СОЖ 1995-01

ÅàéãéÉàü

ïàåàü

çÄìäà é áÖåãÖ

åÄíÖåÄíàäÄ

îàáàäÄ

ISSEP

СОРОСОВСКИЙОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ

ЖУРНАЛSoros Educational Journal

International Soros Science Education ProgramåÂÊ‰ÛÌ‡Ó‰Ì‡fl ëÓÓÒÓ‚ÒÍ‡fl èÓ„‡ÏÏ‡ é·‡ÁÓ‚‡ÌËfl ‚ é·Î‡ÒÚË íÓ˜Ì˚ı ç‡ÛÍ

11995

Цель “Соросовского Образовательного Журнала” заключается в том, чтобы сделатьдоступными всем учителям и школьникам России последние успехи современной нау-ки. Вероятно, есть смысл кратко рассказать о том, как мы пришли к идее организациитакого журнала, аналогов которому в мировой литературе нет. В 1994 году Международ-ная Соросовская Программа Образования в Области Точных Наук провела по всей стра-не два конкурса: для выявления лучших учителей средних школ и лучших профессоровуниверситетов. Почти 3300 учителей старших классов школ и 389 профессоров универ-ситетов получили специальные гранты и звания Соросовских Учителей и СоросовскихПрофессоров соответственно. Единственная обязанность Соросовских Профессоров за-ключается в том, чтобы подготовить две обзорные лекции в год по своей узкой специаль-ности, посвященные прогрессу, достигнутому за последнее время. Лекции эти надо про-честь на конференциях Соросовских Учителей, которые мы начали проводить по всейстране, а затем на основе этих лекций написать статьи для нашего журнала. Таким об-разом, на страницах журнала будут опубликованы, главным образом, обзорные статьи,описывающие современные достижения науки. Поскольку Соросовские Профессора ра-ботают практически во всех областях науки, журнал сможет дать широкие знания повсему кругу естественных наук.

Мы планируем издавать журнал ежемесячно таким тиражом, чтобы по одному экзем-пляру каждого выпуска попало бесплатно в каждую среднюю школу и в каждый вузстраны. Такая широкая рассылка позволит решить еще одну задачу: раздвинуть рамкинашей Международной Программы Образования в Области Точных Наук до всей стра-ны и донести последние знания не только до Соросовских Учителей, но вообще до всехучителей страны, до всех преподавателей университетов и вузов, до всех студентов ишкольников, которые смогут читать журнал в библиотеках по месту учебы. Сейчас, ког-да повсюду в России ощущается нехватка специальной литературы, в особенности зару-бежной научной литературы, когда стала почти невозможной из-за переживаемых эко-номических трудностей доставка периодических научных изданий из-за рубежа, когдаотечественные издательства почти полностью прекратили целенаправленное изданиенаучно-популярных книг и многие прежде широко читаемые журналы были вынужде-ны снизить свои тиражи, эта цель становится особенно актуальной. Ведь в огромнойстране России, стране богатейших и прочных культурных и научных традиций, молодыеталанты будут появляться с той же регулярностью, как они появлялись ранее, и занятьих серьезным чтением, дать пищу уму — цель благородная и долговременная. Посколь-ку Международная Соросовская Программа Образования в Области Точных Наук функ-ционирует не только в России, но на Украине, в Белоруссии и Грузии, какая-то часть ти-ража поступит и в эти страны.

Мы будем стараться постепенно расширять рамки журнала. В частности, мы ждем,что многие выдающиеся педагоги смогут поделиться своими мыслями с коллегами и ис-пользуют страницы журнала для публикации своих статей. Мы будем ждать писем отСоросовских Учителей и вообще всех учителей, статей и заметок, в которых ониподелятся своими соображениями о том, как лучше учить школьников, как целесообраз-нее вести внеклассную работу. Мы будем признательны за письма, в которых учителя,родители, студенты и школьники, все, кто имеет отношение к сфере образования, будутделиться своими пожеланиями относительно работы нашей Образовательной Програм-мы. Вероятно, в скором будущем мы начнем извещать на страницах журнала учителейи школьников о планируемых конференциях: месте их проведения, о составе лекторови тематике лекций, с тем, чтобы облегчить распространение информации за пределы

ÊÊ ×× ÈÈ ÒÒ ÀÀ ÒÒ ÅÅ ËË ßß ÌÌ

Соросовской Программы Образования и привлечь большее число слушателей на этиконференции. Прошедшие в этом году первые сорок конференций доказали безуслов-ную полезность конференций, но также и выявили простое правило: там, где конферен-ции не свелись только к лекторию приезжих знаменитостей, а где были организованы спомощью местных учителей круглые столы по обмену опытом преподавателей, где, на-ряду с Соросовскими Профессорами, выступили местные профессора и учителя, успехконференций был более заметным. Наконец, на страницах журнала мы будем публико-вать имена всех победителей наших конкурсов.

Хочу также кратко рассказать о том, как будет организовано взаимодействие с чита-телями, работа редакции и экспертных советов по специальностям, которые будут ста-раться следить за одинаково высоким уровнем публикаций. Для установления обрат-ной связи между редакцией и читателями мы будем публиковать анкеты с вопросами кчитателям и придирчиво анализировать получаемую от читателей информацию. Чтобыобеспечить высокий уровень статей, при российской дирекции нашей Программы со-здано несколько советов экспертов, списки которых опубликованы в начале журнала.Экспертные советы не могут вносить никаких элементов цензурирования статей, нообязаны следить за высоким научным уровнем и хорошим, доходчивым стилем статей.Советам дано право посылать статьи на внешние рецензии, если члены советов сочтутэто необходимым, им также дано право отклонять статьи авторов и возвращать их набезусловную переделку Соросовским Профессорам (которые обязаны дважды в год го-товить обзорные лекции и соответствующие лекциям статьи для учителей). Первыйопыт работы Экспертных советов показал, что далеко не все присланные первые при-мерно сто статей оказались приемлемыми для публикации. Мы надеемся, что те Соро-совские Профессора, которым будут возвращены на переделку их статьи, поймут важ-ность нашего требования: сделать все статьи доступными учителям и школьникам,уйти от чисто академической манеры и чрезмерно узкой специализации. Решающаяроль экспертных советов в отборе и оценке статей позволит свести до минимума илидаже исключить редактуру статей. И содержание статей, и их стиль целиком и полно-стью останутся на совести авторов. Поскольку статьи будут подготовлены для журна-ла фактически по заказу Программы, она несет ответственность за то, чтобы опубли-ковать их и иметь право в будущем компоновать из этих статей сборники и книги, од-нако интеллектуальная собственность на тексты статей сохраняется за автором, и онвправе распоряжаться данной статьей по своему желанию (но обязан будет поставитьнас в известность о перепечатке статьи и указать первое место публикации — в “Соро-совском Образовательном Журнале”).

Я надеюсь, что выпуски журнала, в которых лучшие ученые и преподаватели страныобменяются своими идеями, взглядами на сегодняшнее состояние науки и ее развития,не будут залеживаться на полках библиотек и несомненно помогут поддержать тот вы-сокий уровень, который характеризует российские образование и науку.

Главный редактор “Соросовского Образовательного Журнала”,Председатель Правления Международной Соросовской

Программы Образования в Области Точных Наук, профессорВ.Н.Сойфер

ÆÆ ÓÓ ÐÐ ÍÍ ÀÀ ËË ÀÀ

4

Почему я отдаю сотни миллионов долларов на поддержку культу-ры, образования и науки в России? Законный вопрос. В обстановкесегодняшней России, где люди так поглощены борьбой за выжива-ние, любого, кто выбрасывает огромные деньги в погоне за некимабстрактным благом, вроде Открытого Общества, сочтут либо сума-сшедшим, либо вызывающим подозрения. Не так просто понять мо-тивы, которыми я руководствуюсь, оказывая помощь, но я все-такипопытаюсь их объяснить.

Во-первых, я нахожусь в завидном положении: у меня денегбольше, чем мне нужно для личных целей и для моей семьи. Я сде-лал свое состояние путем инвестиций и игрой на бирже. В 1979 го-ду, когда мое личное состояние достигло 20—30 миллионов долла-ров, я решил, что у меня вполне хватает денег для себя и своейсемьи, и далее нет большого смысла стараться заработать еще боль-ше, не имея четкого представления о том, как я хочу использоватьэти деньги. После долгих размышлений я пришел к выводу, что мнебольше всего хотелось бы способствовать преобразованию закры-тых обществ в открытые и сделать открытые общества более жиз-неспособными, поскольку люди, подобные мне, могут процветатьтолько в открытом обществе.

Я стал приверженцем идеи Открытого Общества еще в молодо-сти. Мне было 14 лет, когда немцы оккупировали мою Родину —Венгрию и начали отправлять евреев в концентрационные лагеря сцелью их уничтожения. К счастью для меня, мой отец сразу понялсущность нацистского режима. Он сказал мне тогда, что это — неза-конный режим и наиболее правильным поведением будет неподчи-нение законам незаконного режима. Отец добыл поддельные доку-менты и нашел убежища для всех членов своей семьи и для несколь-ких своих друзей. Большинству из нас удалось пережить войну.

Затем я испытал все прелести советской оккупации Венгрии и на-саждавшегося коммунистического режима. Эта новая форма ре-прессий вынудила меня покинуть страну и уехать в Англию в возра-сте 17 лет. Вот так, еще в юном возрасте, я получил урок, насколькоэто важно — при каком режиме ты живешь. Зачастую это вопросжизни и смерти. В Англии я ознакомился с идеей Открытого Обще-ства из работ Карла Поппера, который показал, что фашизм и ком-мунизм по существу очень схожи: и тот, и другой претендуют на об-ладание абсолютной истиной и исходят из того, что цель оправды-вает средства. Такого рода доктрины, при воплощении их в жизнь,приводят к закрытому обществу, в котором личность подчинена кол-лективу, над обществом доминирует государство, а государство слу-жит некой догме, выдаваемой за абсолютную истину. В таком обще-стве нет свободы.

Однако свобода сама по себе еще не гарантирует открытости об-щества. Я думаю, что главный урок из истории последних пяти летсостоит в том, что на одном лишь преследовании собственной выго-ды открытого общества не построишь. Для становления свободного иоткрытого общества отсутствия репрессий еще недостаточно. Нужнодумать и об общей пользе. Ничем не сдерживаемое стремление к соб-ственной выгоде, без учета выгоды общественной, оказывает разру-шительное действие.

Я зарабатываю деньги конкуренцией на рынках, но я вовсе непревозношу конкуренцию в ущерб сотрудничеству. Я не считаю,что конкуренция приводит к оптимальному распределению ресур-сов, и выживание сильнейших не могу признать самым желаемымрезультатом. Мы должны бороться за определенные фундамен-тальные ценности, такие, как социальная справедливость, которыене могут быть достигнуты в результате ничем не сдерживаемой

ДЖОРДЖ СОРОС

ÏÎ×ÅÌÓß ÏÎÌÎÃÀÞÐÎÑÑÈÈ?

Соросовский Образовательный Журнал, 1, 1995

5Джордж Сорос. Почему я помогаю России?

конкурентной борьбы. Именно потому, что я до-стиг успеха на рынке, я могу себе позволить защи-щать эти ценности. Я — классический “либерал,ездящий в лимузине”. Я верю в то, что именно тем,кто извлек наибольшую пользу из существующейсистемы, надлежит приложить усилия к тому, что-бы ее улучшить.

Сам я делаю, что в моих силах, используя свойличный капитал, чтобы подать пример другим, в ча-стности, западным правительствам. Я предоставилболее 120 миллионов долларов, чтобы помочь уче-ным из России и из других стран бывшего Советско-го Союза, действуя через Международный НаучныйФонд (International Science Foundation — ISF), и еще25 миллионов долларов на помощь учителям и пре-подавателям — через Международную Соросов-скую Программу Образования в Области ТочныхНаук (International Soros Science Education Program —ISSEP). Я хотел доказать, что западная помощь мо-жет быть эффективной, и естественные науки по ря-ду причин оказались наилучшей областью, где этоможно было доказать. Советская наука — это выдаю-щееся достижение человеческого разума, и онавполне заслужила то, чтобы ее сохранить. Ученыебыли и остаются на переднем крае борьбы за Откры-тое Общество. Кроме того, попытка помочь естест-веннонаучному образованию и научно-исследова-тельской деятельности имела неплохие шансы на ус-пех еще и по той причине, что в этой области суще-ствуют надежные критерии в оценке имеющихся за-слуг и на проведение отбора можно было мобилизо-вать международное научное сообщество.

Уже после того, как механизм помощи россий-ским ученым был запущен, я решил сделать ещеодин шаг в своей филантропической деятельности ипредоставил значительные средства в помощь есте-ственнонаучному образованию. Этот шаг преследо-вал, пожалуй, даже более важную и, главное, болеедолговременную цель. Российская система образо-вания уже давно снискала себе славу одной из луч-ших в мире, она оказывала и продолжает оказыватьплодотворное влияние на развитие мировой науки икультуры. Разрушение этой системы из-за экономи-ческих трудностей, переживаемых Россией в по-следние годы, могло бы вызвать очень неблагопри-ятные последствия — и для России, и даже для все-го мира. Поэтому я решил направить средства наподдержку лучших учителей средней школы, луч-ших университетских профессоров и доцентов, настипендии лучшим студентам и аспирантам, на про-ведение олимпиад, пробуждающих у талантливыхшкольниц и школьников активный интерес к наукеи привлекающих к ним внимание со стороны уни-верситетских преподавателей. Я уверен, что хорошообразованные люди в состоянии удержать Россию влоне цивилизованных государств. То же относилосьи к другим странам бывшего советского блока, но ясмог пока выделить средства для Образовательных

Программ в области точных наук лишь для России,Украины, Белоруссии и Грузии.

Прежде чем начать финансирование Образова-тельной Программы, я попросил разработать четкиеправила для определения того, кого считать лучшимучителем или профессором, студентом или аспиран-том. Механизмы были разработаны и обнародова-ны. Я слышал много отзывов о работе этой Про-граммы от самых разных людей из России — от ми-нистров до простых преподавателей. И я рад былубедиться, что вся работа Образовательной Про-граммы построена на ясных принципах ОткрытогоОбщества: отбор лучших осуществляется по четкимправилам, на основе опросов большого числа лю-дей, разработаны новые способы их объективнойколичественной оценки. И эти правила широко об-народованы, открыты для обсуждения и критики.

Тем же целям служит и организуемая в рамкахОбразовательной Программы серия конференций,на которых лучшие профессора знакомят учителейсредних школ с последними достижениями науки. Япридаю серьезное значение новому Образователь-ному журналу, в который профессора направляютстатьи, подготовленные на основе прочитанныхими лекций. Я, наконец, доволен тем, как была ор-ганизована Олимпиада школьников, в которой при-няло участие более 7 тысяч учащихся.

В целом, обе программы, о которых я говорил,успешно справились с созданием системы социаль-ной защиты лучших ученых и преподавателей, по-зволив им остаться в своей профессии в это трудноевремя экономических преобразований. Мы доказа-ли правильность нашего подхода. Теперь дело пра-вительств — и западных, и восточных — помочьэтим так хорошо зарекомендовавшим себя програм-мам. Но, несмотря на успех Международного Науч-ного Фонда и Международной Соросовской Про-граммы Образования в области точных наук, я неимею намерений продолжать финансировать их водиночку. На 1995 год правительства России, Укра-ины и стран Прибалтики выразили готовность пре-доставить средства для совместного финансирова-ния и предложили мне продолжить поддержку рабо-ты МНФ. Я принял их предложения и выделил до-полнительные деньги на 1995 год. В 1996 году я бу-ду продолжать поддерживать науку в России черезнедавно образованный Гражданский Научно-Иссле-довательский Фонд (Civillian Research andDevelopment Foundation — CRDF). Этот Фонд по-тратит на исследовательские гранты 10 млн долла-ров, которые состоят из равных взносов Правитель-ства США и моего собственного. Премьер-министрЧерномырдин обещал партнерское участие со сто-роны Правительства России в финансировании это-го Фонда.

Программа поддержки поездок ученых на конфе-ренции, в рамках деятельности МНФ, будет продол-жена благодаря Борису Березовскому, который от

6

имени российской компании “Логоваз” предоставилна проведение этой программы 1,5 млн долларов.Этот факт — совершенно замечательное событие,говорящее о появлении крупного мецената из числановых российских богатых людей.

Я продолжу снабжение научными журналами ре-гиональных научно-исследовательских центров, по-скольку издатели предложили настолько выгодныеусловия, что я посчитал их за дополнительное фи-нансирование.

На мой взгляд, Программа Образования в обла-сти точных наук даже важнее программ МНФ, и япродолжу полностью финансировать ее в 1996 году.У нас есть предварительная информация, что Пра-вительство России примет участие в этой Програм-ме в 1997 году.

Я непременно продолжу работу над внедрениемсети Интернет для ученых, школ, библиотек и другихпользователей, даже если не получу внешней финан-совой поддержки, потому что считаю телекоммуника-ции жизненно необходимыми для создания предпо-

сылок Открытого Общества. В рамках ПроектаТрансформации Гуманитарных Наук (TheTransformation of the Humanities Project) будет продол-жена публикация новых учебников и осуществлятьсяпереподготовка учителей. Кроме того, я готов участ-вовать в новых программах поддержки культуры,гражданского общества и средств массовой информа-ции, но не в тех масштабах, которые привыкли от ме-ня ожидать люди в России.

