Из 97 пассажиров и членов команды погибли 35 человек.

Эта катастрофа вкупе

с авариями американских дирижаблей-гигантов «Акрон» и «Макон» положила конец эре воздушных крейсеров. «Гинденбург» — самое большое воздушное судно, потерпевшее крушение, — стали называть небесным «Титаником».

Научная нефантастика

Интерес к дирижаблям вернулся в 60 -е годы XX века. Именно тогда родились новые мегапроекты: платформы с солнечными батареями, летающие авианосцы, атомные дирижабли. Так, в 1966 году широко обсуждался проект ядерного дирижабля, предложенный сотрудником Бостонского университета Фрэнсисом Морзе. Линкор длиной 299 м и диаметром 52 м был рассчитан на перевозку 400 пассажиров на скорости до 90 узлов. Морзе спроектировал три пассажирские палубы общей площадью 4000 м2, пять грузовых трюмов (более 2000 м3 каждый) и предусмотрел площадку для размещения 18 пассажирских аэропланов. 76-тонный аппарат должен был обеспечивать грузоподъемность 345 тонн.

В середине 70-х идея развилась в проект атомного дирижабля, который годами мог бы не опускаться на землю. Грузы, по мысли автора, доставлялись бы вертолетами, а на палубе, как у пассажирского лайнера, располагались бы каюты, прогулочная площадка и едва ли не целые тенистые сады. Особо стоит отметить заявленное назначение — летающий дом отдыха. Идея, впрочем, осталась невоплощенной — из-за того что ядерные силовые установки оказались слишком тяжелы и громоздки для воздухоплавания.

Понятно, что 40 лет назад это было утопией, но не сегодня. Сейчас специалисты вполне серьезно рассуждают о перспективности атомных дирижаблей в сравнении с аппаратами на бензине или проектами на солнечных батареях.

Другие гиганты — стратосферные дирижабли, задуманные для полетов на высотах до 20 км как альтернатива космическим спутникам слежения и связи, — 30 лет оставались на бумаге. В последние годы с появлением новых материалов и инженерных решений несколько «стратолетов» дошли до стадии испытаний прототипов. Они разрабатываются в США, Японии, Великобритании, Израиле и ряде европейских стран.

В России созданием стратосферной беспилотной платформы занимается Долгопрудненское КБ автоматики (бывший «Дирижаблестрой»). В числе других российских разработчиков аэростатов и дирижаблей также компании «НПО РосАэроСистемы» и «ЛокомоСкай».

Каждое из предприятий имеет свои интересные проекты, но им предстоит еще долгий путь к созданию моделей, и лишь после этого можно будет говорить о запуске опытных образцов и серийном производстве.

Новейшие тяжеловозы

В конце 2010 года НАСА заключило контракт с американской компанией E-Green Technologies на использование самого большого на сегодня в мире гелиевого мягкого (то есть без жестких конструкций внутри баллона) дирижабля Bullet 580. Чтобы надуть «толстяка» на крытом стадионе Garrett Coliseum в Алабаме, потребовалось шесть часов. Производители отмечают, что кожа блимпа (так в англоязычном мире называют мягкие дирижабли) из кевлара прочнее стали — несмотря на толщину всего 1,6 мм. Bullet 580 способен развивать скорость до 74 км/ч на высоте до 6000 м. В этом году планируется завершить испытания и помимо прочего использовать дирижабль в программе по эффективному мониторингу штормов и ураганов.

Bullet 580 уже переехал на историческую базу Моффет-Филд в Калифорнии, где в свое время специально для 239-метрового «Макона» был построен «ангар номер один», и снаряжается необходимым оборудованием.

В подмосковном Долгопрудном тоже восстанавливается эллинг высотой 36 м, несущие конструкции которого были изготовлены на заводах Круппа еще в начале прошлого века. К 2013 году все работы планируется завершить, тогда и для отечественных «левиафанов» будет готова «конюшня» — в нашей стране немало замечательных конструкторов и разработок. А пока наш бывший соотечественник Игорь Пастернак реализует полученные им знания в США, успешно строя и продавая дирижабли своей конструкции. В 2010 году «Уоллстрит Джорнел» назвал его в числе пяти инноваторов в области транспорта — а это чего-нибудь да стоит.

Воздушные платформы могут использоваться в военных целях, для перевозок крупногабаритных грузов в отдаленные районы, эвакуации людей из труднодоступных мест. Вариантов применения много, и проекты воздушных тяжеловозов плодятся как грибы. Так, концерн Boeing еще в 2008 году объявил, что берет под крыло полудирижабль-полувертолет SkyHook JHL-40. По планам первый «вертостат» грузоподъемностью до 50 тонн должен был взлететь уже в следующем году, но из-за недостатка финансирования (требуется 200-250 миллионов долларов) старт откладывается на 2015-й.

Но любимый поставщик Пентагона, похоже, все же компания Lockheed Martin. Помимо прочего LM разрабатывала амбициозный проект «летающего острова» в рамках программы Skunk Works. В недавнее время уверенно прошли испытания прототипа Р-791. Аппарат разгонялся до скорости 150 км/ч и легко разворачивался на 180°, притормаживая до 40 км/ч. Плюс к этому, благодаря встроенной «воздушной подушке», садился на необорудованные посадочные площадки.

Тем не менее всех обскакала британская темная лошадка — Hybrid Air Vehicles Ltd. Именно ее платформу размером с футбольное поле будет использовать корпорация Northrop Grumman для разработки «летающей крепости» в рамках выполнения заказа армии США. Первый полет запланирован на начало осени. Аппарат, как заявляется, предназначен для решения задач тактической разведки. Беспрерывный полет в течение 21 дня на высоте до 7 км должны обеспечить четыре 350-сильных дизельных двигателя и 13 000 л топлива. Сумма контракта на постройку трех аппаратов составила 517 миллионов долларов.

Другой амбициозный проект нацелен ни много ни мало в космос. Его разрабатывает компания Bigelow Aerospace, принадлежащая магнату Роберту Бигелоу из Лас-Вегаса. Несколько лет назад Бигелоу заключил с приятелем пари на полмиллиарда долларов, что до 2015 года его частный космический отель Nautilus-X примет первых постояльцев.

Концепция отеля основывается на заброшенном НАСА проекте надувного космического блока для МКС. И менеджеры Bigelow Aerospace, не сомневаясь в успехе предприятия, уже сейчас объявляют стоимость месячного пребывания в орбитальной гостинице — 15 миллионов долларов. А еще поговаривают о возможности использования дирижаблей на Марсе и Венере… Ясно одно: такие мегапроекты немыслимы без государственной поддержки, и мыльные пузыри гигантских размеров лопаются едва ли не чаще, чем надуваются. Но в игре для многих, как известно, главное — не результат, а участие.

Эта малопонятная широкому читателю наука играет ведущую роль в экологической политике двадцать первого века. Автор книги, авторитетный американский геолог Оррин Пилки, доступным языком разъясняет суть парникового эффекта и его последствий.