Богатство дало мне возможность делать то, чтомне кажется важным, воплощать в жизнь мои меч-ты о лучшем мироустройстве. Однако я не могу веч-но быть каким-то deus ex machina1 для ВосточнойЕвропы. Рано или поздно народы и избранные имиправительства должны взять на себя ответствен-ность за создание Открытого Общества — не толь-ко в России, но и во всем мире. Когда наступит этовремя, станут понятными мои мотивы и никто небудет спрашивать, почему я оказывал помощь.

1 богоданным вечным двигателем. (Ред.)

Карл Попперсо своим учеником Джорджем Соросом.Фото В.Н. Сойфера.© В.Н. Сойфер, 1994 г.


7

УНИКАЛЬНОСТЬ РОССИЙСКОГООБРАЗОВАНИЯ

Недавно мне попались на глаза письма кн. П.А.Кро-поткина своему британскому другу профессору Джей-мсу Мейвору, написанные во время, когда он жил с1886 по 1917 гг. в Англии. В одном из них он описывалжизнь семьи соседей, занятия сыновей и дочерей хозяи-на дома в средней школе и университете (повторю ещераз: Кропоткин писал не русскому, а англичанину,Мейвору, который, впрочем, хорошо знал Россию):

“С Джимми все в порядке. Он умен, всегда готов ра-ботать, к тому же делает большие успехи, насколько ямогу судить. Но, к сожалению, есть ли в мире что-ни-будь глупее, чем британская система университетскогообразования?! <...> когда Джим рассказывает мне о том,чем он занимается или чем занимаются дочери Ньюнхэ-мов, а также чем ему запрещается заниматься, что всесводится к получению отрывочных знаний лишь в од-ной узкой области науки, я действительно не могу неиспытывать впечатления, что передо мной находитсякакой-то средневековый студент. Ни физики, ни химии,ни астрономии, ни теории теплоты, ни теории света иэлектричества, ни теории упругости, ни высших разде-лов геометрии, ни статики и динамики.<...> Мы все этоизучали в Санкт-Петербурге”. (Письмо было написано21 декабря 1903 года, почти столетие назад, после двад-цатилетней жизни Кропоткина в Англии, когда он могуже на основании большого опыта сравнивать британ-скую и российскую системы образования.)

Хотя абсолютизировать это сердитое высказываниеКропоткина не нужно, хотя Великая Британия моглазаслуженно гордиться своими успехами в образованиии развитии наук, но на востоке Европы, в перешедшейпосле середины XIX века к стадии бурного промыш-ленного роста России, сложилась первоклассная сис-тема гимназического и университетского образования.Россия выходила на передовые позиции в мире. Не-

сомненно, Кембриджский, Оксфордский или Гейдель-бергский университеты представляли собой учебные инаучные институции самого высокого в мире уровня.Но они собирали сливки со всего мира и оставалисьредкими островками высочайшего знания. Подавляю-щее же большинство учебных учреждений западныхстран плавало в море посредственности. Классическоегимназическое образование в России выделяли уни-кальные особенности: естественные науки, включаяматематику, преподавали в них на высоком уровне, аклассические и современные языки – на исключитель-но высоком. Гимназисты были обязаны выполнять за-дания так называемых экстемпоралиев, то есть долж-ны были в классах, без предварительной подготовки,переводить тексты с латыни и греческого на русский иобратно. Такой уровень означал, что в будущем быв-шие гимназисты могли легко освоить любой европей-ский язык, и это стало характерным для большинствароссийских интеллектуалов. А обучение всех гимнази-стов и в Москве, и в Тобольске, и в Одессе классиче-ским языкам и одновременно двум европейским язы-кам (да еще и на примерно одинаковом уровне) откры-вало оканчивающим гимназии дорогу в мир вообще ив мир науки и культуры в частности. Все это позволи-ло России к концу XIX века почти что рывком войти вчисло самых развитых промышленно, культурно и на-учно стран мира. Пусть не Попов, а Маркони изобрелрадио, и возможно, не братья Черепановы, а Уатт по-строил первый паровоз, но российские биологи, хими-ки и, разумеется, математики приобрели всемирнуюизвестность к началу нашего века.

Невиданными темпами в России с 70–80-х годовпрошлого века стали развиваться промышленность итранспорт. И в этом отношении реальные училища сих неоспоримыми успехами в преподавании физико-химико-технических дисциплин на базе первоклассно-го математического цикла оказали решающее влияние

В.Н. СОЙФЕР

ÌÅÆÄÓÍÀÐÎÄÍÀß ÑÎÐÎÑÎÂÑÊÀßÏÐÎÃÐÀÌÌÀ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß

Председатель Правления Международной Соросовской Программы Образования в Области Точных Наук, Профессор Университета имени Джорджа Мейсона (США)

×àñòü 1. Èñòîðèÿ ñîçäàíèÿè ïåðâûå øàãè äåÿòåëüíîñòè

Сойфер В.Н. Международная Соросовская Программа Образования

© Со

йфер

В.Н

., 19

95

8

на подготовку кадров для инженерных факультетов иинститутов.

Столь же бурно начали свое развитие многие уни-верситеты России, ставшие подлинными центрамивысшего образования.

Советская власть многое разрушила в системе пре-подавания: исчезло гимназическое образование (страназакукливалась, отгораживалась от мира – больше неза-чем, посчитали вожди, учить языкам, да еще и древ-ним), университеты потеряли свою автономию и свобо-ды, но все-таки еще оставались до конца 20-х годов ста-рые кадры профессуры, и лишь ленинско-сталинскиенаборы “передовиков труда от сохи и станка” в руково-дители науки и высшей школы основательно подрубиликорни плодоносного древа высшего образования.

Но все-таки нельзя малевать все черной краской. Всоветское время в обучение было вовлечено невидан-ное раньше число школьников и студентов, были раз-работаны первоклассные программы по физике, хи-мии, математике в средней и высшей школе, обяза-тельные для исполнения по всей стране, созданы учеб-ники и задачники высокого уровня. Ни один учительсредней школы в стране не мог отойти от плановых за-даний, а вопросы для школьных экзаменов в старшихклассах печатали для всей страны, и это подтягиваловсю школьную систему на довольно высокий и, глав-ное, одинаково высокий для всей страны уровень.

В 1942–1943 годах, в пору провалов на фронте, Сталинначал понимать, что надо срочно выправлять крен с уни-верситетскими профессорами и с высшими кадрами уче-ных: им были выданы литерные продуктовые карточки(молодежь ныне и слыхом не слыхала, что значили в вой-ну для оголодавших ученых и профессоров, последнимделикатесом для которых остался шукрут из прокисшейкапусты, эти слова: “литер А” и “литер Б”, означавшиерезко повышенные уровни отоваривания в специальных –литерных магазинах, к коим прикрепляли лишь держате-лей этих особых, партийно-номенклатурных, литерныхкарточек). Затем, уже после войны, Сталин распорядилсярезко поднять зарплату профессорам и ученым, быливведены серьезные надбавки к зарплате за защищенныекандидатские и особенно за докторские степени, сущест-венно поднят гонорар за академические звания. Побоч-ным эффектом стало то, что высокий материальный уро-вень ученых высших квалификаций (академики получа-ли зарплату большую, нежели министры сталинскогоправительства) усилил притягательность научной про-фессии для талантливой молодежи и дал мощный стимулдля подготовки кандидатских и докторских диссертацийи получения соответствующих степеней.

Уже набил всем оскомину пример, повторяемый мно-гими как заклинание: когда Советы загнали первый спут-ник в космос, а затем успехом закончился полет Юрия

Гагарина по околоземной орбите, правительство СШАприняло срочные меры, чтобы подтянуть американскуюсистему образования до советской (подпорченной рос-сийской) системы и очень в этой гонке преуспело.

Отголоски этих успехов очевидны и сегодня. Когдатри-четыре года назад тысячи и тысячи российскихученых перебрались на Запад, европейские и амери-канские научные и учебные заведения получили высо-кого класса кадры. Российские специалисты успешновступили в конкуренцию с теми, кто в течение послед-них десятилетий приобрели авторитет лучших работ-ников – китайцев, вьетнамцев, индусов, иранцев. Вкаждом американском университете теперь встретишьпрофессоров из России. Я знаю несколько кафедр, гдепришельцы из России заняли все должности, и теперьпо совместному уговору семинары преподавателей наэтих кафедрах проходят то на английском, а то на рус-ском: все члены этих кафедр еще не забыли его.

УСПЕХИ И НЕДОСТАТКИЗАПАДНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Американское высшее образование (о школьном по-говорим чуть позже) признается во всем мире. Высоко-техничное, использующее последние новинки науки итехники обучение американских студентов не вызывалонареканий до недавнего времени. Не может не вызыватьвосхищения разветвленность системы американскогообразования: 1964 университета (в России – порядкасотни!) и 1416 двухгодичных колледжей (готовящих уз-ких специалистов определенного профиля) – эти цифрыв комментариях не нуждаются. Добавить к этому не-сколько тысяч одногодичных профессиональных школ –и кажется, не о чем говорить и спорить. В конечном сче-те выпускники американских университетов обеспечи-вают себе высокий материальный уровень после оконча-ния обучения и защиты соответствующего диплома илидиссертации (см. табл. 1), а также завоевали самую вы-сокую в мире репутацию, что послужило основаниемдля установления традиции: те, кто хотят в будущем за-ниматься наукой, стремятся получить американскиедипломы и затем уезжают обратно в свои страны, гделегче добыть работу. В некоторых областях науки сталоправилом для будущих европейских ученых сначала по-лучить американское образование или пройти американ-скую аспирантуру. По этой причине в каждом из амери-канских университетов учится сейчас огромное числоиностранных студентов, по окончании возвращающихсяв свои страны. Это экономически важно и для самихамериканских университетов: иностранные студентывынуждены выкладывать гораздо большие деньги заобучение в США, чем местные жители, но это все равнооборачивается для приезжих выгодой, так как гаранти-рует им занятие высоких должностей на родине.


9

Несмотря на эти успехи, сегодня голоса озабоченно-сти уровнем знаний студентов, особенно на первыхкурсах, звучат громко. Все более ясным становится,что американская средняя школа в целом дает не глубо-кое, а поверхностное образование будущим студентам,и на первых курсах приходится многому студентов до-учивать еще за прошлый – школьный период. К томуже велика неравномерность знаний: какие-то предметыбывшие школьники знают хорошо, а по каким-то у нихнедопустимо низкий уровень (причем у каждого сту-дента свой индивидуальный набор хорошо прорабо-танного и фактически нулевого знания материала, чтообусловлено американско-английской системой сво-бодного выбора дисциплин учащимися: хочу – учу это,хочу выберу другой курс, дело мое). Хотя все школьни-ки должны набрать обязательный минимум часов покаждому из главных предметов – физике, химии, мате-матике и биологии, но выбор и преподавателей и ком-понентов курсов различен (скажем, можно набратьстолько и таких физических курсов, что остаться лишьповерхностно знакомым с предметом, но по числу тре-буемых часов удовлетворить и диплом бакалавра илимагистра получить). Поэтому столь современно звучатслова Кропоткина о полуобразованности и лакунах взнании основных предметов в применении к американ-ской системе образования.

Слова Кропоткина очень созвучны тому настрое-нию, которое я испытываю после семилетней работыпрофессором в американских университетах и котороесложилось от участия в спорах думающих и озабочен-ных американских профессоров. Конечно, Гарвард,Стенфорд, Беркли и примерно еще два десятка лучших

университетов США привлекают к себе наиболее под-готовленных абитуриентов со всего мира, и после же-сткого отбора эти университеты оставляют себе хоро-шо подготовленных студентов. Однако и в этих уни-верситетах профессора открыто заявляют о заметномпадении знаний первокурсников, да и не эти универси-теты определяют средний уровень остальных двух ты-сяч университетов. Этим объясняется обеспокоен-ность и лучших профессоров и вообще руководителейобразования и науки США понижением образователь-ного статуса молодежи, прежде всего выпускниковсредних школ, почти полным отсутствием гуманитар-ных знаний у тех, кто решил посвятить себя специаль-ным или техническим профессиям. Одни из таких сту-дентов заранее, еще с начальной школы, нацелилисьна компьютеры и остались стерильно несведущими вовсем остальном, другие решили быть нейробиологамиили хирургами и осваивали курсы только из того набо-ра, который им будет важен в их будущей специализа-ции. Сегодня, как говорят американские специалистыв области образования, около 85% американских юно-шей и девушек не знают простейших правил арифме-тики и без счетных машинок просто бессильны, дру-гие бьют тревогу, что телевизионная зараза отучилаамериканских детей от книг, поэтому теперь дажеобычные книги, с которыми проходила вся жизнь ихродителей, перестали быть бумажными, а перекочева-ли на дискеты компьютеров, и если дитяте захочетсячто-то почитать из классики, он возьмет диск с Шекс-пиром и прильнет к дисплею.

Я не хочу брюзжать и жаловаться на студентов аме-риканских университетов: они толковы, упорны в до-

Таблица 1Средняя зарплата в США в 1993–1994 учебном годах (US $)

Университеты, имеющие правоприсуждать степени докторов наукПрофессор 68 700Доцент 48 630Ассистент 41 130Преподаватель 29 230

Университеты, имеющие право выдавать дипломы магистраПрофессор 56 450Доцент 45 070Ассистент 37 420Преподаватель 28 760

Колледжи, присуждающие диплом бакалавраПрофессор 50 080Доцент 39 960Ассистент 33 450Преподаватель 27 260

Двухлетние колледжиПрофессор 48 670Доцент 40 550Ассистент 37 420Преподаватель 29 630

По данным Американской Ассоциации Профессоров

Лица со степенью доктора наук 59 459Лица с дипломом магистра 49 437Лица с дипломом бакалавра 28 302Лица, окончившие какие-либо колледжи без степени 16 200По данным последнего опроса населения, Статуправление США

Cредний доход всех взрослых жителей США, получавших вознаграждения за труд в 1992 г.


10

стижении целей, они работают не в пример большероссийских студентов, но только по избранным дис-циплинам – по тем, которые они сами для себя избра-ли из большого числа курсов, предлагаемых в рамкахкаждой специализации. И еще: они удручающе серы втом, что называется широким гуманитарным образо-ванием. Чего нет почти на сто процентов, так именноэтого. Записываясь на любой курс, они обязаны выло-жить большие деньги и старательно пытаются полу-чить за них все возможное. В моих группах плохихстудентов, которые получают отметки на уровне тро-ек, каждый год бывает не более двух-трех на несколь-ко десятков отличников. Словом, я вполне доволентем, как они у меня учатся, но все-таки каждый год янаталкиваюсь на одно и то же: стоит немножко уйти всторону от учебника или в сторону от предмета, каквыясняется, что знания американских студентов отры-вочные и узкие. Главной причиной этого, как я теперьпонял, стали следующие обстоятельства:

1. Свобода выбора предметов школьниками и студен-тами, начиная со средней школы и кончая институтом.За каждый курс назначается определенное количествобаллов и надо набрать некую сумму баллов, пройти че-рез заданное число экзаменов, чтобы получить соответ-ствующий диплом. Поэтому ученики и студенты наби-рают интересные им предметы и старательно обходят те,что им персонально не интересны. Отсутствие заданнойсуммы знаний, охватывающих тот круг, который позво-лял бы при прочих равных условиях называться челове-ку образованным, как это было в России на протяженииболее столетия, заставляет сейчас многих университет-ских профессоров говорить и писать на тему о том, какважно ввести в средней школе в США так называемый“Core Curriculum” или “Основной свод знаний”. Иначенередко человек, претендующий на то, что он образован(диплом же получен!), остается недоучкой во множест-ве областей, без которых такой специалист словно коря-вое дерево – вытянут в одном направлении, но недораз-вит, сжат и усечен в других. Эта традиция свободноговыбора стала результатом борьбы за личную свободу ввыборе всего на свете, включая предметы для обучения,о чем печалился еще в начале века князь Кропоткин.Свобода – прекрасная вещь, но и издержки ее всемерно-сти (или безмерности) также очевидны.

2. Другой фактор – свобода преподавателей учитьтолько тому, что им лично кажется необходимым и важ-ным. Во-первых, каждый американский профессор ввузе может разработать любой им придуманный курс и,если его одобрят коллеги (а в некоторых университетахи без такого одобрения), читать такой собственныйкурс, во-вторых, выбрать любой учебник из десятков,предлагаемых издательствами, и, в-третьих, опуститьиз учебника любую тему, которую он знает хуже или

которая ему кажется несущественной. Если дирекцияшколы или руководство вуза разрешило этим препода-вателям вести данный курс, – остальное их дело. Что-бы не быть голословным, сошлюсь на мнение профес-сора Мичиганского Университета Хэралда Стивенсона,который в течение нескольких лет изучал преподаваниев школах Китая, Японии, Тайваня и США и писал тригода назад:

“В США не существует ни общегосударственнойпрограммы, ни основных направлений обучения.Обычно американские школы разрабатывают собст-венные планы обучения. Такие школьные планы могутменяться каждый год в пределах города или даже в пре-делах одной школы. Еще большую сумятицу в про-граммы обучения вносит тот факт, что учителям позво-ляется придерживаться учебника только в той степени,в которой они сами этого захотят. Они также могут опу-скать те разделы учебников, которые покажутся им неочень интересными или не очень полезными”.

Сложившиеся в России за десятилетия и подправля-емые по мере накопления новых знаний обязательныедля всех школ программы обучения по каждому пред-мету – это именно тот “Cоre Curriculum”, который сей-час пытаются ввести в США (кстати, только что Нацио-нальная Академия Наук США опубликовала толстыйтом с описанием такого “Core Curriculum”, разработан-ного несколькими группами уважаемых в стране экс-пертов в области школьного и высшего образования).

3. Замечательное преимущество американских школи вузов – только письменные проверки знаний по ходукурса, только письменные экзамены в конце курса, ника-ких устных экзаменов, даже опросов, да еще, упаси Бог,в присутствии других соучеников, оборачивается одной,пусть незначительной на первый взгляд, но существен-ной при более глубоком анализе негативной стороной.Опять-таки, прошу понять меня правильно: письменныеэкзамены, когда всем студентам группы раздают листы содинаковыми вопросами, и студенты должны вписать воставленное пустым пространство краткие ответы наэти вопросы, имеют много привлекательных сторон, таккак ставят всех студентов в равное положение, исключа-ют пристрастность и не дают права склочникам (числокоих в Америке с каждым годом растет все более замет-но, параллельно с ростом числа юристов, – это поти-хоньку становится трагедией прекрасной страны, но этоотдельная тема для разговора) жаловаться на неправиль-ные отметки и предвзятость к нему/ к ней лично из-зарасовых, религиозных или иных возможных предрас-судков. Написал все, что хотел, и жаловаться вроде бынекому. А если пожаловался, на кафедре тут же соберуткомиссию, она изучит написанное и вынесет вердикт.Просто. Демократично. Практично. В России препода-ватели на всех уровнях (и в школе, и в вузе) опрашива-


11

ют студентов по ходу уроков и семинаров, вызывают кдоске решать задачки на виду у всего класса или группы,и никто не видит в этом никаких моральных или прочихнеудобств. В США в вузах – это категорически невоз-можно, нельзя ставить кого-то в неловкое положение,нельзя обнародовать для всего класса результаты проме-жуточных и финальных экзаменов, отсутствует произ-вольная (по желанию учителя) индивидуальная провер-ка знаний при устных экзаменах, когда, увидев, что уче-ник поплыл в каком-то разделе, преподаватель имеетвозможность допросить его с пристрастием. Отсюдапроистекает более формальное отношение к знаниямшкольников и студентов и невозможность индивидуаль-ного подхода к глубокой, или, скажем так, – всесторон-ней, проверке знаний, укоренившейся в России, а как ре-зультат: средне приниженный уровень полученных и за-крепленных в памяти студентов знаний.

4. В большинстве американских школ и во всех вузахшкольники и студенты не приписаны к какому-то клас-су, а набирают себе дисциплины и конкретных учителейи ходят на их занятия. Например, чтобы закончить сред-нюю школу в районе Вашингтона, нужно набрать в по-следние четыре года в школе по одному из разделов ма-тематики каждый год, разделы физики, биологии и хи-мии в последние три года. Но в рамках, например, этихматематик вовсе не обязательно пройти все – алгебру,геометрию, тригонометрию, начала дифференциально-го исчисления. На выбор предлагается несколько десят-ков меньших по объему математических курсов, и надолишь иметь по одному такому курсу каждый год в тече-ние четырех лет. Не прошел всю математику, так этотвое дело. То же происходит и с физикой, и с другимиосновными дисциплинами. Про неосновные и речь неидет: тут уж твоя собственная самодеятельность. Но разты сам набираешь предметы, то нет и одного и постоян-ного класса: школьник или школьница выбирают себекурсы и свободно мигрируют: приходят на уроки ваудитории, где ведет занятия избранный учитель, наследующий урок – в другую аудиторию. Так теряетсяпонятие коллектива, которого нет вообще в университе-тах – там незнакомые друг другу индивидуальные сту-денты кочуют из аудитории в аудиторию и кого-то зна-ют в данном классе, – с ним могут перекинуться паройфраз, а кого-то не знают и в упор не видят. Никого,впрочем, это и не волнует, даже более того, при такойсистеме, как считают американцы, труднее списывать(сосед тут же донесет на пользующегося шпаргалкой), асо списыванием в Америке нещадно борются (доноси-тельство приветствуют!). Но исчезает важное свойствоклассного обучения, – семьи, в которой друг другу по-могают, в которой всё друг о друге знают, где, наконец,незазорно вслух прочесть отметки, в расчете на то, чтовдруг это подействует на совесть (или амбиции) отстав-

шего. В США после такого “стриптиза” студенты могутдобиться, чтобы преподавателя, предавшего гласностиперсональные сведения, попросту убрали из класса. От-сутствие же коллективного обучения лишает обучаю-щихся не только важного компонента социальной жиз-ни, но и более плодотворного способа доведения зна-ний до каждого, расширения соревновательности, о ко-торой вместе с тем американцы так пекутся.

В заключение этого раздела я должет отметить, чтосказанное выше относится к подавляющей части аме-риканских школ и колледжей, но все-таки не ко всем.В богатых пригородах крупных городов, в некоторыхдругих местах есть прекрасные школы, где учителя небоятся спрашивать студентов у доски (такова традицияэтих школ, таковы правила, утвержденные родитель-скими комитетами школ – к слову сказать, исключи-тельно влиятельными органами во всей Америке), гдетребования к набору обязательных предметов сильноподняты над среднеамериканским уровнем, где школь-ники кочуют из класса в класс, но из-за небольшогочисла школьников и из-за разветвленных внеклассныхмероприятий, в которых все школьники участвуют,они знают хорошо друг друга и остаются на всю жизньсвязанными школьным братством. Эти прекрасныешколы поставляют студентов в лучшие университетыСША, они пользуются большой популярностью. Я жеговорю об обычных – “паблик” школах.

Другое исключение – частные школы. В большинст-ве из них есть и постоянные классы, и обязательные на-боры предметов, и многие другие черты, схожие с чер-тами прежних российских гимназий. Но число частныхшкол так невелико, и количество их оканчивающих такмало, что не они составляют лицо американских школ.

Те же оговорки следует отнести к частным и престиж-ным университетам, типа Гарвардского, Пенсильванско-го, Йельского и им подобным. В прошлом году за годобучения в этих университетах надо было отдать от 26 до32 тысяч долларов. Немногие могут себе позволить такоеобразование. Да еще попасть в них надо, пройдя черезжесткий конкурс (для этого прежде всего кончить пре-стижные средние школы, иметь высокие оценки, про-явить себя каким-то особым образом – завоевать нацио-нальные награды, премии и т.п.). Поэтому я не говорю оних и порядках в них, я говорю об остальных тысяче де-вятистах с чем-то университетах Америки, то есть о сис-теме университетского образования. Система американ-ского образования нуждается в ревизии и улучшении,что, впрочем, американцы осознают и чего они добьют-ся (к чести американского общества, динамизм в переме-нах в нем впечатляет более всего: дистанция от понима-ния проблемы к исправлению ситуации на базе этого по-нимания не займет десятилетия, как это случается чащевсего в более консервативных обществах).


12

Сравнивая системы американского и российскогообразования, сложившиеся традиции в рамках обеихсистем, я и утверждаю, что если есть в России богатст-ва, так это ее традиционная система среднего образова-ния, которую надо было бы сохранить. А в этой систе-ме есть драгоценные самородки – лучшие учителя,чьим умом, талантом и самопожертвованием умножа-лось, удерживалось десятилетиями и должно удержи-ваться и умножаться в будущем достояние нации. Соб-ственно, на это и нацелена Международная Соросов-ская Программа Образования в Области Точных Наук.

ЕЩЕ НЕСКОЛЬКО АРГУМЕНТОВ В ПОЛЬЗУ ПОДДЕРЖКИ РОССИЙСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Год назад газета “Вашингтон Пост” напечатала резуль-таты двухлетнего опроса преподавателей университетов в14 странах, включая Россию, проведенного Центром поизучению перспектив образования Фонда Карнеги, когдасотрудники этого фонда опросили 20 тысяч преподавате-лей (рис.1). На вопрос: “Каким Вам самим представляет-ся Ваше жалованье?”, 67% преподавателей Гонконга, 55%голландских преподавателей, от 44 до 42% их немецких иамериканских коллег назвали его “хорошим” или даже“блестящим”. Российских респондентов, так оценившихсвою зарплату, оказалось всего 4% (да и те, сдается мне,слукавили). Хуже них отозвались о своем материальномположении только преподаватели вузов Израиля и Чили.

Тем не менее, тяга учить студентов у российскихпреподавателей оказалась выше всех в мире (более60% признало, что их главный стимул к работе в учеб-ных институтах заключается в том, чтобы препода-вать). Если у американских преподавателей проценттак ответивших был близким российским, то у израиль-ских, немецких, шведских, японских и голландскихпрофессоров, доцентов и ассистентов только 20–30%опрошенных отметило, что их главные интересы лежатв сфере обучения студентов, остальные предпочли бызаниматься чистой научной деятельностью. Это озна-чает, что российские преподаватели вузов – это те лю-ди, которые пошли преподавать не потому, что оказа-лись неудачниками в науке и мечтают вернуться в нау-ку целиком, а потому что они несут в своем сердце ин-терес именно к этому виду активности. Чуть более 60%российских преподавателей также отметили, что ихпрофессия пользуется уважением в обществе (Россия вэтом отношении стоит на 6-м месте после Бразилии,Англии, Кореи, Японии и США), хотя только двадцатьс небольшим процентов опрошенных в России согла-сились с тем, что к их мнению безусловно прислуши-ваются лидеры страны при принятии решений.

Во всех странах, кроме Кореи, преподаватели вузовотмечают недостаточную подготовку школьниковсредними школами. Только корейские профессора (бо-

лее половины их) посчитали, что средние школы долж-ным образом приготовили своих выпускников к учебев вузах. В отличие от них только 25% россиян отмети-ли, что будущие студенты приготовлены адекватно за-просам высшей школы. Две трети студентов, по ихмнению, к учебе в вузах не готовы.

Однако тут следует прислушаться к результатам,полученным проф. Хэралдом Стивенсоном, сравни-вавшим азиатских и американских школьников(рис.2), так как его данные позволяют несколько сни-зить накал критики со стороны российских педагогов,не знающих, что в других странах, включая наиболееразвитые, школьники подготовлены еще хуже. Иссле-дования Стивенсона продемонстрировали, что, напри-мер, американские дети, только еще поступающие впервый класс школы, при огромном различии междуними, все-таки в среднем неплохо читают: в масселучше, чем китайцы, тайваньцы или японцы. Но уже кпятому классу это преимущество полностью теряется.Подготовленность к математике у первоклассников изПекина много выше их сверстников из Чикаго, а к пя-тому классу чикагские дети отстают и от китайцев, иот японцев, и от тайваньцев еще более.

В то же время надо учитывать, что американские ро-дители (опрашивали в основном мам!) уверены без те-ни сомнения, что их дети богато одарены от рождения,прекрасно успевают в школе и вообще лучшие в мире.Такого самомнения несравнимо (чуть ли не в 5 – 8 раз)меньше у китайских, японских и тайваньских мам. Этотоже характерная черта американцев, тонко подмечен-ная Стивенсоном и, на мой взгляд, отличающая их и отрусских родителей. А отсутствие такого самомненияпомогает реальнее, строже и продуктивнее относитьсяк учебе детей, растить не заносчивых снобов.

Превалирующим желанием детей с Востока оказа-лось желание получить образование. У чикагских де-тей главенствует желание стать богатым или получитьв подарок какие-то вещи (рис.3). Я думаю, что во мно-гих вопросах российские дети и их родители все-такиближе пока к китайско-японскому варианту, нежели камериканскому, и это дает надежду на то, что поддерж-ка образования в России может еще сохранить то пре-имущество, которое имела Россия в системе образова-ния на протяжении последних полутора веков и те на-циональные черты, которые выдвигали страну Досто-евского, Чехова и Толстого, Мусоргского, Римского-Корсакова и Чайковского, равно как Лобачевского,Менделеева и Кольцова на одно из первых мест в мире.

ДЖОРДЖ СОРОСИ ПОДДЕРЖКА НАУКИ В БЫВШЕМ СССР

Как Сорос пришел к тому, чтобы выделить огром-ные деньги на поддержку образования в России, Укра-


13

Результаты опроса 20 тысяч преподавателей вузов в 13 странах мира и ГонконгеОпрос проведен сотрудниками Центра по изучению перспектив образования Фонда Карнеги

в 1993–1994 годах и опубликован в газете “Вашингтон Пост” 20 июня 1994 года

Как Вы оцениваете свою зарплату?Процент оценивших ее как “хорошую” или “прекрасную”

Считаете ли Вы, что мнение представителей Вашейпрофессии рассматривается как мнение подлинных лидеровв вашей стране?Считают, что именно так (%)

Согласны ли Вы с тем, что уважение к представителямВашей профессии падает?Согласны (%)

Считаете ли Вы, что умение студентов письменно и устнообщаться с окружающими соответствует предъявляемым кним требованиям?Считают, что именно так (%)

Лежат ли Ваши интересы преимущественно в преподаванииили в исследовательской работе?

Рис. 1

0

КореяЯпония

БразилияШвецияМексикаГонконгРоссияСША

АвстралияЧили

ГерманияИзраиль

Великобритания20 40 60 80 100% 0

КореяШвецияЯпонияРоссияМексикаСША

АвстралияГонконгЧили

Израиль

100%20 40 8060

0

БразилияВеликобритания

КореяЯпонияСШАРоссияИзраиль

АвстралияМексика

ЧилиГерманияГонконг

ГолландияШвеция

20 40 60 80 100% 0

РоссияЧили

МексикаСША

БразилияАвстралияГонконг

ВеликобританияКорея

ИзраильГерманияШвецияЯпония

Голландия20 40 60 80 100%

в преподаваниив исследовательскойработе

0

ГонконгГолландияГермания

СШААвстралияБразилия

ВеликобританияШвецияМексикаКореяЯпонияРоссияИзраиль

Чили20 40 60 80 100%


14

ине, Белоруссии и Грузии? Я не могу указать какую-токонкретную дату начала его интереса к российскомуобразованию: наверное, так же, как созревает подспуд-но каждое явление, как растет плод на дереве или ре-бенок в окружении взрослых, так постепенно подви-гался к этой мысли Джордж Сорос. Для меня эта исто-рия окрашена в тона слишком личные, так как я могнаблюдать собственными глазами его поворот к вопро-сам образования (как, возможно, могли наблюдать этоеще несколько человек, например, Теодор МатвеевичШанин из Манчестерского университета). В январе

1987 года в моей московской квартире появился мил-лиардер Джордж Сорос, приехавший в СССР, чтобывпервые прощупать возможность создания организа-ции, которая бы помогала интеллектуалам знакомить-ся с западным миром и тем обогащать свое мировоз-зрение. В то время я уже почти семь лет как был вы-гнан с работы, перебивался случайными заработками,чтобы прокормить двоих маленьких детей, жену и се-бя, активно участвовал в отказном и одновременно вдиссидентском движении. Оговорюсь сразу: евреи-от-казники Сороса не интересовали, он задумал начатьтратить деньги на то, чтобы открыть мир не тем, ктособирался покидать страну навсегда, а тем, кто состав-лял цвет интеллектуалов страны, но остального мираеще не видел и не знал. Он предвидел, что в будущемэти люди могли бы сыграть ведущую роль в преобра-зовании закрытого советского общества в открытоеобщество, то есть общество плюралистического типа.

Мы провели с ним часа четыре: он рассказывал освоих философских взглядах, о своем учителе КарлеПоппере (года за два до этого на моем подпольном се-минаре ученых-отказников Ю.Черняк сделал доклад оработах и идеях Поппера, после семинара многие егоучастники, и я в их числе, принялись штудировать пе-реведенный на русский труд Поппера “Логика и ростнаучного знания”, так что волей случая я был к разго-вору о Поппере подготовлен). Главной же темой разго-

706050403020100 Деньги

ПЕКИН ЧИКАГО

Вещи Исполнениефантастических

желаний

Получениеобразования

Рис. 3. Сравнение превалирующих интересов у школьников изПекина и Чикаго к обладанию деньгами, вещами,исполнению фантастических желаний (например к полетуна Луну) и к получению образования. Данные полученыгруппой Стивенсона (см. рис. 2).


Рис. 2. Сравнение уровня подготовкиазиатских и американских школьников вчтении и математике. Группа профессорапсихологии Х.Стивенсона из МичиганскогоУниверситета (г. Энн Арбор) исследовалауровень самостоятельного чтения иумения решать математические задачки втечение более 10 лет. Каждая точка награфиках представляет усредненныеданные, полученные в отдельныхобследованных школах. Предложенныеиспытуемым тесты показали, что если вчтении американские первоклассники вряде школ обгоняли первоклассников изВосточной Азии, то к пятому классу этопреимущество было полностью потеряно.В математике же преимуществоазиатских школьников было значитель-ным и у первоклассников, и у школьниковпятого класса. (См. статью Стивенсона вжурнале “Scientific American”, 12, 1992;русский перевод в журнале “В мире науки”, 2-3, 1993.)

15

вора была идея Сороса открыть закрытую советскуюсистему. Он также попросил меня уговорить Сахаровапринять его, что я и сделал. Правда, Андрей Дмитрие-вич тогда не оценил глубины соросовской идеи и со-мневался в возможности такого открытия закрытогомира, какое виделось Соросу.

Забегая вперед, могу сказать, что Сорос своего добил-ся. Когда-нибудь скрупулезные исследователи, которыене пожалеют времени и сил, изучат списки тех, кто наденьги Сороса впервые побывал на Западе, поработалтам в библиотеках и лабораториях, выступил с лекциями,дискутировал с коллегами, узнавал детали организациидемократического общества. Они увидят воочию, чтосвоими деньгами Сорос сделал казавшееся невозмож-ным Сахарову, а именно – помог расширить кругозормножеству из тех людей, которые совершили своими ру-ками перестройку и которые сейчас стараются участво-вать в управлении новой страной (я все-таки никак не мо-гу согласиться с теми, кто продолжает упрямо твердить,что ничего в стране не изменилось, лишь воровать сталибольше, да “коммуняги” перекрасились в “демократяг”).