В отдельных главах рассказывается о том, как владельцы промышленных предприятий, политики и лояльные к ним журналисты целенаправленно пытаются посеять в обществе сомнения в точности данных климатологов.

Автор сравнивает эти информационные кампании с попытками табачных фирм скрыть данные о вреде курения.

В заключение Пилки скептически оценивает эксперименты по стабилизации климата с помощью так называемого «геоинжиниринга» — искусственного воздействия на окружающую среду.

Его вывод однозначен: спасти планету удастся только в том случае, если все государства мира в самое ближайшее время договорятся о резком сокращении выбросов парниковых газов.

Когда-то в Нюрнберге существовала особая воронка, через которую можно было «вливать» знания прямо в голову, говорится в одном средневековом немецком предании. Это фантастическое приспособление, конечно, не сохранилось до наших дней. Но в будущем в продаже могут появиться его современные аналоги — электронные чипы памяти для мозга.

Группа исследователей под руководством Теодора Бергера и Сэма Дедвайлера из южнокалифорнийского университета и университета Уэйк-Форест (США) записала электрические импульсы, которые испускал мозг подопытных крыс в процессе обучения. Чтобы получить вознаграждение, животные должны были нажать в определенной последовательности на два рычага. Сигналы регистрировались с помощью 32 имплантированных в мозг электродов и сохранялись на компьютере.

Затем исследователи вживили в мозг другой крысе чип, посылавший записанные электрические импульсы. К их удивлению, «чипированная» крыса справилась с тестом на обучаемость быстрее своих предшественниц, словно ей в мозг перенесли их память.

В перспективе эту технологию можно будет использовать в лечебных целях. Например, для улучшения или восстановления памяти у пожилых пациентов. Но до этого пока далеко. Чем сложнее комбинации мозговых импульсов (а у человека они намного сложнее, чем у крыс), тем труднее определить их конкретную информационную и функциональную нагрузку.

Поэтому в будущем ученые планируют протестировать такие имплантанты на обезьянах, которые ближе к человеку по строению и по степени сложности головного мозга.

Немецкий физик Штефан Хелль, лауреат премии Кёрбера за вклад в развитие европейской науки гон года, разработал световой микроскоп с разрешением всего 15 нанометров. Это удалось сделать благодаря сужению «фокуса» микроскопа, что позволило уменьшить размер пикселей оптической проекции и пропорционально увеличить разрешение. Сужение фокуса достигается за счет особого ухищрения. Свет одного лазерного излучателя падает на исследуемый образец, подкрашенный органическими флуоресцентными пигментами. Второй лазерный луч глушит излучение, исходящее от молекул вокруг освещенного участка. При этом используется эффект «подавления индуцированного излучения», открытый еще Эйнштейном. Благодаря этому в фокус попадает лишь одно крошечное пятнышко молекулярной пробы. Смещая фокус, можно шаг за шагом просканировать всю ее поверхность. Новая технология дает возможность наблюдать за процессами жизнедеятельности на молекулярном уровне. Например, за проникновением болезнетворных бактерий в клетки или за работой нейронов. Тогда как существующие электронные микроскопы с высокой разрешающей способностью позволяют изучать только мертвые клетки, поскольку образец в них помещается в вакуум.

Группа исследователей под руководством Салаха Суккарие из Австралийского центра прикладной робототехники при сиднейском университете разрабатывает прибор, который позволит значительно увеличить продолжительность полета планеров. Он представляет собой автопилот с системой датчиков, отслеживающих движение воздушных потоков. По этой «карте ветров» автоматически рассчитывается оптимальный маршрут для полета. Для разгона при полете используется техника динамического парения. Планер то поднимается, то опускается, лавируя между подвижными верхними и неподвижными нижними слоями воздуха. И за счет полученной кинетической энергии набирает вертикальное ускорение. Прототип подобного аппарата уже создан.

О мегаполисах говорят, что они засасывают человека, как трясина. Но до недавнего времени никто из археологов всерьез не предполагал, что болота могли быть колыбелью городской культуры. Считалось, что первые крупные поселения городского типа возникли в Месопотамии на берегах рек благодаря прогрессу в технологии земледелия и ирригации. По результатам аэрофотосъемки и исследования на юге современного Ирака археолог Дженнифер Пурнель из Университета Южной Каролины (США) пришла к другому выводу: «Остатки самых крупных и древних человеческих поселений обнаруживаются на заболоченных территориях». Очевидно, там можно было добыть больше пищи, чтобы прокормить массу компактно живущих людей.

По всей видимости, не составляет исключения и Эриду — самый древний город, известный науке. Он стоял на семи холмах в окружении болот неподалеку от бывшего устья Евфрата на берегу Персидского залива, который бооо лет назад примерно на 300 километров дальше вдавался в сушу. Согласно шумерской мифологии отсюда началась человеческая история. И действительно, примерно с четвертого тысячелетия до н. э. люди стали селиться в городах типа Эриду. Так что возникновение этого поселения стало отправной точкой шумерской цивилизации.

Местом зарождения письменности и первым мегаполисом в истории считается построенный позже город Урук. За 3400 лет до н.э. его население насчитывало 50 тысяч человек. Скорее всего, он тоже стоял на краю болота. Пурнель уверена, что значение болот долгое время недооценивали. В поисках костей домашнего скота и остатков ирригационных сооружений, которые считаются признаками городской культуры, археологи могли упустить из виду много древних поселений в некогда заболоченных районах, считает исследовательница.

В 1920-е гг. магистрант Гарвардского университета Клайд Килер (Clyde E. Keeler) обнаружил два удивительных факта, связанных с мышами, которых он разводил в своей мансарде. Во-первых, все потомство грызунов было полностью слепо. А во-вторых, их зрачки, несмотря на слепоту, все еще сужались в ответ на изменение освещенности в окружающем помещении, хотя и медленнее, чем у зрячих животных. Много лет спустя исследователи дополнили наблюдения Килера данными о том, что мыши, подвергшиеся модификации с помощью методов генной инженерии и таким образом лишенные зрительных рецепторов, обеспечивающих формирование изображения (палочек и колбочек), тем не менее реагировали на изменения освещенности переменой своих циркадных ритмов – «внутренних часов», которые регу-лируют гормональную активность, температуру тела и сон.