В марте 1988 года мы с женой и сыном оказались вСоединенных Штатах. У меня уже был подписан дого-вор с Университетом Штата Огайо – одним из самыхбольших в США. Джордж не забывал нас, приглашалнесколько раз в Нью-Йорк, мы часто разговаривали потелефону. Через два года меня пригласил на работуУниверситет имени Джорджа Мейсона в пригородеВашингтона. Теперь наши встречи с Соросом сталиеще более частыми. Я не могу сказать, что у меня бы-ла уйма свободного времени, его не хватало порой насон, американская действительность оказалась гораз-до более требовательной, чем я ожидал, но от встреч сСоросом я никогда не уклонялся, потому что с ним бы-ло всегда очень интересно (слово очень здесь к месту).

Одна из тем, которая стала повторяться при нашихвстречах все чаще, была тема выживания советской нау-ки. Хотя я уезжал из страны с волчьим билетом, лишен-ный гражданства, которое мне так до сих пор и не вер-нули, но злобы у меня к ней не было, да и все мои друзьяиз среды ученых как-то быстро прорезались: в письмах,в звонках. Каждый из них надеялся на ту или иную по-мощь с Запада, и я все больше втягивался назад – в ор-биту советской науки, казалось бы, навсегда захлопнув-шей передо мной дверь, когда сначала мне создали невы-носимые условия на работе, затем выгнали с нее совсеми продержали 8 лет безработным, а потом и вытеснили сродной земли. Затем мы начали совместный научныйпроект с Максимом Давидовичем Франк-Каменецким,его сотрудники зачастили ко мне. В нашем доме все ча-ще стали появляться ученые, писатели, политическиедеятели из СССР. Связи наладились, потом в 1990 годуЕ.Г.Боннер пригласила меня на Сахаровский Конгресс в

Москву почетным гостем, туда же приехал Сорос, и мыпровели в Москве несколько вечеров подряд. Как-то ес-тественно Сорос тоже оказался втянутым – не только всферу советских гуманитариев, но и естественников, че-му я искренне радовался и использовал каждую возмож-ность, чтобы завести с ним разговоры о необходимостиподдержать советских ученых, попавших в беду.

Наконец настал момент, когда при очередном успеш-ном для него повороте на бирже ценных бумаг, Сорос за-работал в один день какие-то сумасшедшие деньги, чутьли не миллиард. Я узнал об этом от старого знакомого,главного редактора журнала “Нейчур” Джона Мэддокса,который знал о нашей дружбе с Джорджем. Мэддокс по-звонил мне из Лондона и сказал: “Сегодня все британ-ские газеты пишут о том, что твой друг Сорос разделфунт стерлингов и заработал на этом миллиард долла-ров”. Я повесил трубку и позвонил Соросу домой, егожена Сьюзен сказала мне, что Джордж в Москве и даламне его телефон. В Москве было около 11 ночи, но язнал, что Джордж в это время еще не спит, и набрал егомосковский номер. Вот тогда-то он мне и сказал сходу,что решил выделить на поддержку фундаментальной на-уки в бывшем СССР 100 миллионов долларов – суммунемыслимую ни по каким меркам. Ни одно правительст-во мира не собиралось выделять столько денег на по-мощь российской науке, а Джордж решил выделить ипотратить их за два года. Так началась история Между-народного Научного Фонда (сокращенно – МНФ).

СОРОС И ПОДДЕРЖКА ОБРАЗОВАНИЯ

В планы МНФ, членом Правления которой я стал,по моему предложению с самого начала была включе-на подпрограмма “Соросовские Профессора”. В Прав-лении МНФ все или почти все члены принадлежали ккатегории исследователей, а не преподавателей, и пото-му многие члены правления полагали, что лучше день-ги на Соросовских Профессоров распределить преиму-щественно среди ученых, например, среди тех, кто под-готовил наибольшее число докторов и кандидатов на-ук, а не среди профессоров вузов, для которых главнойбыла и остается лекторская деятельность. Собственноговоря, и я в своей жизни главной считал профессиюисследователя, а небольшие курсы студентам читал вкачестве хобби. Но лекторскую деятельность я любилтак же, как любил писать научно-популярные статьи икнижки. Возможно, играли какую-то роль в этом ува-жении к учителям семейные традиции: в нашей семьебыло несколько учительниц – и с папиной и с маминойстороны, возможно, еще большую роль играло то, чтомне всю жизнь везло на великолепных учителей. Мнекажется, что я хорошо знал мир преподавателей и высшейи средней школы, понимал их неоспоримую и веду-щую роль в подготовке будущих ученых и в сохране-


16

нии культурных традиций России. Именно поэтому явсе время настаивал на том, чтобы учредить настоящийконкурс для тех, кто стопроцентно учит, а не тех, ктостопроцентно работает в науке.

Когда я приехал в США и начал работать профес-сором, первое, что меня сильно изумило, было то, чтов конце каждого семестра студентов просили оценитьлектора, и эти оценки значили очень много в глазахадминистрации. Поэтому естественно, что я указална важный, по моему понятию, пункт – опрос студен-тов и выявление с его помощью тех, кто хорошо учит.Большинство членов правления МНФ возражало про-тив этого предложения. В конце концов мы началиПрофессорскую подпрограмму МНФ с самого про-стого: установили специальные гранты и звание За-служенный Соросовский Профессор для выдающих-ся ученых-пенсионеров. Консультативные комитетыМНФ в каждой из стран назвали около пятидесятикандидатов на эти звания, правление список утверди-ло. Сорос лично вручил дипломы награжденным вМоскве, Киеве, Минске, Тбилиси, процедуры вруче-ния оказались исключительно эмоциональными длянего самого, и мне было приятно за ним наблюдать вовремя этих процедур.

Споры же вокруг вопросов о том, кто должен статьактивным Соросовским Профессором (то есть не пен-сионером, или Заслуженным Соросовским Профессо-ром) продолжались более полугода. В это время Сороссогласился выделить еще 250 миллионов долларов нагуманитарное и экономическое образование в странахбывшего Союза, и тут я стал наседать на него с разго-ворами о том, что если и надеяться спасти интеллекту-альный уровень в этих странах, то прежде всего черезподдержку образования. Джордж, как водится, неочень спорил по поводу идеи как таковой, но париро-вал все речи одним вопросом: “А как ты узнаешь, когонадо поддерживать, а кого бестолку?” Волей-неволейон заставил оттачивать идеологию будущей Соросов-ской Программы Образования еще до того, как согла-сился ее финансово обеспечить.

ОСНОВНЫЕ ИДЕИ,ПОЛОЖЕННЫЕ В ОСНОВУСОРОСОВСКОЙ ПРОГРАММЫ ОБРАЗОВАНИЯ

Постепенно Сорос стал более внимательно и долговыслушивать рассуждения о поддержке преподавате-лей школ и вузов, а также лучших школьников и сту-дентов, но повторял, что нужно разработать тонкиймеханизм, который позволял бы надежно отбиратьэтих лучших. Ведь и на самом деле, ни один самый бо-гатый человек на свете не в состоянии финансово под-держать всю систему образования России – это задачаправительств. Однако финансовая поддержка неболь-

шой, но исключительно ценной для сложившейся сис-темы образования группы – тех, кто ранее добивалсявыдающихся достижений в подготовке будущих науч-ных кадров, могла бы оказаться решающей не толькодля сохранения их самих – уникальных учителей ипрофессоров, но и сохранения самой системы образо-вания. Позже в официальном объявлении о начале де-ятельности Соросовской Программы Образования таки говорилось: основная цель Программы – поддержка“интеллектуальной элиты... преподавателей-энтузи-астов, добивавшихся весомых результатов в выявле-нии талантливых учеников, в создании для них усло-вий, способствующих расцвету личности”.

Однажды я предложил Соросу следующее: чтобы вы-явить лучших учителей средней школы, надо спроситьстудентов институтов: пусть они назовут лучших из сво-их бывших учителей средней школы. Ведь в студентывузов уходят не те, кто джинсами у метро торговать хо-чет, а те, кто собирается жить знаниями и умом. Чтобывысчитать, скольких студентов надо спросить, надо ис-ходить из того, что доля лучших учителей школы не мо-жет быть больше одного процента всех учителей. Я уз-нал, сколько всего учителей преподают физику, матема-тику, химию и биологию в старших классах во всех шко-лах России, отсюда определил, что число победителейконкурса не должно превышать цифру 10 тысяч. Есликаждому студенту дать право назвать по одному лучше-му учителю по каждой из названных дисциплин, то что-бы выявить в первый год первые 3 тысячи из этих воз-можных десяти тысяч, надо опросить (соблюдая законыматематической статистики) примерно 25–30 тысяч сту-дентов, и если каждый студент назовет всех четырехучителей, будет получена цифра 100 тысяч имен, а есликто-то назовет, скажем, только одного любимого учите-ля – то меньшая цифра. Затем надо будет просмотретьвесь список названных и выявить, есть ли учителя, ко-торых назвал не один студент, а сразу несколько. Этихучителей и надо отобрать для последующего конкурса.Сам же конкурс проводить на основе анкетированияэтих учителей, причем вопросы в анкетах задавать так,чтобы получать количественные ответы, которые легкоподсчитывать, вводя данные в компьютеры и разработавспециальные программы для анализа огромного числацифр. Тогда отпадут обычные беды, сопровождающиеконкурсы: малая выборка кандидатов, понижение крите-риев отбора, протежирование своим и пр. Я полагал, чтодля того, чтобы охватить максимально большее числоучителей, надо распределить число опрашиваемых сту-дентов достаточно равномерно по стране, тогда удастсявыявить учителей и из удаленных от центра школ.(Впоследствии мы разбили страну на 10 зон и опроси-ли студентов более ста вузов, имея на каждую географи-ческую зону около 2-3 тысяч опрошенных студентов.)


17

Для отбора профессоров вузов я предложил инуюстратегию. Число профессоров, читающих полныекурсы математики, физики, химии, биологии и наук оземле и имеющих ученую степень доктора наук повсей России, как я с трудом узнал (данные эти оказа-лись почему-то засекреченными в России), было близ-ко к полутора тысячам. Поэтому на первом этапе мож-но было объявить открытый конкурс на звание Соро-совского Профессора, потребовав от конкурсантов,чтобы у них было определенное число публикаций запоследние три года в хорошо цитируемых журналах,чтобы они воспитали определенное число кандидатовнаук и чтобы они читали полные курсы достаточнобольшому числу студентов (не трем студентам в год,как это делают некоторые “киты” науки).

Чтобы поощрить лучших учеников средних школ,мне казалось достаточным организовать по-новомуОлимпиады школьников – задачи сделать не зубодро-бительными, отказаться от всяких командных пер-венств, а проводить олимпиады так, чтобы каждыйжелающий мог попробовать свои силы в таком сорев-новании. Но чтобы обеспечить каждому желающемувозможность поучаствовать в конкурсе, задачи нужнонапечатать в национальных газетах, принимать отве-ты по почте, а потом победителей собирать на очныетуры, чтобы выявлять лучших из лучших.

Мне казалось, что легко будет отобрать лучших

студентов и аспирантов по всей стране: пусть каждыйиз них пришлет доказательства своей лучшести – копиидипломов о победах в олимпиадах, оттиски опублико-ванных научных статей, тезисы выступлений на нацио-нальных и международных конференциях, копии свиде-тельств об изобретениях и открытиях, справки об уча-стии в научной работе в составе коллектива, получивше-го национальные или международные гранты. Аспиран-ты пусть также сообщат, ведут ли они занятия для сту-дентов, читают ли лекции, вообще несут ли какую-то пе-дагогическую нагрузку.

Когда вся эта система критериев сложилась, Соросповерил в то, что образовательная программа можетполучиться. Он предложил мне возглавить програм-му, написать текст объяснений о том, что за цели ста-вит перед собой программа, предложить состав буду-щего Правления программы, назвав при этом несколь-ко имен тех, кого он хотел бы видеть в Правлении, и15 февраля прошлого года он провел пресс-конферен-цию в Москве, на которой объявил, что начинает фи-нансировать Международную Соросовскую Програм-му Образования в Области Точных Наук. Содержаниепрограммы было опубликовано в “Известиях” 15 мартатого же года. Программа была учреждена в России,Украине, Белоруссии и чуть позже в Грузии.

Джордж Сорос (в центре) на церемонии вручения дипломов заслуженным Соросовским Профессорам. Москва,15 марта, 1994 г.


18

РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРВЫХ КОНКУРСОВ

Еще до того, как мы начали проводить конкурсы,небольшая группа сотрудников будущего Московскогоофиса Программы, которая была на деле группой, от-ветственной за Программу не только в Москве, а вовсей России (В.И.Янкулин, В.В.Борисов, Л.Г.Романо-ва), приехали ко мне в Штаты в конце февраля 1994 го-да, и мы провели несколько дней в спорах о том, какосуществить на практике задуманные конкурсы, какизбежать возможного при таких конкурсах жульниче-ства, как сделать так, чтобы вовлечь в нашу работумаксимально большое число опрашиваемых и сохра-нить максимально низкое число опрашивающих и т.п.Дело в том, что такого объема работу еще никто никог-да в истории не проводил и подсказать нам, как вселучшим образом устроить, никто не мог.

Был еще один, для меня лично немаловажный фактор,который можно сегодня признать: далеко не все люди, ра-ботавшие в Соросовских Фондах, с похвалой и надеждойсмотрели на эту деятельность. Были и те, кто сознатель-но старался мешать, предрекал неотвратимую неудачу ипредлагал передать дело в их руки, уж они-то точно бы,без всякой этой сложной системы опросов раздали быденьги по более простой схеме, и все равно результат дляРоссии и других стран был бы ощутим (“ведь это же ог-ромные деньги, они себя сами покажут!”).

Итак, у нас не было времени на раскачку, на так попу-лярные в подобных случаях “пробные опросы”, “экспе-риментальные площадки”, “референтные группы” и т.п.,так как не успей мы провести опрос весной и провозисьс подготовкой до осени 1994 года, и мы бы не смогли реа-лизовать выделенные Соросом средства. Нам надо былополучить от опрашиваемых студентов начальные спискилучших учителей и составить первичные списки профес-соров и студентов в течение весны-лета, чтобы к осенизакончить конкурсы уже внутри отобранных групп иобеспечить этим раздачу всех выделенных средств начи-ная с сентября 1994 года, либо признать свое фиаско. Доконца же весеннего семестра 1993–1994 учебного года ввузах оставалось чуть больше месяца, а у нас еще ниче-го не было в наличии: ни четкого понимания, какимидолжны быть по форме анкеты, ни отобранных вопросовдля анкет, ни определенного перечня вузов, где мы про-ведем опросы, ни разработанной методики опроса. Сре-ди нас самих тоже единства не было, сначала мы, к при-меру, поддались на уговоры попробовать передать всеанкетирование студентов специалистам из институтовпо изучению общественного мнения, но узнав, какую за-просили эти институты цену и какие они предложилисроки, поняли, что этот путь нам не подходит.

Я настаивал с первых дней существования Про-граммы на том, чтобы максимально сократить админи-стративные расходы: потратить на них не более 4% от

общей суммы, (чтобы больше денег пошло на реаль-ную поддержку образования), что казалось большин-ству из тех, кто занимался чем-либо подобным, непе-реносимым авантюризмом и нездоровым бахвальст-вом, ведь все существовавшие до сих пор фонды несмогли обойтись суммой меньшей 10 (и это еще хоро-шо), а то и 20 и 30 процентов! Сегодня мы можем сгордостью сказать: все не ушедшие по тем или инымпричинам от нас сотрудники и в Москве, и в Киеве, ив Минске, и в Тбилиси работают за минимальную зар-плату, мы близки сейчас к окончанию полуторалетнейработы и удержали в России установленный нами са-мими потолок административных расходов в четырепроцента (включая всё – и покупку компьютеров идругой первоклассной техники, мебели, оргсредств инедешевую оплату снимаемой нами площади, и теле-фонные расходы, и печатание всех материалов, и сбо-ры Правления, и, разумеется, зарплату сотрудников).Это один из показателей истинной жертвенности воимя России тех, кто сейчас работает в администрацииПрограммы.

Как известно, всем категориям будущих обладателейгрантов, кроме учителей, мы предложили прислать намсвой запрос. В отношении учителей этого сделать былонельзя, так как их в стране было несколько сот тысяч.Поэтому я видел только один путь: опросить 25 тысячстудентов, разработав четкую схему опросов. Например,пригласить одного постоянного сотрудника, ответствен-ного за опросы, установив ему лимит средств, которыеему разрешено потратить, разделить всю страну на 10зон и дать ему свободу подобрать для каждой зоны покуратору за, скажем, 100 долларов аккордно, пусть каж-дый куратор наймет себе помощников (от пяти до деся-ти) по 10 долларов в час, пусть помощники определят вкаждом выбранном вузе группы, в которых они проведутопросы, лекции, на которые они придут с анкетами,пусть каждый затратит на опрос группы (до 100 человек)не более 10–15 минут времени. Для этого ничего ни с кемне согласовывать, не ставить заранее никого в извест-ность (ни ректоров, ни проректоров – никого). Простоиметь в кармане письмо, подписанное заместителямиминистров заинтересованных министерств (такое пись-мо мы легко добыли и размножили для каждого из опра-шивающих), пакет с анкетами и краткую инструкцию,как проводить опросы. Мы реализовали эту схему благо-даря подвижничеству известного в стране автора учебни-ков по физике для школ М.М.Балашова, который согла-сился взять отпуск в своем институте, перейти к нам наработу на несколько месяцев и провести эту нелегкуютворческую работу. Мы дали ему определенный нами наоснове рейтинга вузов и их географии список вузов, гденадлежит провести опросы, определили число необходи-мых студентов для каждой зоны, и в течение трех недель


19

апреля по всей стране команда Балашова опросила нуж-ные 25 тысяч студентов, потратив на это ничтожно ма-лую сумму (около 16 тысяч долларов).

С самого начала стало ясно, что вручную обработатьтакой немыслимо большой объем информации, да к то-му же лавинно нараставший с каждым месяцем, былоне под силу. Поэтому группа информационного обслу-живания (Д.А.Коссаковский, С.И.Осечинский, М.В.Ни-кифоров – все недавние выпускники престижных мос-ковских вузов) начали работу над созданием специаль-ных программ для обработки информации, закупке уни-кальной техники и обеспечения того, чтобы вся инфор-мация могла не только храниться, но и обрабатываться,проигрываться во всех нужных нам направлениях вобъединенной в одно целое компьютерной сети.

К этому моменту я уже знал, как у нас в университе-те имени Джорджа Мейсона, где учится более 26 тысячстудентов, небольшой штат сотрудников обрабатываеткаждый семестр сотни тысяч анкет студентов, заполня-ющих их на каждого преподавателя в конце семестра.Оказалось, что уже существуют в мире сканирующиесчитывающие устройства, которые за доли секунд спо-собны прочитать кружочки на одной анкете (часто бо-лее сотни кружочков на одной анкете) и перенести всюсчитанную информацию в компьютеры, где после это-го можно подсчитать все нужные коэффициенты. Вы-яснилось, что в США создана индустрия, выпускаю-щая эти сложные приборы. Я пригласил к себе предста-вителей четырех таких фирм, каждый привез с собойих оборудование, показал его в действии, и мы с моимвашингтонским ассистентом быстро отобрали самуюсовершенную и к тому же наиболее дешевую (на еди-ницу прочитываемой информации) модель считывате-ля анкет, который закупили, и сама фирма доставилаего в Москву. Теперь руководитель Профеcсорскойподпрограммы профессор Л.А.Рябова и ее помощникиМ.Л.Чернова, А.Карзанов и А.Дорожко могли провестианкетирование еще почти 24 тысяч студентов, которыеслушали лекции у профессоров, подавших документына конкурс для получения звания Соросовский Про-фессор и соответствующего гранта.

В целом, к середине лета 1994 года мы имели всенеобходимые данные, собранные во всех заранее опре-деленных городах страны, чтобы проводить следую-щие этапы конкурсов, и к концу осени закончить отборСоросовских учителей и профессоров. Параллельнонаша новая сотрудница Л.А.Витзон методично обраба-тывала более двух тысяч анкет, пришедших от студен-тов и аспирантов, включившихся в конкурс на званиеСоросовский Студент и Соросовский Аспирант.

25 тысяч студентов, опрошенных в 108 вузах стра-ны, указали в анкетах 55 229 учителей, которых онисчитали лучшими преподавателями физики, химии,

математики и биологии в средней школе. Теперь пред-стояло ввести все имена с адресами школ и специаль-ностями в компьютеры и проанализировать получен-ную информацию. Чтобы сделать это, мы наняли 10операторов, которым платили за почасовую работу,они работали в две смены и смогли за два месяца вве-сти все эти данные. Компьютерная обработка показа-ла, что значительная доля учителей (8 157, или 21% изобщего числа названных учителей) была внесена в ан-кеты несколькими студентами. Всего же студенты на-звали 38 765 имен учителей. Детальный анализ полу-ченной выборки лучших учителей России я постара-юсь дать в следующей статье, здесь же отмечу, что по-сле публикации отобранного нами по специально дляэтого рожденному алгоритму списка лучших из луч-ших, мы с волнением ждали, как откликнутся лучшиеучителя на наше предложение принять участие в про-должении конкурса. Всего в “Учительской газете” от23 августа 1994 года было напечатано около 8 тысячимен учителей практически из всех областей, краев иреспублик страны (аналогичным же образом проходи-ла работа в других государствах). За два последующихмесяца более 6 тысяч названных учителей заполнили иприслали нам анкету, которую мы опубликовали в томже выпуске “Учительской газеты”. Тем самым более78 процентов названных учителей заявили о своем же-лании участвовать в конкурсе, а 22 процента не отве-тили нам, возможно, убоялись дальнейшего участия вконкурсе. Это был несомненный успех демократии вРоссии, ибо впервые учителя в огромном количествеприняли участие в негосударственном конкурсе, даеще в конкурсе, проводимом на средства американско-го финансиста. Для меня лично огромное удовлетворе-ние принес не только этот факт, но и сотни писем, по-лученных после публикации списка лучших. Учителяиз самых разных мест (в основном, к слову сказать, неиз Москвы или Санкт-Петербурга, а из провинции) пи-сали о том, какое моральное удовлетворение принеслодля них выдвижение бывшими учениками на званиеЛУЧШЕГО учителя, как они удовлетворены процеду-рой, принятой нами, как эта открытая, демократиче-ская процедура впервые в их жизни помогла им осоз-нать и свое значение в обществе и почувствовать гор-дость за свой труд. Мы приготовили копии всех писемучителей, получился солидный том, перевели выдерж-ки из многих писем на английский, и я отвез этот тол-стенный том в Нью-Йорк Джорджу Соросу. Тот непод-дельный интерес, с которым он читал отрывки из пи-сем, стал первым указанием на то, что он признаетправильность пути, по которому мы движемся.

(Продолжение в следующем номере).


ВВЕДЕНИЕ

Всем известно, что жизнь животных контроли-руется нервной системой и гормонами, но далеконе все знают, что жизнь растений тоже контроли-руется гормонами, которые называют фитогормо-нами. Они регулируют жизнь каждого растенияна всех ее этапах, начиная от формирования семе-ни и включая его прорастание, рост, развитие иплодоношение растения и, наконец, его старениеи отмирание.

В настоящее время активно исследуются следу-ющие группы фитогормонов: ауксины, цитокини-ны, гиббереллины, абсцизовая кислота и этилен(рис.1). Кроме того, в последнее время в растенияхоткрыты также стероидные гормоны, салициловаяи жасминовая кислоты, отвечающие всем критери-ям фитогормонов. Очевидно, со временем списокфитогормонов будет увеличиваться, и это расширитнаши представления о том, как гормональная сис-тема регулирует онтогенез растений и как она уча-ствует в ответе растений на различные внешниевоздействия.

Все фитогормоны объединяют некоторые общиесвойства: они синтезируются в самом растении иявляются высокоэффективными регуляторами фи-зиологических программ. Их действие проявляетсяв крайне низких концентрациях (10-5—10-12 М)ввиду исключительно высокой чувствительности кним растительных клеток. С помощью фитогормо-нов одни типы клеток и тканей растений регулиру-ют физиологические процессы в других типах кле-ток и тканей [1].

О.Н.КУЛАЕВА

ÊÀÊ ÐÅÃÓËÈÐÓÅÒÑßÆÈÇÍÜ ÐÀÑÒÅÍÈÉ

Фитогормоны играютважную роль в регуля-ции жизни растений. Встатье рассмотреныфитогормоны, обсуж-дены физиологическиепрограммы, в регуля-ции которых они при-нимают участие, атакже их практиче-ское применение. При-ведены последние до-стижения в областиизучения механизмадействия фитогормо-нов. Представленыданные автора по вы-делению и характериc-тике рецептора цито-кинина из листьев яч-меня.

Phytohormones playvery important role inplant life regulation. Themain phytohormonesand the physiologicalprocesses regulated bythese phytonormonesare considered in thispaper. The latest evi-dence on the mechanismof phytohormone actionis discussed. Authorsdata on cytokinin recep-tor isolation from barleyleaves and its characteri-zation are presented.

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

S U M M A R Y

N

CH2COOH

HN

N

N

N

CH3

CH2OHCCHCH2HN

H

CO

O

COOH CH2

OH

H

HCH3

HOO CH3

COOHOH

CH3CH3 CH3

CH2H2C

цитокинин (зеатин)β-индолилуксусная кислота

абсцизовая кислота

этилен

гибберелловая кислота

© Кулаева О

.Н.,

1995


Рис. 1. Структурные формулы основных фитогормонов.

2 1

К числу физиологических программ, регулируе-мых фитогормонами, относится развитие и созрева-ние семян, их прорастание, рост и морфогенез рас-тений, переход растений к цветению, плодоноше-ние, старение растений, опадение листьев, покойклубней, почек, семян и многое другое.

В последние годы наука достигла больших успе-хов в понимании того, как гормоны регулируютжизнь растений, вызывая переключение генетиче-ских программ, определяющих последовательностьэтапов развития, а также ответ растений на внешниевоздействия.

Все, что известно сегодня о механизме действияфитогормонов, крайне важно для того, чтобы по-нять, как происходит рост и развитие растений, тоесть как реализуется их онтогенетическая програм-ма, а также как растение реагирует на стрессы в те-чение своей жизни. Эти знания крайне важны длярешения практических задач сельского хозяйства ибиотехнологии, то есть для получения полезныхпродуктов растительного происхождения в поле, влаборатории и в заводских условиях. Однако мно-гие вопросы о действии фитогормонов остаютсяеще не выясненными и представляют собою увлека-тельные задачи для будущих исследований.

Учение о гормонах растений ведет свое начало с1880 года, когда была опубликована работа велико-го Чарльза Дарвина и его сына, доказавших, что ро-сточки канареечной травки, изгибаясь в сторонусвета, воспринимают его своей верхушкой, а реаги-руют на него изгибом ниже расположенной части.Они сделали вывод о существовании в растениисигнальной системы, которая воспринимает сигналв одном участке и передает его в другой участок,где и осуществляется ответ на принятый сигнал.Дальнейшее развитие эти идеи получили в 20–30-егоды нашего столетия, когда Ф.Вент в Америке иН.Г.Холодный в нашей стране независимо и одно-временно разработали основные положения теориигормональной регуляции роста растений, котораяво всем мире называется теорией Вента–Хо-лодного.

АУКСИН

Химическая структура первого открытого гормо-на растений — ауксина была установлена в 1934 г.Он представляет собою β-индолилуксусную кисло-ту или сокращенно ИУК (рис. 1). Этот фитогормонактивирует рост клеток, вызывает образование кор-ней и регулирует многие другие процессы. Его спо-собность вызывать корнеобразование широко ис-пользуется для укоренения черенков. Образованиекорней под действием ауксина легко продемонстри-ровать ученикам — нужно опустить, например, че-решок листа фасоли в раствор ауксина и через неде-лю вы покажете школьникам, что он покрыт щеткойкорней.

В растении ауксин образуется в верхушке стебля

и движется в нижерасположенные части, достигаякорневой системы, где он обеспечивает нормальныйрост корней. На своем пути вниз по растению аук-син задерживает рост боковых почек, расположен-ных в пазухах листьев. Если срезать верхушку стеб-ля, поступление ауксинов к пазушным почкам пре-кратится и начнется их рост. При этом получитсярастение с боковыми побегами. Ауксины необходи-мы для клеточных делений, однако это их свойствомы рассмотрим в разделе о цитокининах.

ЦИТОКИНИНЫ

Цитокинины были открыты Ф.Скугом и его со-трудниками в США в 1955 г. Ф.Скуг изучал ростизолированных тканей растений в стерильных усло-виях на питательной среде. Он помещал на агаро-вую среду, содержащую сахарозу, витамины, амино-кислоты, минеральные элементы, а также ауксин,кусочки изолированной сердцевины стебля табака ихотел вызвать переход их клеток к делению с обра-зованием каллуса — бесформенной массы недиф-ференцированных клеток. Однако это ему не удава-лось — клетки не делились. Ф.Скуг и К.Миллер вы-звали деление клеток с помощью открытого ими ки-нетина — вещества, образующегося при деграда-ции ДНК. Кинетин является не природным цитоки-нином, а его аналогом, однако благодаря его откры-тию основные свойства цитокининов были изученыза 10 лет до выделения природного цитокинина —зеатина.

Как показали Скуг и Миллер, для деления клетокнеобходимы два фитогормона: ауксин и цитокинин.В их опытах было также установлено, что корнеоб-разование у каллуса вызывает ауксин, а дифферен-цировку побегов цитокинин. На рис. 2 показано, чтов отсутствие кинетина (одного из цитокининов) уотрезков сердцевины стеблей табака клеточное де-ление не происходит (а), добавление кинетина в пи-тательную среду вызывает деление клеток и бурныйрост каллуса (б), увеличение концентрации кинети-

Рис. 2. Схема совместного действия ауксина и кинетина на рости процессы дифференцировки у каллуса сердцевины стебля таба-ка. Концентрация ауксина во всех колбах – 2 мг/л. Содержаниецитокинина: a – 0; б – 0,02 мг/л; в – 0,5–1 мг/л; г – 5 мг/л.

Кулаева О.Н. Как регулируется жизнь растений


на вызывает образование стеблей (в), но дальней-шее повышение концентрации кинетина приводит кподавлению роста каллуса (г).

Так в опытах Скуга и Миллера были разработаныосновы современной культуры изолированных кле-ток и тканей растений и найдены пути регенерациицелых растений из недифференцированных клетоккаллуса.

Природный цитокинин, зеатин (рис. 1), был вы-делен значительно позже, в 1964 году, Д.Литамом вАвстралии. Чтобы выделить 1 мг вещества и уста-новить его структуру, было переработано 60 кг се-мян кукурузы в стадии молочной спелости, когдасемена особенно богаты цитокининами. Этот при-мер показывает, насколько малы концентрации при-родных гормонов в клетках растений. Именно вкрайне низких концентрациях гормоны и осуществ-ляют свое регуляторное действие. Если действоватьфитогормоном на растительные ткани или органы,которые сами его не синтезируют и поэтому дают нанего четкий ответ, легко выяснить, что уловить дей-ствие гормона удается в пределах его концентрации10-7—10-8 М, а иногда даже 10-10 М. Пропорцио-нальное увеличение реакции растений на гормонобычно обнаруживается в пределах концентрациигормона от 10-8 до 10-5 М. На этом основаны биоте-сты определения фитогормонов.

Возвращаясь к обсуждению биологической ак-тивности цитокининов, важно подчеркнуть, что кро-ме установленной в опытах Скуга способности вы-зывать деление клеток и индуцировать дифференци-ровку побегов, цитокинины активируют рост листь-ев и семядолей двудольных растений (рис. 3), стиму-лируют формирование хлоропластов, задерживаютстарение листьев [1, 2]. Если раствором цитокининаопрыснуть одну половину листа, это задержит ее по-желтение и старение, тогда как другая половина по-

желтеет (рис. 4). Цитокинины вызывают приток пи-тательных веществ к месту их нанесения.

В целом растении цитокинины синтезируются врастущих кончиках корней, а затем по сосудам кси-лемы поступают вместе с пасокой (раствором, кото-рый корни нагнетают в побеги) в надземные орга-ны, где и принимают участие в регуляции различ-ных физиологических процессов.

Снабжение побегов цитокининами из корней бы-ло открыто автором этой статьи в 1962 г. [3]. Еслисрезать растение и надеть на перерезанный стебельстерильный приемник для сбора пасоки (рис. 5),можно обнаружить, что корень продолжает нагне-тать воду и растворенные в ней минеральные веще-ства, поглощенные из почвы, а также органическиевещества, которые синтезируются в корнях. Как вы-яснил автор, корневая система посылает в побеги ицитокинины, т.е. гормональный сигнал, с помощьюкоторого корни контролируют процессы, протекаю-щие в надземных органах. Возможно, многие из васобращали внимание на то, какие крупные листьябывают на прикорневых побегах деревьев. Это объ-ясняется тем, что в них поступает из корней многоцитокининов, активирующих рост листьев.

ГИББЕРЕЛЛИНЫ

Открытие гиббереллинов берет свое начало издругой области исследований — науки о болезняхрастений — фитопатологии. Болезнь риса, вызывае-мая грибком Gibberella fujikuroi, сопровождается

Рис. 4. Задержка старения половины листа махорки в результа-те ее опрыскивания раствором цитокинина (кинетин 20 мг/л).

цитокинин

2 2

Рис. 3. Влияние цитокинина и абсцизовой кислоты на изоли-рованные семядоли тыквы. Слева направо: 1 — контрольные семядоли на воде; 2 — нарастворе синтетического цитокинина (ВАР 5 × 10-6М); 3 —на растворе абсцизовой кислоты (10-5М).

Рис. 5. Обнаружение в пасоке веществ с цитокининовой ак-тивностью.

2 3

резким вытягиванием стебля. Исследование этой бо-лезни в 20-е годы нашего века в Японии привело квыделению вещества, с помощью которого грибокусиливает рост стебля зараженного растения. Струк-тура этого вещества, названного гиббереллином, бы-ла установлена в 1955 г. Б.Кроссом (рис. 1). Было до-казано, что гиббереллин представляет собою гормонрастений, который активирует рост стебля и вызыва-ет цветение. С его помощью можно вызвать пробуж-дение из состояния покоя клубней и семян растений.Паразитический грибок, синтезируя гиббереллин вбольших количествах, использует его в своих целяхдля поражения больного растения.