Животные демонстрировали при дневном свете обычные виды дневной активности и обычную ночную деятельность в ночной период. Они могли поддерживать такой режим, несмотря на то что их сетчатка была лишена фоточувствительных клеток, с помощью которых в глазах позвоночных формируется зрительная картина. Хирургическое удаление глаз лишило их этой способности. Данный феномен можно считать обычным для многих позвоночных, включая людей: недавние эксперименты показали, что совершенно слепые люди способны синхронизировать свои циркадные ритмы со сменой дня и ночи, а также сужать зрачки в качестве реакции на свет. Одним из возможных объяснений подобного парадокса служит предположение, что фоторецепторы глаза, необходимые для осуществления зрения, это не те рецепторы, которые отвечают за регуляцию суточной активности, циркадные же ритмы синхронизируются с помощью каких-то других фоторецепторов, расположенных в глазах. Но до недавнего времени сама идея, что в глазах могут присутствовать какие-либо фоторецепторы помимо палочек и колбочек, казалась абсурдной. Сетчатка – один из наиболее изученных типов ткани, и все известные фоторецепторы в глазах у млекопитающих всегда можно было отнести к одной из двух разновидностей: либо к палочкам, либо к колбочкам.

Однако недавно появились свидетельства того, что глаза млекопитающих, включая человека, содержат в себе и другие специализированные фоторецепторы, не участвующие в построении визуальной картинки. Светочувствительные молекулы этих клеток отличаются от пигментов палочек и колбочек, а сами клетки связаны с другими зонами мозга. Таким образом, получается, что наши глаза, так же как и уши (отвечающие как за слух, так и за чувство равновесия), представляют собой орган «два в одном».

Подобное открытие может иметь большое практическое значение для людей, страдающих от сбоев в работе биологических часов. Наиболее заметное проявление расстройства циркадных ритмов -синдром смены часовых поясов (нарушение синхронизации между нашими внутренними биологическими часами и естественным циклом смены дня и ночи). Работа в ночную смену считается одной из причин развития заболеваний сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, появления рака и метаболического синдрома – болезни, которая может в свою очередь привести к диабету II типа и инсульту. Некоторые из наиболее знаменитых техногенных катастроф, таких, например, как событие 1989 г., когда на мель сел нефтяной танкер Exxon Valdez, или взрыв 1984 г. на фабрике Union Carbide в Бхопале в Индии и авария на атомной станции Three Mile Island в 1979 г., чуть не приведшая к разрушению корпуса реактора, произошли именно в ночную смену, когда внимание сотрудников было ослаблено.

Более того, миллионы людей, живущих в крайних северных или южных широтах, страдают от сезонного эмоционального расстройства, похожего на тяжелую депрессию, которое вызвано недостаточной освещенностью в зимний период. Изучение механизмов влияния фоторецепторов третьего типа на циркадные ритмы и эмоциональное состояние может привести к созданию методов минимизации негативных эффектов от смены часовых поясов при перелетах, от работы в ночную смену и в связи с малой освещенностью зимой.

Незамеченный рецептор

Биологам давно известны организмы, имеющие светочувствительные органы, не связные с формированием изображения. Изменение освещенности может служить для животного сигналом, что оно оказалось вне укрытия, что в свою очередь говорит ему о возросшей опасности или вероятном ожоге ультрафиолетовыми лучами. Поэтому многие существа приобрели адаптации вроде способности изменять цвет под действием света или боязни солнечных лучей, которые позволяют снизить длительность пребывания на солнце без защиты. Подобные адаптивные реакции требуют наличия какого-либо органа, распознающего свет, но не зрения как такового. Например, европейские гольяны, оказавшись на свету, темнеют. Это делают даже ослепленные рыбы, как в 1911 г. обнаружил австралийский зоолог и будущий нобелевский лауреат Карл фон Фриш (Karl von Frisch). Однако разрушение дна мозга приводит к исчезновению этой реакции, поэтому Фриш предположил, что существуют не связанные со зрением фоторецепторы, расположенные в нижней части мозга.

Многие виды животных обладают подобными светочувствительными клетками. Например, воробьи могут синхронизировать свои циркадные ритмы со сменой освещенности даже при удалении у них глаз, как было показано в работе 1970-х гг., проведенной Майклом Менакером (Michael Menaker) из Техасского университета в Остине. Последующие эксперименты показали, что светочувствительные клетки присутствуют в мозге птиц. Таким образом, было установлено, что неожиданно большое количество света может проникать сквозь перья, кожу и череп птиц, активируя эти клетки.

Вероятность того, что млекопитающие также могут иметь какие-то светочувствительные рецепторы, не участвующие в формировании изображения, впервые привлекла внимание биологов в 1920-е гг., когда Килер сообщил о выращенных дома мышах. Поскольку строение сетчатки млекопитающих было слишком хорошо изучено, ученые решили, что ненайденный светочувствительный орган может быть расположен где угодно кроме глаз. Но в начале 1980-х гг. исследования на лишенных глаз грызунах, выполненные Рэнди Нельсоном (Randy J. Nelson) и Ирвингом Дукером (Irving Zucker) из Калифорнийского университета в Беркли, поставили эту гипотезу под сомнение. Их экспериментальные животные оказались неспособны синхронизировать свои циркадные ритмы с естественной сменой дня и ночи, и это доказывало, что светочувствительные рецепторы должны располагаться внутри глаза.

Менакер, который к тому времени перешел в Университет Орегона, занялся изучением вопроса, могут ли глаза мышей участвовать в реакции на изменение освещенности, не связанной с формированием визуальной картины. Он наблюдал за поведением мутантных грызунов, у которых отсутствовали функционирующие палочки и практически отсутствовали колбочки. К удивлению ученого, слепые животные на свету демонстрировали обычную дневную активность, а в темноте вели себя так, как и все здоровые мыши ночью.

Одним из возможных объяснений такого феномена было предположение, что несколько частично функционирующих колбочек каким-то образом были способны обеспечивать не связанную со зрением реакцию на свет. Но в 1999 г. группа исследователей во главе с Расселом Фостером (Russell Foster) из Имперского колледжа в Канаде провела эксперименты с мутант-ными мышами, полностью лишенными палочек и колбочек, в результате которых выяснила, что светочувствительные клетки вообще не необходимы для осуществления невизуальной реакции на свет. Это открытие сократило число гипотез до одной: глаз мыши должен содержать в себе еще один, пока неизвестный, тип фоторецепторов.

Это была еретическая точка зрения. Клетки сетчатки, участвующие в создании зрительного образа, были известны начиная с середины XIX в. И мысль о том, что в сетчатке были не замечены и за последующие 150 лет не обнаружены другие светочувствительные клетки, выглядела совершенно абсурдной.

Распространение ереси

И тем не менее исследование, которое мы с Марком Роллагом (Mark Rollag) начали в середине 1990-х гг., работая в Военно-медицинском университете, помогло подтвердить правоту Фостера. Роллаг в то время интересовался другой формой фоторецепции, не связанной со зрением: камуфляжными способостями амфибий. Пигментированные клетки в хвостах головастиков темнеют под действием света, и это адаптивная реакция, помогающая животному, оказавшемуся на свету, маскироваться. Эти клетки, называемые меланофорами, сохраняют свою способность даже после извлечения из тела животного и культивирования в чашке Петри. Изучая их культуру, мы с Роллагом выделили новый пигмент, который был поразительно схож по составу с представителями группы светочувствительных белков, называемых опсинами, обеспечивающих способность палочек и колбочек реагировать на свет. Мы назвали новый белок меланопсином. Сходство с хорошо известными опсинами наводило на мысль, что меланопсин и был тем светочувствительным пигментом, который запускал реакцию потемнения. Предполагая, что меланопсин также может играть роль светочувствительного пигмента и в других реагирующих на свет клетках, мы попытались определить его наличие в прочих тканях лягушек, известных своей чувствительностью к свету, – таких как определенные зоны мозга, радужной оболочки и сетчатки глаза.

Выяснилось, что ни палочки, ни колбочки не содержали молекул нового пигмента. Однако, к нашему изумлению, он присутствовал в нейронах сетчатки, называемых ганглионарными клетками, которые ранее считались нечувствительными к свету. Сетчатка позвоночных – тонкая трехслойная структура. Самый глубокий третий слой образован палочками и колбочками, и прежде чем попасть в него, свет проходит через два других слоя. Когда свет попадает на фоторецепторы, то они в ответ генерируют нервный импульс, который поступает во второй слой, где обрабатывается клетками нескольких различных типов. Затем обработанный сигнал передается клеткам первого слоя, состоящего в основном из ганглионарных нейронов. Длинные проводящие аксоны ганглионарных клеток образуют зрительный нерв, по которому информация доходит до мозга. В 2000 г. мы с коллегами обнаружили первые свидетельства того, что небольшая часть ганглионарных клеток чувствительна к свету.

Затем мы выяснили, что около 2% ганглионарных клеток сетчатки мыши содержат в себе меланопсин, и что какое-то число подобных клеток у человека также имеют этот пигмент. В 2002 г. эксперименты Дэвида Берсона (David M. Berson) с коллегами из Университета Брауна подтвердили нашу точку зрения. Они разрушили палочки и колбочки мышей и наполнили содержащие меланопсин ганглионар-ные клетки красителем. Затем они удалили сетчатку из глаз и продемонстрировали, что окрашенные нейроны возбуждались в ответ на освещение. При условии, что палочки и колбочки были разрушены, нервный импульс мог указывать только на то, что помимо передачи сигналов от палочек и колбочек эти отдельные клетки сами по себе были способны воспринимать свет. В том же 2002 г. наша гипотеза была подтверждена результатами работы других исследовательских групп. Самер Хаттар (Samer Hattar) из Университета Джонса Хопкинса с соавторами показал, что некоторые аксоны, идущие от сетчатки мышиного глаза, связаны с супрахиазмальным ядром -зоной мозга, которая регулирует внутренние «биологические часы», в то время как другие подходят к участку мозга, отвечающему за сужение зрачков, и ганглионарные клетки, связанные с данными зонами, – это именно те клетки, которые содержат меланопсин.

Все факты указывали на одно и то же решение нашей загадки: фоточувствительные ганглионарные клетки позволяют мышам, лишенным палочек и колбочек, сужать свои зрачки и синхронизировать цир-кадные ритмы с изменением освещенности при смене дня и ночи. Но мыши, полностью лишенные глаз (т.е. не имеющие сетчатки вообще и ганглионарных клеток в частности), лишаются такой способности. Для того чтобы убедиться в правильности своей идеи, нам оставалось провести лишь один дополнительный эксперимент. Мы с коллегами решили, что если сможем вывести мышей, у которых будет отсутствовать ген, кодирующий меланопсин, то животные станут неспособны синтезировать этот пигмент, поэтому лишатся своих невизуальных реакций на свет. То, что получилось в результате, подтвердило любимую мантру нашей лаборатории: «Наука – жестокая госпожа». Именно тогда, когда мы полагали, что проблема практически решена, нас ошеломило открытие, что лишенные меланопсина мыши легко подстраивали свои циркадные ритмы под смену освещенности.

Последнее препятствие

Пытаясь объяснить данное явление, мы предположили, что в сетчатке могут скрываться и другие фоторецепторы, не связанные с формированием визуальной картины. Но такая вероятность по ряду причин была слишком мала, и в первую очередь потому, что к моменту окончания нашей работы с нокаутом было закончено полное секвени-рование генома мыши, которое показало отсутствие в нем других генов, явно кодирующих фотопигмент.

Второе вероятное объяснение заключалось в допущении, что палочки, колбочки и светочувствительные ганглионарные клетки определяют синхронизацию биоритмов млекопитающих совместно. Последним шансом доказать это было создание мутантных мышей, у которых полностью отсутствовали бы палочки, колбочки и имеющие пигмент ганглионарные клетки. Полученные нами «франкен-мыши» не показали ни зрительной, ни любой другой реакции на свет, и вели себя как те животные, глаза которых были удалены хирургическим путем. Результаты эксперимента подтвердили второе предположение, что палочки, колбочки и содержащие меланопсин ганглионарные нейроны совместно участвуют в передаче информации об освещенности в мозг.

Фактически получилось, что те ганглионарные клетки, которые чувствительны к свету, функционируют как проводники невизуальной информации об освещенности от самих себя, от палочек и от колбочек в зоны мозга, связанные с биоритмами, точно так же как остальные ганглионарные клетки сетчатки передают зрительные сигналы в зрительные зоны коры. В 2008 г. три независимые исследовательские группы, одна из которых была нашей, разработали различные способы разрушения светочувствительных ганглионарных клеток, при которых весь остальной организм оставался в неприкосновенности. Несмотря на то что такие мыши сохранили способность видеть, их циркадные ритмы были сбиты, они не соблюдали правильное чередование дневных и ночных видов активности, а также были неспособны сужать зрачки. Другими словами, эксперименты подтвердили, что специализированные ганглионарные клетки необходимы для осуществления не связанной со зрением реакции на свет, однако в этой системе наблюдается некая избыточность: ганглионарные нейроны могут регистрировать свет сами по себе, а также передавать сигналы от палочек, колбочек или обоих типов рецепторов. В итоге головоломка была решена – по крайней мере, применительно к мышам. А затем появились данные, что подобный же физиологический механизм может функционировать и у человека. В 2007 г. Фостер с коллегами опубликовал работу, в которой описывались два слепых пациента с отсутствием «исправных» палочек и колбочек – аналоги мышей Киле-ра, – которые, тем не менее, были способны синхронизировать свои циркадные ритмы, периодически подвергаясь действию синего света. Длина волны синего света, на который они реагировали наилучшим образом, была в точности такой, какую может зарегистрировать ме-ланопсин, – строго в соответствии с измерениями, проведенными моей группой (мы заставили культуру обычных, лишенных фотопигмента ганглионарных клеток синтезировать меланопсин, а эти клетки в ответ на облучение синим светом начали генерировать импульс).