Как выяснилось, очень многие паразиты расте-ний, как грибного, так и бактериального происхож-дения, используют различные фитогормоны, кото-рые они активно синтезируют, для “химической ата-ки” на растение-хозяина. Такие грибы культивиру-ют в промышленных условиях для выделения и по-лучения в чистом виде фитогормонов, в частности,гиббереллина.

Гиббереллины представлены в растениях боль-шим семейством соединений. Как выяснилось, гиб-береллины играют крайне важную роль в переходерастений к цветению, или, как принято говорить, виндукции цветения у растений, называемых длин-нодневными, потому что весной в условиях корот-кого дня они не зацветают даже при наступлениитеплых дней. Эти растения умеют “определять”длину дня и “отсчитывать” количество длинныхдней, после которых переходят к цветению. Этоприспособление выработалось эволюционно как за-щита цветков и развивающихся плодов от весеннихзаморозков. Теплые дни могут смениться холодны-ми, а удлинение дня с переходом от зимы к лету аб-солютно стабильный фактор. Поэтому отбор в эво-люции растений, которые зацветают только по про-шествии определенного числа длинных дней, обес-печил северным растениям стабильное воспроизве-дение потомства.

Гипотеза о гормональной регуляции цветениярастений была выдвинута М.Х.Чайлахяном еще в1937 году на основании большого эксперименталь-ного материала. Еще гипотетический в то времягормон цветения был назван им флоригеном [4]. Какпоказали два крупнейших физиолога растений —А.Ланг (в США) и М.Х.Чайлахян в нашей стране,переход длиннодневных растений к цветению вы-зывает гиббереллин. Именно его синтез в листьяхрастений задерживается в условиях короткого дня ипроисходит в условиях длинного дня. Образовав-шийся в листьях гиббереллин транспортируется вточку роста и вызывает рост стебля и формированиецветков. В условиях короткого дня такие растенияостаются в форме розетки, но если на их точку рос-та капать раствором гиббереллина, начнется ростстебля, а затем формирование цветочных зачатков, ирастение зацветает [4].

Химическая природа индуктора цветения корот-кодневных растений — антезина остается до сихпор не установленной.

Следует упомянуть, что исследования гормо-нальной регуляции роста и развития растений былизаторможены в нашей стране на долгие годы в пери-од господства в биологической науке Т.Д.Лысенко,который объявил несуществующими не только геныи хромосомы, но и гормоны растений. Это прервалоклассические опыты Н.Г.Холодного и М.Х.Чайлахя-на по гормональной регуляции роста и цветениярастений. После окончания этого позорного и тра-гического периода в биологической науке нашейстраны опыты М.Х.Чайлахяна были продолжены,их результаты суммированы в монографии [4].

Возвращаясь к обсуждению роли гиббереллина врегуляции жизни растений, необходимо отметить,что поскольку этот фитогормон активирует ростстебля, с его помощью удается получать гигантскиерастения. Способность гиббереллина пробуждатьклубни из состояния покоя находит применение наюге для получения двух урожаев картофеля в год.Гиббереллин применяют также для увеличения уро-жая бескосточковых сортов винограда.

АБСЦИЗОВАЯ КИСЛОТА

К числу гормонов растений относится абсцизо-вая кислота (АБК), выделенная в 1963 г. одновре-менно и независимо Ф.Уорингом из листьев березыи явора и Ф.Эддикотом, Б.Милборроу и К.Окумойиз молодых коробочек хлопчатника [5]. Ее формулабыла установлена в 1965 г. Дж.Корнфордом иК.Окумой (рис. 1).

АБК подавляет ростовые реакции растений, вы-званные ауксином, цитокинином и гиббереллином,она тормозит дифференцировку хлоропластов, ак-тивируемую цитокинином. Например, на рисунке 3показано угнетение роста и позеленения изолиро-ванных семядолей тыквы под действием абсцизо-вой кислоты. АБК вызывает покой клубней, семян,почек растений. Именно ее накопление в созреваю-щих семенах, почках деревьев осенью и в клубняхрастений обеспечивает состояние покоя их клеток втечение зимнего периода. Снижение содержанияАБК служит условием их пробуждения и роста с на-ступлением весны.

Фитогормоны регулируют не только рост и про-цессы дифференцировки новых органов у растений,но также и многие другие физиологические процес-сы, не имеющие отношения к росту. Например, с по-мощью АБК можно закрыть устьица растений —специализированные отверстия, через которые листрастений испаряет воду, поглощает СО2 для фотосин-теза или выделяет СО2 за счет дыхания, а также, со-ответственно, выделяет или поглощает О2. В регуля-ции движения устьиц, как и во многих других физио-логических процессах, у растений четко прослежива-ется антагонизм двух гормонов: АБК закрывает усть-


2 4

ица при недостатке воды и тем самым сохраняет еерезерв в растении, а поступающий из корней с пасо-кой цитокинин при восстановлении водоснабжениявызывает открывание устьиц (рис. 6). Открытые ус-тьица обеспечивают поступление СО2 в листья, необ-ходимое для фотосинтеза, а также поддерживают ис-парение воды (транспирацию), обеспечивающее еепередвижение вверх по растению и поступление сней из корней в побеги элементов минерального пи-тания и различных органических веществ, синтези-руемых в корнях, включая цитокинины.

АБК не только ингибирует процессы, вызывае-мые другими гормонами, но и играет важную роль виндукции ряда физиологических программ, напри-мер, синтеза запасных белков семян, формированияклубней, дифференцировки зимующих почек ряски.Поэтому далеко не правы авторы, называющие ееприродным игибитором. Как и все другие гормоны,она представляет собою регулятор физиологиче-ских программ у растений, который ингибирует од-ни и активирует другие физиологические процессы.

АБК играет крайне важную роль в ответе расте-ний на стрессовое воздействие — обезвоживание,засоление, действие низких температур. В ответ наперечисленные воздействия в растениях начинает-ся усиленный синтез АБК, которая в свою очередьрезко изменяет экспрессию генетических программв клетках: подавляет синтез mРНК и соответствую-щих им белков, характерных для нормальных усло-вий, и индуцирует работу генов и, следовательно,синтез специфических белков, называемых белка-ми ответа на АБК. Их довольно много, их свойствасейчас усиленно изучаются. По-видимому, эти бел-ки защищают клетку от гибели в условиях глубоко-го обезвоживания. Интересно, что эти белки принормальном развитии растений синтезируются впериод позднего эмбриогенеза, когда происходитестественное обезвоживание семян. Синтез этихбелков в позднем эмбриогенезе также индуцирует-ся АБК, которая накапливается в семенах перед на-чалом их обезвоживания. В листьях эти белки необнаруживаются в нормальных условиях. Засухавызывает накопление в листьях АБК, и она индуци-рует синтез белков позднего эмбриогенеза, необхо-димых для выживания клеток листа во время засу-хи. Исследование этих белков и их генов крайне

важно для создания устойчивых к засухе сортовсельскохозяйственных растений. На помощь здесьможет прийти генная инженерия, которая позволя-ет трансформировать растения нужными генами,т.е. вводить эти гены в их ДНК и создавать новыйгенотип. С этой точки зрения большой интереспредставляет поиск в природе растений-рекордсме-нов по устойчивости к неблагоприятным условиям,в частности, к засухе. Один из таких рекордсменов —Craterostigma plantagineum. Ее листья высыхаютпри глубоком обезвоживании до воздушно-сухогосостояния, но через несколько часов после предо-ставления им воды снова восстанавливают нор-мальное функционирование. Обезвоживание листь-ев индуцирует синтез в них АБК, а она в свою оче-редь индуцирует синтез de novo ряда белков.

ЭТИЛЕН

К числу гормонов растений относится также эти-лен. Это было открыто в 1901 году в Санкт-Петер-бургском Университете Д.Н.Нелюбовым. Он пока-зал, что светильный газ (в который входит этилен)оказывает тройное воздействие на проростки гороха:подавляет рост стебля, вызывает его утолщение и из-меняет ориентацию стебля в пространстве. Это от-крытие хотя и было опубликовано, но долго остава-лось не оцененным научной общественностью. Эти-лен, как гормон растений, ускоряющий созреваниеплодов, снова был “открыт” в 20-х годах. В последу-ющем было показано, что растения синтезируют эти-лен, и был установлен путь его биосинтеза [6]. Эти-лен, как и все другие гормоны растений, обладаетшироким спектром регуляторного действия. Он вы-зывает укорочение и утолщение стебля, изменяя на-правление роста клеток. Это свойство этилена край-не важно для борьбы с полеганием хлебов. В районахс плодородной почвой и влажным климатом стебельне выдерживает тяжести колоса и ложится на землю.Хлеба “полегают”. Это наносит огромный ущербсельскому хозяйству. Для борьбы с этим явлением су-ществует три подхода: 1) обработка растений этилен-продуцентами, в частности этефоном, который легкоразлагается с образованием этилена, вызывающегоукорочение и утолщение стебля; 2) обработка расте-ний ретардантами, подавляющими биосинтез гиббе-реллина — в результате тоже получаются коротко-стебельные, устойчивые к полеганию растения;3) создание сортов низкорослых растений с прочными толстым стеблем. Последний путь предпочтителен,т.к. он избавляет сельское хозяйство от внесения хи-мических соединений, ухудшающих экологическиеусловия. Получение низкорослых сортов, в частно-сти, связано с изменением гормональных характери-стик растений, обеспечивающих формирование ко-роткого, прочного стебля.

Этилен вызывает опадение листьев и плодов рас-тений. Обработка этилен-продуцентами помогает


Рис. 6. Влияние цитокинина и АБК на состояние устьиц.

АБК

цитокини

н

2 5

удалить листья хлопчатника для последующего ма-шинного сбора созревших коробочек. Этилен вызы-вает старение листьев и ускоряет созревание пло-дов. Этим объясняется тот факт, что завернутыеплоды помидоров или бананов быстрее дозревают,чем находящиеся на воздухе, т.к. выделяемый имиэтилен сохраняется в атмосфере хранения плодов иускоряет их созревание. Выращивание томатов в ус-ловиях короткого лета основано на сборе зеленыхплодов и их последующей обработке этилен-проду-центами. При транспортировке плодов на далекиерасстояния встает другая задача — задержать быст-рое дозревание плодов. Здесь также на помощь рас-тениеводам приходит наука о гормонах растений.Ученые изучили путь биосинтеза этилена и дегра-дации его прямого предшественника, 1-аминоцик-лопропан-1-карбоновой кислоты (АЦК). В СШАполучен трансформант (генетически измененнаялиния) томатов с усиленным окислением АЦК, чтозадерживает биосинтез этилена и благодаря этомупродляет хранение томатов в свежем виде на целыймесяц. Другой путь продления срока хранения пло-дов, а также сохранности в свежем виде срезанныхцветов, например, гвоздики, основан на получениисоединений, которые блокируют рецептор этилена ине дают проявляться его действию.

Заканчивая рассмотрение вопроса о роли этиленав регуляции жизни растений, я хотела бы еще под-черкнуть, что он принимает участие в ответе расте-ний на различные патогены грибного, бактериаль-ного и вирусного происхождения. Растение воспри-нимает сигнал патогена и включает в ответ синтезэтилена, а тот в свою очередь запускает сложнуюпрограмму химической защиты растений, в кото-рую, в частности, входит синтез фитоалексинов, иг-рающих роль растительного противоядия противпаразитов.

Интересно, что в систему защиты растений вхо-дит также салициловая кислота (вспомните, что ас-пирин — производное салициловой кислоты). Помногим признакам ее можно рассматривать в каче-стве еще одного гормона растений, участвующегоне только в антипатогенных реакциях, но и в регу-ляции онтогенетических программ. Возвращаясь кэтилену, важно добавить, что он играет важнуюроль при затоплении растений, индуцируя развитиеаэренхимы — специальной ткани, обеспечивающейпоступление кислорода из надземных частей расте-ния в находящиеся под водой корни, — и тем самымспасает их от гибели в результате кислородного го-лодания.

ФИТОГОРМОНЫ В КУЛЬТУРЕИЗОЛИРОВАННЫХ КЛЕТОКИ ТКАНЕЙ РАСТЕНИЙ

Особо следует подчеркнуть, что все теоретиче-ские исследования, проводимые на стерильнойкультуре клеток и тканей растений, а также их прак-

тическое применение в биотехнологии, основаны наиспользовании фитогормонов, которые представля-ют собою главные химические средства воздей-ствия на растительные культуры. Так, размножениеклеток in vitro (т.е. вне растения) основано на ин-дукции клеточных делений ауксином и цитокини-ном (иногда лишь синтетическим аналогом аукси-нов). Это позволяет культивировать в заводских ус-ловиях клетки-продуценты ценных лекарственныхпрепаратов.

Регенерация целых растений основана на индук-ции образования побегов под действием цитокини-нов с их последующим укоренением под действиемауксинов. (Существует еще путь образования эмб-риоидов — эмбрионоподобных структур в суспен-зионной культуре клеток.)

Регенерация растений особенно важна при полу-чении трансформированных (генетически изменен-ных) растений. Эта техника позволяет выяснить —как, где, в какое время в растении происходит экс-прессия гена, интересующего исследователя. Кромеэтого, это путь получения растений с новым геноти-пом, содержащим чужеродные, притом, как принятоговорить, хозяйственно ценные гены, например, ге-ны устойчивости к вирусам, к грибным патогенам, клистогрызущим насекомым, даже к колорадскомужуку.

С помощью цитокининов осуществляется тех-ника микроклонального размножения растений.При этом на питательную среду помещают изоли-рованную стеблевую точку роста растения, кото-рая дает под действием цитокининов образованиене одного, а нескольких побегов. При этом расте-ния размножаются без изменения генотипа, и, кро-ме того, обеспечивается получение безвирусногоматериала. Этот метод применяется также для со-хранения и размножения исчезающих видов расте-ний.

ПАРАЗИТИЧЕСКИЕ БАКТЕРИИ РАСТЕНИЙ —ПРИРОДНЫЕ ГЕННЫЕ ИНЖЕНЕРЫ

Крайне интересно, что гормоны растений ис-пользуют природные генные инженеры — парази-тические бактерии Agrobacterium tumefaciens иAgrobacterium risogenes. В клетках A.tumefaciensобнаружены мини-кольцевые ДНК, называемыеплазмидами (Ti-плазмиды), которые содержат ге-ны, отвечающие за синтез ауксина (1-й и 2-й ген)и за синтез цитокинина (4-й ген). При проникнове-нии бактерии в клетку часть плазмидной ДНКвстраивается в растительную ДНК. В результате за-раженные клетки содержат в геноме бактериаль-ные гены синтеза ауксина и цитокинина и еще гены,обеспечивающие синтез специфических питатель-ных веществ для бактерий. В клетках начинаетсяусиленный синтез ауксина и цитокинина — двухнеобходимых индукторов клеточных делений.В результате этого клетки переходят к делению и


2 6

образуется опухоль. Таким образом, бактерия по-ступает так же, как исследователь, который для раз-множения клеток растений в культуре добавляет ту-да ауксин и цитокинин. Методами генной инжене-рии можно повредить в Ti-плазмиде гены синтезаауксина, тогда в зараженных клетках будут работатьтолько гены биосинтеза цитокинина, и вместо обра-зования опухоли возникнет пучок дифференцирую-щихся побегов. Если же повредить ген биосинтезацитокинина, то в трансформированных клетках бу-дут работать гены биосинтеза ауксина и вместо опу-холи получится “борода” корней. Другая бактерия,A.risogenes, трансформирует растение иным обра-зом: образуется огромная масса корней. Ее Ri-плаз-мида привносит в ДНК зараженных клеток гены,повышающие чувствительность клеток к ауксинамв 10 000 раз. Таким образом, оба типа бактерийтрансформируют растения, модифицируя их гормо-нальные свойства.

ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ИЗУЧЕНИИМЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ ФИТОГОРМОНОВ

В последние годы в центре внимания науки о гор-мональной регуляции жизни растений стоит вопросо механизме действия фитогормонов: как восприни-мается гормональный сигнал клеткой и как он пере-дается на генетический аппарат, вызывая включе-ние, подавление или переключение генетическихпрограмм? В связи с этим особый интерес вызыва-ет вопрос о рецепторах фитогормонов в клеткахрастений, которые специфически узнают гормо-нальный сигнал, образуют гормон-рецепторныйкомплекс, который в свою очередь определяет цепьсобытий в клетке, необходимых для ее высокоспе-цифичного ответа на фитогормон [7]. Чем глубжеидут исследования рецепторов гормонов растений,тем больше общего обнаруживается в их свойствахс рецепторами гормонов животных, которые к на-стоящему времени хорошо изучены. Роль рецепторав восприятии и передаче гормонального сигнала мо-жет быть представлена следующим образом:

Г + Р ГР → система трансформации и пере-дачи сигналов в клетке → индукция физиологи-ческих программ.

Для гормонов животных установлены рецепторыдвух основных типов:

1) Рецепторы гормонов, не проникающих вклетку, расположены в мембране. Они узнают мо-лекулу гормона на внешней поверхности мембра-ны и в результате взаимодействия с ним изменяютсвое конформационное состояние (пространст-венную структуру); это изменение передается че-рез специальные белки (G-белки) ферментам,участвующим в синтезе вторичных посредников(ферментам-эффекторам). Посредники же участ-вуют в усилении (размножении) сигнала и его пе-редаче к различным компонентам клетки, в част-

ности, ферментам, называемым протеинкиназа-ми, которые фосфорилируют клеточные белки и врезультате изменяют их свойства. Так происходитизменение функциональной активности фермент-ных, регуляторных и структурных белков клетки.Волна этих изменений передается на генетиче-ский аппарат, и происходит включение (выключе-ние) характерных для действия гормона про-грамм.