Возможно, еще более интересным оказалось наше открытие, что когда меланопсин подвергается воздействию света, он запускает внутри клеток каскад химических сигналов, больше напоминающий то, что происходит в фоторецепторах мух и кальмаров, а не в палочках и колбочках млекопитающих. Нельзя сказать, что это было совершенно неожиданно, т.к. несколькими годами ранее мы определили, что по своим нуклеотидным последовательностям ген меланоп-сина больше всего напоминал гены фотопигментов беспозвоночных, а не те гены, которые кодируют пигменты палочек и колбочек позвоночных. Таким образом, у млекопитающих меланопсин выполняет функцию светочувствительного пигмента в ранее неизвестном и примитивном, не связанном со зрением, воспринимающем свет органе, который располагается там же, где и более «продвинутая» родственная зрительная система.

Открытие нового «потайного» органа чувств должно повлиять и на практическое решение ряда проблем, поскольку оно указывает на ранее не выявленную связь между здоровьем сетчатки и нормальным эмоциональным состоянием. Проведенные исследования показали, что облучение синим светом может повысить внимание, противодействуя синдрому смены часовых поясов или проблемам со сном, а также смягчить протекание сезонных аффективных расстройств – обычной проблемы в высоких широтах, способной привести к тяжелой депрессии и вызвать суицид. Эффективность такой свето-терапии связана с тем, что синий свет оптимален для воздействия непосредственно на светочувствительные ганглионарные клетки. Помимо этого существует проблема, что дети, ослепшие от болезней, затрагивающих ганглионарные клет-

ки, например по причине глаукомы, сталкиваются с риском развития расстройств сна гораздо чаще, чем их сверстники, ослепшие по другим причинам. И теперь мы знаем, что направленное воздействие на поддержание здоровья ганглионарных клеток может привести к появлению нового вида терапии.

Перевод: Т.А. Митина

2007 год принес иммунологическому сообществу страшное разочарование: вакцина против СПИДа, на которую возлагались большие надежды, не обеспечила защиту от этого заболевания ни одному из 3 тыс. испытуемых. Хуже того: вакцинация (она была проведена на средства компании Merck и Национального института аллергологии и инфекционных заболеваний) привела к повышению восприимчивости к ВИЧ некоторых участников тестирования. На создание вакцины ушло более десяти лет и были потрачено миллионы долларов. За это время на земном шаре от СПИДа умерли 18 млн человек, многие миллионы были инфицированы.

Неудача, постигшая компанию Merck, была связана в значительной мере с тем, что разработчики по существу не знали, как получать эффективные вакцины. Это не значит, что таких вакцин не было вообще: вспомним хотя бы о полиомиелите и оспе. Но успех в их создании был во многом делом случая. Имея не очень четкое представление о том, как работает иммунная система человека и какова биологическая природа патогена, разработчики могут создать лишь предварительный рабочий вариант вакцины и затем, улучшая его шаг за шагом, при значительной доле везения рассчитывать на получение продукта, способного защищать организм от инфекций. Слишком часто, однако, ввиду недостатка сведений об особенностях иммунного ответа несостоятельность кандидата на роль вакцины обнаруживается только после проведения масштабных клинических испытаний. В идеале создание вакцин должно основываться на четком понимании процесса формирования иммунного ответа, надежно защищающего организм.

Например, нужно знать, какие типы клеток в нем участвуют и как они взаимодействуют друг с другом; какой набор генов активируется или репрессируется и т.д. На основании всех этих данных можно составить системный иммунный профиль, который будет служить ориентиром при определении того, что должна «уметь делать» эффективная вакцина. Ее лучше всего отбирать из сотен рабочих вариантов, оставляя только те из них, чей иммунный профиль ближе всего к «идеальному».

Затем можно улучшать предварительные варианты, основываясь на результатах экспресс-испытаний, и в конце концов остановиться на десятке-другом кандидатов, вызывающих максимальную иммунную реакцию. Таким способом можно довольно быстро выяснить, способна ли предполагаемая вакцина работать надлежащим образом, и к началу масштабных клинических испытаний успех будет практически гарантирован. До недавнего времени у иммунологов не было возможности использовать такой подход. Для его реализации необходим коллектив самых разных специалистов – иммунологов, микробиологов, экспертов по моделированию сложных биологических систем и т.д. Нужно уметь одновременно определять уровень активности многих генов и содержание специфических белков, следить за поведением иммунных клеток и другими параметрами – не говоря уже о компьютерной обработке всех данных. Однако сегодня ситуация изменилась. Появились специалисты в области системной биологии и многопрофильные коллективы, уже сделаны первые шаги в разработке соответствующих инструментов для реализации новых подходов к созданию вакцин. Подобные коллективы способны в деталях разобраться во всех этапах формирования иммунного ответа, обеспечивающего защиту организма от СПИДа. Системный подход используется сейчас для разработки новых вакцин против туберкулеза, малярии и гриппа.

Экспресс-тестирование

Все вакцины независимо от способа их получения содержат компоненты вирусных частиц, бактериальных клеток или паразитов, которые вызывают специфический иммунный ответ. Иногда эти компоненты (антигены) представляют собой фрагменты ослабленного вируса (именно так и обстояло дело с прививкой против натуральной оспы, которую впервые сделал 200 лет назад английский врач Эдвард Дженнер (Edward Jermer): он ввел восьмилетнему мальчику материал из язвочки на руке доярки, болевшей коровьей оспой, менее опасной, чем натуральная).

В других случаях антигеном выступает часть инактивированного инфекционного агента (так была приготовлена вакцина Солка против полиомиелита) или сами антигены (таким способом получают вакцины против дифтерии, коклюша и столбняка). Часто в состав вакцин входят адъюванты – вещества, усиливающие иммунный ответ. В норме иммунная система отвечает на антиген целым каскадом четко скоординированных молекулярных и клеточных событий, обеспечивающих защиту от вирусной или бактериальной инфекции, если ее возбудитель несет такой же антиген. Задача разработчиков заключается в подборе правильной комбинации антигенов и адъювантов. Вакцина против желтой лихорадки, названная YF-17D, была получена традиционным способом и обладает эффективностью. Одна инъекция обеспечивает невосприимчивость к инфекции уже через неделю, при этом иммунитет сохраняется в течение 30 лет. Наличие такой вакцины позволило проверить некоторые идеи и методы системной биологии применительно к иммунологии. Этим занимались Бали Пулендран (Bali Pulendran) из Университета Эмори, Рафи Ахмед (Rafi Ahmed) с коллегами из того же университета и мои сотрудники из Института системной биологии в Сиэтле. Зная доподлинно, что вакцина YF-17D работает, мы рассчитываем на то, что сможем составить детальный профиль иммунных ответов на нее на молекулярном и клеточном уровнях. Задача была успешно решена, и сейчас мы пытаемся выяснить, почему ни одна из экспериментальных вакцин против СПИДа не дала результата. Наши исследования YF-17D мы начали с вакцинации 25 здоровых добровольцев. Затем у них были взяты пробы крови сразу после инъекции, на следующий день, через три, семь и 21 день.

Каждую из проб мы поместили в автоматизированное устройство для идентификации активированных генов. Белки, кодируемые этими генами, появляются не сразу, как только в них возникает необходимость. Вначале в клетке синтезируются соответствующие матричные РНК; определяя их содержание, мы могли не только судить о том, какие именно гены активируются в ответ на вакцинацию, но и установить уровень их активности.

Как и ожидалось, первой включилась система врожденного иммунитета, появившаяся в ходе эволюции раньше, чем система иммунитета приобретенного (адаптивного). Она обеспечивала мгновенную реакцию на любые патогены и уничтожала большинство из них, а параллельно инструктировала более «молодую» систему адаптивного иммунитета, чтобы подготовиться к повторному контакту организма со специфическим патогеном. В результате иммунная система встречала его во всеоружии и быстро обезвреживала.

Примерно на десятый день после вакцинации система адаптивного иммунитета «выпускала» последовательно два залпа. Во-первых, она начинала вырабатывать особые белки – антитела, которые связывались с определенными участками вирусной частицы. Во-вторых, активировала так называемые киллерные Т-клетки, которые распознавали инфицированные патогеном клетки организма и уничтожали их. Мы идентифицировали 65 генов, участвующих в формировании реакции на YF-i7D-BaK4HHy.

Более тщательный анализ выявил, что за обоими «залпами» стоит определенная группа генов из числа этих 65; нам удалось показать, какие именно гены включаются и выключаются по ходу развития иммунной реакции. Сходные результаты получил Рафик-Пьер Секали (Rafick-Pierre Sekaly) из Института вакцин и генной терапии во Флориде. Развернутую картину формирования иммунного ответа можно получить по результатам анализа крови, взятой из пальца. Это означает, что тест на эффективность вакцины можно провести в считаные часы. Для этого не нужны высококвалифицированные специалисты или сложное оборудование, отсутствие которых сдерживало проведение различных эпидемиологических мероприятий в беднейших странах, где СПИД, малярия и туберкулез особенно распространены.

На очереди СПИД

Убедившись в результативности системного подхода к созданию вакцин, мы с коллегами занялись проблемой СПИДа. Логично было бы провести сравнительный анализ всех имеющихся канди-датов на роль такой вакцины, но мы не знали (и не знаем до сих пор), каким должен быть оптимальный иммунный ответ на ВИЧ. Поиск ответа на данный вопрос и стал для нас приоритетом. Начали мы с опытов на животных. Известно, что обезьяны тоже болеют СПИДом, и его возбудитель во многом сходен с человеческим вирусом. В сотрудничестве с Луи Пикером (Louis Picker) из Орегонского университета здоровья и Робертом Седером (Robert Seder) из Национальных институтов здравоохранения исследователи отделения BioMed в Сиэтле занимаются тестированием на обезьянах различных кандидатов на роль вакцин против обезьяньего вируса иммунодефицита. Цель исследований заключается в том, чтобы получить как можно более полную картину иммунного ответа организма животных на инфекцию. На сегодня мы уже имеем несколько «набросков» немедленной реакции системы врожденного иммунитета, по которым можно предсказать, у каких вакцинированных животных будет содержаться меньше, чем у остальных, вирусных частиц в крови после инфицирования.

Те гены, чей уровень экспрессии коррелирует с ростом способности противостоять вирусу, мы изобразили на сетевой диаграмме иммунного ответа в виде жирных точек с множеством связей – межгенных взаимодействий. Поскольку у людей и обезьян много одинаковых генов, резонно предположить, что профиль оптимального иммунного ответа для животных подскажет, каким должен быть адекватный иммунный ответ на ВИЧ у человека и, возможно, даст какие-то наметки для сравнительного анализа кандидатов на роль вакцин.

Именно этими вопросами вплотную занялись Пикер и Секали.

С помощью системного подхода они пытаются выяснить, почему вакцины на основе ослабленного обезьяньего вируса СПИДа так эффективно защищают от последующей инфекции обезьян, не относящихся к человекообразным. К сожалению, использовать для создания вакцины ослабленный человеческий вирус СПИДа не представляется возможным. Со временем он может рекомби-нировать с полноценной версией и вызвать у человека заболевание, от которого должен был его защитить. (По той же причине в США запрещено широкое использование «живых» вакцин против полиомиелита.) Если решение будет найдено, то появится возможность разработать способ получения иммунного ответа, сходного по своей эффективности с тем, который вызывает ослабленный вирус, но без включения последнего в состав вакцины.

Дальнейшие действия

Сегодня системный подход представляется оптимальным для тестирования экспериментальных вакцин на их способность эффективно защищать организм от инфекции. Но в конце концов наша цель состоит в «конструировании» вакцин от начала до конца таким способом, при котором мы были бы заранее уверены в запуске нужных иммунных реакций.

Некоторые успехи уже достигнуты. Так, установлено, как влияют на иммунную систему конкретные адъюванты. Мы проанализировали работу целых сетей генов, активируемых широким кругом адъювантов, и выяснили, что одни из них действуют на гены, стимулирующие Т-клеточный ответ, а другие включают те, что отвечают за выработку антител. Используя всю доступную информацию о механизме действия различных адъювантов и имея в руках молекулярный профиль оптимального иммунного ответа, мы можем надеяться на успех в создании вакцин против конкретных патогенов. Мы с коллегами уверены, что системный подход позволит переломить ситуацию, сложившуюся в сфере создания вакцин. Только разобравшись в деталях работы иммунной системы, можно надеяться на получение эффективных вакцин против СПИДа, малярии и туберкулеза. До сегодняшнего дня патогены – виновники эпидемий этих заболеваний противостояли всем традиционным способам борьбы с ними. И мы просто не можем позволить еще одному поколению людей жить под постоянной угрозой новых вспышек инфекций.

Перевод: Н.Н. Шафрановская

Спрос на экологические технологии бурно растет. Корпорации конкурируют за «зеленые» баллы, оборудуя штаб-квартиры ветряными турбинами на крышах, устройствами для зарядки электромобилей в гаражах и биописсуарами. Но могут ли офисные здания внести вклад в борьбу со смогом? Компания Alcoa разработала строительные панели, которые очищают не только себя, но и окружающую среду.

«Впервые услышав об этой технологии, вы бы решили, что над вами шутят», — говорит президент Alcoa Architectural Products Крейг Белнап. Он показывает миниатюрную копию панели, покрытой алюминием. Такую можно найти на любом небоскребе.

Отличие в том, что панель покрыта тончайшим слоем диоксида титана. Его частицы под воздействием ультрафиолета вступают в реакцию с молекулами кислорода и воды. Образующиеся свободные радикалы разрушают грязь на поверхности панели. «Они окисляют органические вещесгва, превращая их в безвредные соединения, которые легко смываются дождевой водой», — говорит Белнап. Значит, больше не нужно драить панели химикатами, которые потом попадают в реки и моря. Белнап уверяет, что с загрязняющими атмосферу вещесгвами панели, получившие название EcoClean, творят такие же чудеса.