2) Рецепторы второго типа, к которым относят-ся рецепторы стероидных гормонов, взаимодей-ствуют с гормонами в цитоплазме или ядре, игормон-рецепторный комплекс непосредственноучаствует в регуляции генетических программ,индуцируя или репрессируя экспрессию генов(рис.7).

Большие успехи генной инженерии позволилис помощью генетических зондов обнаружить вгеноме растений гены, ответственные за все ос-новные звенья каскада размножения и передачигормонального сигнала по первому типу. Локализо-ванные в мембране гормон-связывающие белки —вероятные кандидаты на рецепторы первого типа —обнаружены для ауксина, этилена, гиббереллина.М.Венис в Великобритании секвенировал (уста-новил аминокислотную последовательность)белок со свойствами рецептора ауксина. Коллек-тивные усилия ученых из разных стран, включаяФранцию, Германию, Англию, Нидерланды, де-лают вероятным, что этот белок функционируетпо типу мембранных рецепторов животных гор-монов с использованием вторичных посредни-ков.

В Уэльском Университете в ВеликобританииМ.Холлом и в Висконсинском Университете в

→←


Г Р ГР Я

М Ц

синтез белка

конечный эффект

Рис. 7. Схема прямой регуляции экспрессии генома гормон-ре-цепторным комплексом: Г — гормон, Р — рецептор, М —мембрана, Я — ядро, Ц — цитоплазма.

2 7

США Т.Бликкером секвенированы гены рецепто-ров этилена. Исследования в этом направленииразвиваются стремительно, и скоро будет выясне-на полная картина восприятия и передачи гормо-нального сигнала в клетках растений. Параллельнобольшой успех достигнут в выяснении и выделе-нии генов, экспрессия которых контролируется фи-тогормонами. Каждый год приносит новый потокинформации в этом направлении.

В нашей лаборатории мы попытались изолиро-вать рецептор цитокинина из закончивших ростлистьев ячменя. Такие листья обладают высокойчувствительностью к цитокинину. Он задержива-ет старение срезанных листьев и активирует в нихсинтез РНК. Нам удалось изолировать из ци-топлазмы листьев ячменя белок с молекулярноймассой 67 кДа, который обладал всеми признака-ми рецептора цитокинина. Белок высокоспеци-фично и обратимо связывал меченый природныйцитокинин — зеатин. Зеатин-белковый комплексактивировал синтез РНК in vitro (вне клетки). Этиопыты были проведены в системе, в которую мыдобавляли хроматин из клеток листьев ячменя(хроматин — комплекс ДНК и белков, входящих всостав хромосом) и фермент РНК-полимеразу I,участвующий в синтезе молекул РНК. Активациясинтеза РНК зеатин-белковым комплексом строгозависела от концентрации природного цитокини-на — зеатина в реакционной среде и была макси-мальной при его концентрации, равной 10-8 М.Цитокинин-белковый комплекс проникал в изоли-рованные из листьев ядра и активировал в нихсинтез РНК как РНК-полимеразой I, ответствен-ной за синтез рибосомных РНК, так и РНК-поли-меразой II, ответственной за синтез информа-ционных РНК (см. таблицу).

Таким образом, цитокинин-рецепторный комп-лекс позволил промоделировать in vitro типичныйэффект цитокинина — активацию в листьях синтезаРНК. Насколько нам известно, это первые данные овыделении функционально активного рецептора ци-токининов из растений.

Наши дальнейшие исследования направлены наизучение первичной структуры этого белка, выделе-

ние его гена и исследование его экспрессии в расти-тельных клетках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чем дальше развивается экспериментальная бо-таника, тем глубже она позволяет заглянутьвнутрь растения и понять, как регулируется егожизнь. Сегодня преподавание ботаники в школене может ограничиться описанием внешних при-знаков растений, оно должно основываться наразъяснении внутренних систем, регулирующихформирование этих признаков. К таким системамотносятся фитогормоны. Их изучение дает ключ кпониманию регуляции роста и развития, а такжемногих других процессов в жизни растений.Исследование свойств фитогормонов легло в ос-нову нового направления физиологии растений —культуры изолированных клеток, тканей и орга-нов. Фитогормоны находят существенное приме-нение в сельском хозяйстве и биотехнологии. Но-вейшие достижения в области изучения механиз-ма действия фитогормонов привели к открытиюрецепторов некоторых из них, хотя в этом направ-лении еще предстоит большая работа, необходи-мая для выяснения систем рецепции и передачигормональных сигналов в клетках растений. Этонужно как для разработки теоретических основрегуляции жизни растений, так и для практическо-го применения научных результатов в генной ин-женерии, биотехнологии и сельском хозяйстве.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кулаева О.Н. Гормональная регуляция физио-логических процессов у растений на уровнесинтеза РНК и белка. М.: Наука, 1982.

2. Кулаева О.Н. Цитокинины, их структура ифункции. М.: Наука, 1973.

3. Кулаева О.Н. Физиология растений. 1962, т. 9,с.229.

4. Чайлахян М.Х. Регуляция цветения высшихрастений. М.: Наука, 1988.

5. Уоринг Ф., Филлипс И. Рост растений и диф-ференцировка. М.: Мир, 1984.

6. Полевой В.В. Фитогормоны. Л.: Изд-во Ле-нинградского Университета, 1982.

7. Кулаева О.Н. Физиология растений. 1995,т.42, с.661.


ТаблицаВлияние зеатин-связывающего белка с молекулярной мас-сой 67 кДа из цитозоля листьев ячменя в комплексе с зеати-ном (10-8М) на синтез РНК in vitro в системе, содержащейядра, выделенные из листьев ячменя (данные представле-ны в % от синтеза РНК в контроле).

67 кДа белок зеатин РНК-полимераза I РНК-полимераза II– – 100 100+ – 99 101– + 97 98+ + 330 502

Показана принципиаль-ная возможность со-здания новой группымедицинских препара-тов на основе элемен-тов генома вируса на-туральной оспы. Инди-видуальные белки дан-ного вируса, получен-ные методами геннойинженерии, могутбыть эффективныпри лечении целогоряда патологическихсостояний — аутоим-мунных, воспалитель-ных, септических и др.

The possibility of the cre-ation of new group med-ical preparations basedon the elements of thegenome of the naturalsmallpox virus is shown.Individual proteins of thegiven virus, produced bymethods of genomeengineering, may beeffective upon the curingof a wide range of patho-logical conditions —autoimmune, inflamma-tory, sepsis, and otherdiseases.

S U M M A R Y

Оспа (натуральная оспа) — одно из древнейших и наиболееопасных эпидемических заболеваний человека. С незапамят-ных времен она встречалась в Египте, а китайские летописи со-общают о существовании оспы в XII веке до н.э. Болезнь, поклиническим признакам соответствующая оспе, описана в од-ном из наиболее ранних источников индийской медицинскойписьменности (IX век до н.э.). С периода Крестовых Походовэпидемии этой опустошительной болезни не прекращались наевропейском материке. Они были описаны в VI—VII веках воФранции, Италии, Испании и других странах. Первые описа-ния тяжелых эпидемий оспы в России относятся к XV веку.К XVI веку в Европе оспа стала настолько обычным явлением,что о ней упоминали только в случаях чрезвычайно широкогораспространения.

В начале XVI века оспу завезли из Европы в Америку, в резуль-тате чего там из-за эпидемий погибали целые племена. Есть сооб-щения о том, что только в течение 1520 года в Мексике оспа унес-ла до 3,5 млн жизней.

Оспа не только приводила к гибели огромного числа людей, нои оставляла после себя инвалидов — ослепших. В прошлом веке уполовины слепых потеря зрения была связана с этой болезнью.

Оспа представляет собой генерализованную инфекцию с харак-терным высыпанием на теле больного (рис.1). Показатели леталь-ности (смертности) при этом заболевании колеблются в широкомдиапазоне — от 0,2% до почти 30% пораженных (табл. 1).

Важная особенность натуральной оспы состоит в том, что она —антропонозная инфекция, то есть она передается только от челове-ка к человеку и отсутствует природный резервуар возбудителя это-го заболевания. Многие другие инфекции, например чума, — зоо-нозные болезни, когда возбудитель персистирует в организме ди-ких животных и от них может передаваться человеку. Полагают,что оспа произошла от возбудителя зоонозной инфекции, но в про-цессе эволюционных изменений возбудитель оспы утратил спо-собность эффективно передаваться и размножаться в организмебольшинства бывших природных хозяев, максимально адаптиро-вавшись при этом лишь к организму человека. В этом плане дан-ный возбудитель — вирус натуральной оспы — яркий пример ту-пика эволюции вируса.

Активная борьба с оспой началась почти 200 лет назад — послетого, как в 1796 году английский врач Эдвард Дженнер доказалвозможность эффективной защиты человека от данного заболева-ния в результате прививки схожего, но гораздо менее тяжелого за-болевания, известного под названием “оспа коров”. Такая проце-дура получила название вакцинация (по-латыни корова — “вак-ка”). С тех пор всякие прививки, предохраняющие человека от па-тогенных микроорганизмов, называют вакцинацией.©

Щелкунов С.Н.

, 199

5


С.Н.ЩЕЛКУНОВ

ÂÈÐÓÑ ÍÀÒÓÐÀËÜÍÎÉ ÎÑÏÛ —ÈÑÒÎ×ÍÈÊ ÍÎÂÛÕÌÅÄÈÖÈÍÑÊÈÕ ÏÐÅÏÀÐÀÒÎÂ

Новосибирский государственный университет

2 9

Постепенно методы получения вакцин противоспы и способы их применения совершенствова-лись, что позволяло осуществлять вакцинацию про-тив данного заболевания во все более широких мас-штабах и в различных климатических зонах. К сере-дине нашего столетия многие страны добились лик-видации оспы на своих территориях. Однако проти-вооспенные мероприятия неудовлетворительнопроводились на территориях колоний и в экономи-чески слабо развитых странах. Поэтому данная бо-лезнь оставалась эндемичной в ряде стран Азии,Африки и Южной Америки.

В 1958 году на сессии Всемирной ассамблеиздравоохранения по предложению делегации СССРбыла принята резолюция о проведении мероприя-тий, обеспечивающих ликвидацию оспы на земномшаре. Огромные усилия мирового сообщества увен-чались успехом: в 1977 году зарегистрирован по-следний случай заболевания оспой (табл. 2), и с техпор случаи натуральной оспы более отмечены небыли. Таким образом, оспа — это первое и пока

единственное инфекционное заболевание, котороеудалось искоренить.

После объявления в 1980 году о полной ликвида-ции оспы во всем мире прекращена массовая вакци-нация против данного заболевания. В то же времядо сих пор существуют зоонозные инфекции чело-века, вызываемые вирусами оспы обезьян и оспыкоров. Причем вирус оспы обезьян может обуслов-ливать оспоподобное заболевание человека, котороев высоком проценте случаев завершается леталь-ным исходом. Что касается оспы коров, то к ее воз-будителю чувствителен очень широкий круг живот-ных. Этот вирус также патогенен для человека ииногда может приводить к генерализованной ин-фекции, завершающейся летальными исходами. Ос-новное отличие вирусов оспы обезьян и оспы коровот вируса натуральной оспы состоит в том, что пер-вые два не вызывают эпидемических вспышек сре-ди людей. Однако не исключено, что в процессе эво-люционных изменений они смогут приобрести и та-кие свойства.

Подробное изучение вирусов натуральной оспы,оспы обезьян и оспы коров, проведенное в послед-ние годы, показало, что эти возбудители — близкиеродственники; они объединены в один род ортопокс-вирусов (Orthopoxvirus).

Начиная с 1991 года под эгидой Всемирной орга-низации здравоохранения осуществляется между-народная программа по молекулярно-биологическо-му изучению разных изолятов вируса натуральнойоспы (ВНО). В настоящее время в мире существуеттолько две коллекции штаммов ВНО. Эти коллек-ции находятся в России и США — поэтому основ-ной объем исследований ВНО выполняется учены-ми этих стран (Государственный научный центр ви-русологии и биотехнологии “Вектор”, п. Кольцово иЦентр инфекционных заболеваний, г. Атланта).

Таблица 1Показатели летальности при оспе (данные ВОЗ)

Приведены суммарные данные для заболевших, как ранее вакцинирован-ных, так и невакцинированных против оспы.

*Данные для вакцинированных/невакцинированных.

Страна Год Число Число Леталь-случаев смертельных ность

заболевания исходов (%)

Индия 1974−75 2 826 575 20,3 (6,2/26,5)*

Бангладеш 1975 1 127 207 18,4 Пакистан 1971 1 674 249 14,9 Индонезия 1969 11 966 950 7,9 Танзания 1967−70 2 232 167 7,5 Уганда 1966−70 1 045 54 5,2 Судан 1970−72 2 979 35 1,2 Эфиопия 1972−74 21 250 243 1,1 Бразилия 1969 6 795 37 0,5 Сомали 1977 3 229 12 0,4 Ботcвана 1972 1 059 2 0,2

Щелкунов С.Н. Вирус натуральной оспы – источник новых медицинских препаратов

Рис.1. Карточка Всемирной организации здравоохранения сфотографией типичного случая натуральной оспы для рас-познавания случаев заболевания, которая использовалась приосуществлении эпиднадзора по оспе.

Таблица 2 Ликвидация оспы на Земном шаре

1948 г. — Решение I сессии Всемирной ассамблеи здравоохране-ния (ВАЗ) о создании исследовательской группы по ос-пе.

1958 г. — Резолюция XI сессии ВАЗ о проведении мероприятий,обеспечивающих ликвидацию оспы во всем мире.

1966 г. — Решение XIX сессии ВАЗ о необходимости интенсифи-кации программы ликвидации оспы.

1967 г. — Оспа эпидемична в 33 странах с общим населением1200 млн человек. За год зафиксировано 10−15 млнслучаев оспы и умерло около 2 млн человек.

1977 г. — Последний случай заболевания человека оспой (Сома-ли).

1980 г. — Декларация XXXIII сессии ВАЗ о глобальной ликвида-ции оспы.

3 0

Следует сказать, что ортопоксвирусы и, в частно-сти, ВНО относятся к крупнейшим по размерам ви-русам животных. На рис.2 в одном масштабе изо-бражены вирионы ВНО и одного из самых мелкихвирусов — полиовируса (возбудителя полиомиели-та — детского паралича), а также цепочка оченьмелких шарообразных клеток пневмококка (возбу-дителя пневмонии человека). При таком сравненииВНО выглядит гигантом.

В 1992 году нами расшифрована полная последо-вательность нуклеотидов ДНК ВНО штамма Ин-дия-1967. Американские коллеги в 1993 году завер-шили анализ своего штамма Бангладеш-1975. В1994 году совместными усилиями было проведеносравнение полученных данных.

Геном ВНО представлен крупной двухцепочеч-ной линейной молекулой ДНК, концы которой кова-лентно замкнуты (как теломеры эукариотическиххромосом). ВНО кодирует около 200 белков. Многоэто или мало? Для вируса, размножающегося вклетке и использующего для этого многочисленныеее компоненты, — очень много. Так, онкогенномуретровирусу достаточно четырех генов для своегоразмножения и индукции злокачественного роста(рака) в организме хозяина. Однако в отличие от ре-тровируса и большинства других вирусов, размно-жающихся в ядре клетки, жизненный цикл поксви-русов полностью проходит в цитоплазме клетки.Известно, что ядро клетки содержит множествоферментов, необходимых для синтеза и модифика-ции молекул РНК и ДНК, — поэтому ядерные виру-сы используют этот сложный биосинтетический ап-парат клетки-хозяина. А вот в цитоплазме клеткимногие из данных ферментов отсутствуют, в силучего цитоплазматические вирусы вынуждены самисинтезировать такие ферменты и, более того, частьиз них упаковывать в вирусную частицу и “носить”их с собой.

В настоящее время уже идентифицированобольшинство генов, обеспечивающих биосинтезмолекул ДНК и РНК поксвирусов. Также выявленомножество генов, кодирующих белки, которые не-обходимы для постройки вирусных частиц. Однакоглавный вопрос заключается в следующем: чтообусловливает патогенность вируса натуральнойоспы?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, преждевсего надо знать, сколько генов ответственны за па-тогенные свойства ВНО. Один, два, три? До недав-него времени так и думали. Однако выяснилось, чтопроявление свойств патогенности поксвирусов ре-гулируется относительно большим набором разных

вирусных белков — факторов вирулентности (см.табл.3).

Для ученых и медиков именно эти молекулярныефакторы вирулентности ВНО представляют особыйинтерес. К настоящему времени эти факторы под-разделяют на три группы (табл. 4). Причем для це-лей медицины наиболее важными могут быть инги-биторы воспалительных реакций, белки, контроли-рующие систему комплемента (см. ниже) и модуля-торы иммунного ответа хозяина.

Известно, что организм человека обладает целымрядом защитных реакций, направленных против ин-фекционных агентов. Первые (немедленные) за-щитные реакции — это реакции неспецифические,то есть они универсально направлены против лю-бых чужеродных клеток, вирусов, крупных моле-кул. Вторичные защитные реакции — уже высоко-специфичные, и осуществляются они иммунной си-стемой организма. На запуск этой системы необхо-димо некоторое время.

Одной из первых линий защиты организма от ви-русной инфекции служат воспалительные процес-сы, которые — пока не сформировался полноцен-ный иммунный ответ — быстро индуцируются дляограничения распространения вируса в первые ча-сы и дни после инфицирования. Ключевую роль виндукции воспалительных реакций играют такиецитокины (молекулярные сигналы), как фактор не-кроза опухоли (ФНО) и интерлейкин-1β (ИЛ-1β).