По оценкам Alcoa, эти панели помогут сократить расходы на содержание здания на треть, а то и наполовину. В начале 2009 года компания протестировала покрытие на крыше АЗС. Четыре месяца спустя панели все еще оставались чистыми.

Alcoa не раскрываег, сколько потратила на разработку технологии.

О емкости нового рынка в компании говорят осторожно, ограничиваясь заявлениями о том, что Alcoa претендует на внушительную его долю. Ежегодно устанавливается 1,3 млрд кв. м панелей. У конкурентов технологий по самоочистке зданий пока нет.

Пo расчетам Alcoa, 900 кв. м EcoClean съедают 2,7 кг окислов азота в год. Такой объем выбросов ежегодно обеспечивают пять автомобилей. «Столько же воздуха очищают 80 деревьев», — уточняет Белнап.

К началу работы над проектом Alcoa несколько лет назад подтолкнули консервативные компании-клиенты. Они просили «озеленить» свой имидж. «К нам обратилось несколько нефтяных и газовых компаний, которые хотели сделать свои бренды более яркими и «чистыми», — вспоминает Белнап.

Панели с EcoClean будут стоить на 4-5% дороже обычных. В Alcoa считают, что потребители согласятся на такую доплату, ведь новая технология позволит не только экономить на обслуживании зданий, но и поднять на недосягаемые высоты «зеленый» имидж.

Клиенты компании, которых она отказывается назвать, готовят два пилотных проекта с EcoClean в Европе и Канаде. Белнап охотно демонстрирует новые строительные панели, отделанные поддерево. «В Европе наш слоган — «Сколько леса я могу построить?» — объясняет он.

Но и после того, как множество автоматических аппаратов исследовали Луну, а 12 человек ходили по ее поверхности и привезли на Землю более 360 килограммов лунного грунта, она не спешит раскрывать все свои тайны.

До полета к Луне американских астронавтов основными в научном мире считались три гипотезы ее появления, в англоязычной литературе их называли «большой тройкой- – The Big Three.

Первая гипотеза – «захват извне». Ее высказал в 1909 году американский астроном Томас Джефферсон Джексон Си. По его версии Луна сформировалась как независимая планета где-то в Солнечной системе, а затем сблизилась с Землей и была захвачена ее гравитационным полем, став спутником.

Вторая версия – «совместное рождение» – тщательно разрабатывалась многими мыслителями и учеными начиная с Канта и Лапласа. Она подразумевает, что Земля и Луна выросли на одной орбите, как двойная планета, из первоначального протопланетного газопылевого роя частиц.

Третья гипотеза – «центробежное отделение». В 1878 году ее выдвинул Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина. Он предположил, что молодая Земля вращалась с очень высокой скоростью, и под действием центробежных сил от нее оторвался крупный кусок вещества – из него впоследствии образовалась Луна.

Однако анализ новых научных данных, полученных в результате космических полетов к естественному спутнику нашей планеты, дал неожиданный результат – факты противоречили всем существовавшим на тот момент теориям происхождения Луны.

Во-первых, химический анализ лунного грунта показал, что он в основном представлен базальтами – это самые распространенные магматические породы на поверхности Земли. Лунный грунт отличался от земных пород незначительно: в нем обнаружили большее содержание тугоплавких элементов (титан, цирконий, хром) и меньшее -летучих (водород, фтор, инертные газы). Радиоизотопный анализ выявил, что породы лунной и земной коры практически идентичны по соотношению стабильных изотопов кислорода (это соотношение называют «кислородной подписью»).

Эти два факта свидетельствуют о том, что Земля и Луна сформировались из одного исходного материала на одинаковом расстоянии от Солнца и имеют примерно равный возраст – около 4,5 миллиардов лет. Стоит ли говорить, что с получением таких данных гипотеза захвата извне отпала сама собой.

Далее, в результате сейсмических исследований недр Луны, проведенных астронавтами «Аполлонов», выяснилось, что внутреннее строение спутника разительно отличается от земного. Железосодержащее ядро Луны очень мало, на его долю приходится не более 2,5 процентов массы (у Земли ядро занимает около 30 процентов). В связи с этим, как предполагают, плотность Луны соответствует плотности земной мантии и почти вдвое меньше средней плотности Земли. Такие значительные отличия опровергают гипотезу одновременного рождения из газопылевого облака – трудно представить, что два тела вырастают рядом из одного орбитального слоя вещества, но при этом одно из них забирает железо, а второе остается практически без него.

В-третьих, дарвиновская гипотеза центробежного отделения тоже была поставлена под сомнение, так как скорость вращения Земли, требуемая для такого отрыва, чрезмерно велика: один оборот за 1-2 часа. Момент импульса вращения планеты в этом случае должен был в три-четыре раза превышать нынешний (и так необычайно высокий). Появление у сформировавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как и его последующее исчезновение.

пришлось ученым искать совершенно другую версию, способную объединить все новые данные о строении Луны. И вскоре такая гипотеза была высказана Уильямом Хартманом и Дональдом Дэвисом в статье, напечатанной журналом Icarus (1975). Она получила название «теория гигантского столкновения – и в настоящее время является господствующей в научном мире.

Суть ее такова. 4,5 миллиарда лет назад (вскоре после формирования) Земля столкнулась с планетой, названной Тейя, близкой по размеру к современному Марсу. Удар пришелся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате часть вещества земной мантии была выброшена на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 километров (в 6 раз меньше нынешнего). Земля из-за удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

Исходя из предположения, что Луна сформировалась из выброшенного при ударе вещества с низкой плотностью, эта гипотеза легко объясняет и идентичность лунных пород земной мантии, и малый размер лунного ядра. Однако и у этой теории находятся критики.

Мною предлагается новая гипотеза рождения Луны.

Я предполагаю, что молодая Земля 4,5 миллиарда лет назад столкнулась не с планетой, как считают сейчас ученые, а с кометой таких же размеров. Дело в том, что до сих пор астрономы не встречались с блуждающими планетами размером с Марс. Современные модели предполагают, что в ранней Солнечной системе столкновения небесных тел происходили много чаще, чем сейчас, но это касается лишь мелких планет. Большая планета должна была выйти на устойчивую орбиту и не столкнулась бы с Землей.

Кометы же движутся по вытянутым орбитам, значительно отдаляясь от Солнца, часто пересекают орбиты планет. И сейчас многие кометы проходят недалеко от Земли. Миллиарды лет назад количество комет было в разы больше: столкновение с одной из них кажется вполне вероятным.

известные сейчас науке кометы много меньше гипотетической Тейи. Этот факт легко объяснить, зная, что при каждом проходе возле Солнца они безвозвратно теряют часть своего вещества (оно уходит в «хвост»). Следовательно, 4,5 миллиарда лет назад кометы были намного больше, чем сейчас, и энергии удара одной из них было вполне достаточно, чтобы выбить из Земли строительный материал для будущей Луны.

Еще одно слабое место в теории гигантского столкновения – согласно расчетам, удар должен был произойти не по центру, а по касательной, словно Тейя каким-то образом сумела погасить часть энергии и слегка изменила траекторию своего движения перед столкновением.

Идея с кометой позволяет объяснить и эту нестыковку. При подлете к Солнцу кометы нагреваются и начинают испускать часть своего вещества – мы наблюдаем это в виде «хвоста». У молодых комет истечение нагретых газов, по-видимому, происходило еще активнее, и одна такая направленная струя могла слегка погасить скорость и привести к удару по касательной.

Другой вопрос к теории гигантского столкновения – куда делись обломки Тейи? Их не смогли обнаружить ни на Земле, ни на Луне (которая, как выяснилось, полностью построена из вещества земной мантии). Другое дело, если мы предположим столкновение с кометой. Комета состоит из смеси замерзших газов (азот, метан), водяного льда и примеси некоторых тугоплавких редкоземельных элементов. При столкновении газы просто испарились бы от энергии удара. Поэтому ученые и не могут найти обломки Тейи.

Как же встреча с кометой повлияла на нашу планету? Столкновение произошло в тот момент, когда вещество молодой Земли уже начало расслаиваться по плотности. Тяжелые элементы опустились глубже, а поверхность покрылась тонкой коркой более легких веществ. Во время удара часть этой корки была выброшена на околоземную орбиту, и возместить недостаток Земле было уже нечем.

Это привело к дефициту в земной коре фельзических («светлых») и промежуточных пород, которых недостаточно для полного покрытия земной поверхности. Удар затронул почти половину коры, вызвав ее безвозвратную потерю для Земли. В результате мы имеем материки, состоящие из относительно легких пород, и океанские бассейны, состоящие из пород более темных и тяжелых металлосодержащих. Такая разница позволяет функционировать системе тектонического движения литосферных плит, образующих земную кору.

Удар кометы, предположительно, также привел к наклону земной оси, что сейчас является причиной смены времен года, и передал планете дополнительный импульс вращения.

Кроме того, я считаю, что вещество кометы, испарившись, было захвачено притяжением Земли и сформировало первую влажную атмосферу, насыщенную азотистыми соединениями, метаном и водяным паром (веществами, из которых состоят кометы). В результате длительной эволюции водяной пар сконденсировался и образовал океаны, а атмосфера превратилась в то, что мы можем наблюдать сейчас.

Многие и раньше предполагали, что воду на Землю принесли мелкие кометы, но была одна проблема – они должны падать относительно равномерно, и тогда на всех планетах земной группы было бы поровну воды (льда, пара). А вот если к формированию уникальных земных условий привело всего одно столкновение с крупной кометой, получается, что образование жизни на Земле – не случайность, а закономерное отдаленное последствие древней катастрофы.

Сравним рассчитанную ЭВМ массу тела, ударившего в Землю (6-1023 кг), с массой земной гидросферы (1,5-1021 кг). Масса кометы превышает массу воды на Земле. Это связано с тем, что, во-первых, комета не состоит на 100 процентов из водяного льда, а во-вторых, часть вещества кометы была выброшена на околоземную орбиту и участвовала в формировании Луны. По моей гипотезе луна формировалась из обломков кометы и вещества земной мантии, выброшенного на околоземную орбиту. Вначале процесс протекал по тем же законам, что и у других планет земной группы. Облако собралось в протолуну, представлявшую собой рыхлое холодное небесное тело. Под действием гравитации начался нагрев спутника и разделение его вещества по плотности.

Тяжелые элементы для формирования своего маленького железного ядра наш спутник получил из двух источников. Во-первых, немного железа содержалось в обломках земной коры. Во-вторых, кометы (и это доказано современной наукой) имеют в своем составе редкоземельные тугоплавкие металлы, поэтому их количество в лунных породах несколько выше, чем в земных.

В этот период Луна вращалась вокруг своей оси быстрее, чем сейчас. И этого ей хватило, чтобы, даже имея относительно малое ядро, ненадолго обзавестись магнитным полем: ученые нашли следы остаточной намагниченности лунных пород.

Но дальнейший разогрев привел к тому, что кометный лед, из которого частично сформировалась Луна, растаял, превратился в газ и начал выходить наружу. За газом из лунных недр следовала раскаленная лава. Из-за малых размеров гравитация Луны не могла удержать атмосферу из испарившегося газа, и он рассеялся в окружающее пространство.

Остатки этого газа сегодня известны науке как «облака Кордылевского» – скопления мелкой межпланетной пыли и газа в точках Лагранжа (равновесия) системы Земля – Луна, открытые польским ученым Казимиром Кордылевским в 1956 году.

Из-за выхода наружу воды и ее последующего испарения Луна внутри имеет множество пустот и полостей. Это одна из причин ее низкой средней плотности, что подтверждается следующими фактами:

- до 30 процентов лунных камней имеют ячеистое строение. Это типичная порода с ямками, образовавшимися при выходе горячих газов;

- лунотрясения продолжаются аномально долго.

После падения ступени корабля «Аполлон» колебания лунной поверхности не стихали в течение четырех (!) часов. Это можно объяснить наличием пустот глубоко под поверхностью;

- автоматические станции обнаружили на Луне глубокие пещеры, которые могли образоваться при выходе газов из недр планеты;

- в 1990-х годах в некоторых лунных кратерах удалось найти водяной лед;

- на Луне до сих пор наблюдаются так называемые «кратковременные явления» (различные непродолжительные локальные аномалии вида лунной поверхности). По-видимому, это выход остатков газов из недр на поверхность.

Лунное ядро, представлявшее собой разогретую вязкую массу, под действием земного притяжения начало «перекатываться» внутри пустот, образовавшихся при выходе газов. С каждым оборотом вокруг своей оси Луна теряла много энергии на это перекатывание. В итоге оно привело к полной синхронизации Луны и Земли – периоды обращения Луны вокруг Земли и собственной оси сравнялись. Затем остывшее ядро, смещенное в сторону Земли, застыло и прекратило перекатываться.

И здесь описываемая гипотеза перекликается с идеей «орехообразной Луны», разработанной в 1970-х годах профессором Валентином Киселевым. Вот только о кометном льде как причине образования пустот его теория умалчивала.

Приведенная в этой статье версия происхождения Луны не претендует на истину в последней инстанции. Она требует серьезной проверки с использованием современного оборудования. Вполне возможно, она окажется ошибочной.

Но неоспоримо другое – событие, приведшее к рождению Луны, сильно отразилось на развитии нашей планеты. Без него на Земле не было бы воды и атмосферы, не зародилась бы жизнь. Чем больше мы исследуем Луну, тем точнее будут наши представления о своей планете и о нас самих.