Другие неспецифические защитные реакции осу-ществляет система комплемента. Согласно современ-ным представлениям комплемент — это многоком-понентная система белков (более 20), которые цир-кулируют в кровяном русле. Основные функциикомплемента — распознавание, разрушение и уда-ление из организма генетически чужеродного мате-риала. Кроме того, комплемент играет важную рольи в регуляции воспалительных и иммунологическихреакций организма.

Фактор некроза опухоли и гамма-интерферон(γ-ИФН) относятся к важнейшим регуляторам им-мунной системы организма. Проявляют они также ипрямую антивирусную активность.

Исследования последних двух-трех лет позволи-ли сделать вывод, что ВНО способен синтезироватьбелки, которые, секретируясь из зараженной клетки,могут связывать (инактивировать) такие важнейшиецитокины, как фактор некроза, γ-ИФН, а также белкисистемы комплемента. Более того, ВНО предотвра-щает секрецию из зараженной клетки цитокинаИЛ-1β (синтез и секреция ИЛ-1β представляет собойобщую реакцию клетки в ответ на заражение любым


Рис.2. Схематическое изображение в одном масштабе трехтипов патогенных микроорганизмов.

Размер ДНК — 186 тыс. пар нуклеотидов.— 196 потенциальных генов.

Идентифицировано более 30 генов, обеспечивающих биосинтезмолекул ДНК и РНК вируса. Выявлено около 50 генов, белковые продукты которых входят всостав вирионов. Доказано, что не менее 20 генов важны для проявления свойствпатогенности вируса.

Таблица 3Генетическая организация вируса натуральной оспы

3 1

вирусом, направленную на индукцию воспалитель-ных и иммунных реакций организма). Результат та-кой “круговой молекулярной обороны” ВНО (рис. 3)проявляется в том, что подавляется развитие неспе-цифических и специфических защитных реакций ор-ганизма. Это и позволяет вирусу активно размно-жаться и разноситься по зараженному организму. Врезультате развивается острое генерализованное за-болевание.

На примере других поксвирусов (в частности, ви-руса миксомы кроликов) показано, что вирусныебелки, связывающие цитокины, проявляют ярко вы-раженную видовую специфичность по отношениюк цитокинам их природного хозяина (в котором ониразмножаются). ВНО в процессе своей эволюциисузил круг хозяев практически до одного вида — че-ловека. Это, мы полагаем, привело к тому, что соот-ветствующие белки ВНО с высокой эффективно-стью взаимодействуют с фактором некроза опухоли,γ-ИФН, белками комплемента человека и обеспечи-вают вирусу возможность эффективного преодоле-ния защитных барьеров организма. Такие вирусныебелки могут быть полезны в медицине, так как вслучае многих патологических состояний у челове-ка наблюдается повышенное содержание либо фак-тора некроза опухоли, либо γ-ИФН, либо белков си-стемы комплемента. Используя узконаправленныевирусные белки-инактиваторы, можно добиться ле-чения целого ряда таких патологий за счет связыва-ния упомянутых выше факторов.

Учитывая эти предположения, мы начали работыпо получению методами генетической инженериибактериальных штаммов-продуцентов индивиду-альных белков вируса натуральной оспы, связываю-щих фактор некроза, γ-ИФН и белки системы комп-лемента. Уже создан вариант кишечной палочкиEscherichia coli, продуцирующий в большом количе-стве γ-ИФН-связывающий белок ВНО. Показано,что такой белок эффективно взаимодействует с гам-ма-интерфероном человека и подавляет его биоло-гическую активность.

Таким образом, на примере вируса натуральнойоспы мы пытаемся реализовать подход, который впринципе использован при применении змеиногояда. При “природном” способе попадания в орга-низм человека — через укус змеи — змеиный яд ча-сто приводит к смертельному исходу. Однако вводятот же самый яд (или его компоненты) в очень ма-лом количестве в определенные препараты, можнодобиться в ряде случаев высокого лечебного эффек-та. Также и с вирусом натуральной оспы: обычноезаражение им людей в большом проценте случаевприводит к заболеваниям со смертельным исходом,в отличие от чего использование определенных ин-дивидуальных белков этого вируса может быть эф-фективным при лечении различных, в том числе тя-желых патологических состояний человека(табл.5—6), тех, для которых пока не найдено мето-дов лечения или которые поддаются лечению сбольшим трудом.


Ладный И.Д. Ликвидация оспы и предупреждение ее воз-врата. — М.: Медицина, 1985.

Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия: Учеб. пособие:ч. 2. — Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1995.

Щелкунов С.Н. Вирус натуральной оспы – источник новых медицинских препаратов

1. Модуляторы защитных механизмов хозяина— Ингибиторы воспалительных реакций. — Белки, контролирующие систему комплемента. — Модуляторы иммунного ответа хозяина. — Ингибиторы действия интерферона. — Модуляторы системных эффектов вирусной инфекции наорганизм.

2. Белковые факторы, необходимые для эффективного распрост-ранения вируса в организме.

3. Белки, обеспечивающие эффективную репликацию вируса в ор-ганизме.

Таблица 4Молекулярные факторы вирулентности вируса натуральной оспы

— Септический (эндотоксический) шок. — Ревматоидный артрит. — Церебральная малярия. — Цитомегаловирусная инфекция пациентов, получающих препа-

раты иммуносупрессоров.

— Снижение повышенной свертываемости крови, наблюдаемой упациентов после удаления вилочковой железы (тимуса).

— Противовоспалительное действие. — Снятие гетеротрансфузионного шока, возникающего при пере-

ливании крови.

Таблица 6Возможные области применения комплемент-связывающе-го белка вируса натуральной оспы

Таблица 5 Потенциальное использование ФНО-связывающего белкавируса натуральной оспы в терапии

Рис.3. Схема преодоления вирусом натуральной оспы анти-вирусной активности цитокинов и системы комплементазараженного организма.

γ -ИФН

ИЛ-1β

ВВЕДЕНИЕ

Среди направлений современной науки на переднийплан все более выдвигается линия исследований, объединя-емых в рамках проблемы "Человек и биосфера". Эта тен-денция продиктована самой жизнью, ибо в условиях уско-ряющегося технического прогресса и роста народонаселе-ния воздействие на природу приобретает размах, не имев-ший прецедента в обозримой истории человечества. В раз-личных странах мира предприняты усилия по стабилиза-ции и улучшению среды обитания, планируются мероприя-тия по охране биосферы. И тем не менее за какие-нибудьпоследние 100 лет человеческая деятельность привела к то-му, что с лица Земли исчезли (или близки к исчезновению)до 25 тыс. видов высших растений и более 1 тыс. видов по-звоночных животных. На грани вымирания находятся илиуже вымерли сотни уникальных пород домашних живо-тных [1]. По оценкам ученых, к 2010–2015 году биосфераможет утратить до 10–15% составляющих ее видов [2].

Чем же вызвано сокращение видового разнообразия?Только ли тем, что возросло давление промысла или из-менились исторически сложившиеся условия обитания?Но, может быть, дело еще и в том, что мы просто нера-ционально используем биологические ресурсы, наруша-ем те внутренние естественные механизмы, которые по-зволяют видам животных и растений устойчиво воспро-изводиться в последовательных поколениях, поддержи-вая равновесие с окружающей средой?

Ответы на эти вопросы можно искать, используя раз-ные подходы и методы. Среди них важное значение име-ет популяционно-генетический подход. Причин томудве. Во-первых, все биологические особенности популя-ций суть производные их наследственных особенностей,или, как говорят генетики, их генофондов — совокупнойнаследственной информации, передаваемой от родите-лей потомкам. Во-вторых, в популяционной генетикеуже давно существует и продолжает совершенствоватьсяколичественная теория тех естественных факторов, поддавлением которых облик популяций либо остается не-изменным, либо меняется в последовательных поколе-ниях, вызывая сопряженные изменения биологическиважных свойств. Иными словами, популяционная гене-тика использует математические модели. Модели могутбыть адекватными или неадекватными природе, но всеони интересны в том отношении, что определенным об-разом позволяют спланировать исследования. Кроме то-го, если мы наблюдаем соответствие между природнойситуацией и моделью, то получаем возможность количе-ственной оценки происходящих изменений и прогнози-рования их возможных последствий.

S U M M A R Y

© Ал

тухов Ю

.П.,

1995


Ю.П.АЛТУХОВ

ÃÅÍÅÒÈÊÀ ÏÎÏÓËßÖÈÉÈ ÑÎÕÐÀÍÅÍÈÅ ÁÈÎÐÀÇÍÎÎÁÐÀÇÈß

Показана ключевая роль по-пуляционной генетики вразработке подходов к не-истощительному приро-допользованию, когда мак-симальная экономическаявыгода сочетается с дли-тельным сохранением ге-нофондов животных и рас-тений -– основных объек-тов нашей хозяйственнойдеятельности. Дано пред-ставление о генетичес-ком полиморфизме видов,обоснована стратегия ра-ционального использова-ния биологических ресур-сов и управления ими.

This lecture demonstratesthat the key role of populationgenetics is the sustainableuse of biological resources.The phenomenon of intra-species hereditary polymor-phisms and the peculiaritiesof genetic processes at thepopulation level under antro-pogenic pressure are cove-red. The strategy of rationalexploitation of commerciallyimportant animal and plantspecies is proposed, basedon the maintenance of evolu-tionary formed intraspecificgene diversity levels.


3 3

Цель данного обзора — показать факты и вытека-ющие из них выводы, которые были получены пригенетическом исследовании природных и сельско-хозяйственных популяций. Я продемонстрирую, во-первых, как нерациональная хозяйственная деятель-ность разрушает популяционно-генетическуюструктуру видов и, во-вторых, как принципы и ме-тоды генетики популяций позволяют преодолеть не-благоприятные явления, помогают осуществлятьразумное использование биологических ресурсов,их длительное сохранение.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫГЕНЕТИКИ ПОПУЛЯЦИЙ

Популяция — это исторически сложившаяся, са-мовоспроизводящаяся совокупность животных илирастений, принадлежащих одному и тому же био-логическому виду и обитающих в определенной час-ти его ареала.

Популяции животных и растений — основнойобъект хозяйственной деятельности человека. Что-бы обеспечить себя продуктами питания, мы экс-плуатируем поля, засеянные теми или иными сорта-ми зерновых культур, стада различных пород до-машних животных, скопления рыб какого-либо про-мыслового вида, обитающих в разных водоемах.Все это — отдельные популяции живых организ-мов. И если мы хотим рационально использоватьбиологические ресурсы суши и моря, то должны по-нимать процессы, протекающие в популяциях, аглавное — сознавать, к каким последствиям можетпривести то или иное вмешательство в их жизнь.

Популяционная генетика зародилась в начале на-шего столетия, но долгое время жизнь популяцийможно было исследовать лишь на тех — как прави-ло, не имеющих хозяйственной ценности — орга-низмах, у которых есть какие-то внешние наследст-венные признаки, позволяющие различать внутривида дискретные группировки. Например, на над-крыльях божьих коровок легко обнаружить строгоиндивидуальные пигментные узоры (пятна, точки)(рис.1), а популяционную принадлежность рыбокпецилий — излюбленного объекта аквариумистов —можно определять по рисунку на хвостах у самцов.Широкие серии работ были выполнены после обна-ружения методами цитологии индивидуальных раз-личий и в строении хромосом (напр., по наличиюили отсутствию инверсий).

Такого рода индивидуальная прерывистая измен-чивость носит название полиморфизма (от греч.“polymorphos” — многообразный).

Первоначально этот термин использовали до-вольно широко для обозначения любой прерыви-стой изменчивости внутри вида (например, кастыобщественных насекомых, сезонные морфы, возра-стные отличия в окраске, половой диморфизм идр.). Однако в настоящее время такие различияпредлагают обозначать как “полифенизм” [4], тогда

как полиморфизм трактуют лишь в строго генетиче-ском смысле. Термин “полиморфный” следует так-же отличать от термина “политипический”, упот-ребляемого для обозначения сложных таксономиче-ских категорий (например, политипический вид —вид, представленный двумя или более подвидами,политипический род и т.п.) Создатель концепции ге-нетического полиморфизма английский генетикЭ.Форд [5] определил это явление как “наличие водном и том же местообитании двух или более ди-скретно отличающихся внутривидовых форм в та-ких количественных соотношениях, что самая ред-кая из них не может поддерживаться лишь давле-нием повторяющихся мутаций”.

Надо сказать, что и сама генетика как наука обя-зана своим возникновением именно явлению гене-тического полиморфизма: Грегор Мендель не смогбы открыть законы наследственности, если бы се-мена изучавшегося им душистого горошка не варь-ировали по цвету и форме.

Таким образом, индивидуальные различия меж-ду организмами контролируются аллельными гена-ми и, следовательно, можно дать несколько иноеопределение полиморфизма, подразумевая под ним

Алтухов Ю.П. Генетика популяций и сохранение биоразнообразия

Рис.1. Полиморфизм пигментного рисунка надкрылий убожьей коровки Harmonia axyridis. Этот вид встречается вСибири, Китае, Корее и Японии. Особи типа 1 преобладают вЗападной и Центральной Сибири, а далее на восток популя-ция становится все более полиморфной, частота фенотипов2−8 увеличивается. Особи типов 13-16 обнаружены только впопуляциях Дальнего Востока. Из: [3]. Воспроизведено с разре-шения Ф. Айалы и Benjamin/Cumings Publishing Company.

1 2 3 4

5 6 7 8

9 10 11 12

13 14 15 16

3 4

“наличие в популяции двух или более аллелей одно-го локуса1, встречающихся с ощутимой частотой”[6]. Обычно на практике полиморфной считаетсяпопуляция с частотой гетерозигот по некоторомулокусу > 1%.

Однако многие виды внешне единообразны, мо-номорфны, – их гены как бы скрыты от наблюдате-ля и, следовательно, генетический анализ невозмо-жен. Как преодолеть такого рода затруднение? Раз-витие молекулярной биологии позволяет теперьизучать генетику любого вида, опираясь на скрытыенаследственные различия, “записанные” в белковыхструктурах организма. Эти особенности выявляют-ся специальными процедурами: либо иммунологи-ческими тестами, либо при электрофорезе белков.Точно такой же полиморфизм у самых различныхвидов обнаружен за последние 10—15 лет при изу-чении первичной структуры ДНК2 — как ядерной,так и неядерной (например, митохондриальной), такчто арсенал технических средств популяционнойгенетики необыкновенно расширился. Однако про-должительность и высокая стоимость ДНК-тестовпока еще ограничивают их широкое применение.Напротив, белковый полиморфизм легко выявляет-ся при сравнительно умеренных денежных затратахна оборудование и реактивы, а общепринятая мето-дика позволяет работать с массовым материалом(сотни образцов за день) и используется во многихлабораториях. Суть методики в следующем: кровьили экстракты различных тканей от отдельных рас-тений или животных помещают в специальные ап-параты и в нейтральных мелкопористых поддержи-вающих средах (гелях) сортируют молекулы в элек-трическом поле по заряду или другим признакам,детерминируемым наследственностью. Оказалось,что особи внутри популяции различаются составомкрови, а также некоторыми особенностями строе-ния определенных белков, и такие отличия переда-ются неизменными от родителей потомкам.

Достаточно посмотреть на рис. 2, где видныразличия между особями нерки, Oncorhynchusnerka – одного из видов тихоокеанских лососей, —различия, определяемые двухаллельным геном,кодирующим синтез фермента фосфоглюкомута-зы. Множественные молекулярные формы одногои того же фермента называют изоферментами, агенетические варианты, приведенные на рис. 2,получили название аллозимов (детали см.: [8]).Расшифровка схемы такова: один ген — одна по-лоса на электрофореграмме; разными номерамиобозначены разные рыбы из одной и той же попу-ляции. У рыб 2–3 выявляется один ген, у

4 — другой, у 1 и 5 представлены оба гена,это — гетерозиготы, то есть типы, промежуточ-ные между двумя первыми, гомозиготными гено-типами. Таким образом, с точки зрения генетики,популяция — смесь генотипов. Многие биологи-ческие особенности популяций и, прежде всего,численность и продуктивность зависят от этой ихгенетической структуры. Если соотношения гено-типов, а точнее — частоты генов — в популяциинеизменны в поколениях, то такая популяция ус-тойчива. Если соотношения меняются, то говорятоб изменяющейся популяции. Это — так называ-емые процессы микроэволюции, в самом общемвиде описываемые в теории популяционной гене-тики математическими выражениями, приве-денными на рис. 3. За время, прошедшее с конца60-х годов, когда метод электрофореза белковстал широко использоваться в популяционных ис-следованиях, биохимическая наследственная из-менчивость открыта уже у более чем 2000 различ-ных видов — от микроорганизмов до человека.

Для дальнейшего понимания важно иметь пред-ставление о панмиктической и подразделенной по-пуляциях. На рисунке 3 схематически изображенапанмиктическая популяция, в которой слагающиеее особи свободно скрещиваются друг с другом. Ес-ли соблюдаются определенные условия (бесконеч-ная численность, отсутствие средовых воздействийи др.), то панмиктическая популяция, согласно изве-стному правилу Харди—Вайнберга, остается рав-новесной, стабильной в поколениях, и соотношениегомо- и гетерозиготных генотипов в ней соответст-вует коэффициентам разложения бинома Ньютона:

p2 + 2pq + q2 = 1, (1)


1Ëîêóñ – ìåñòîïîëîæåíèå ãåíà íà õðîìîñîìå. Â äàííîì êîí-òåêñòå ðå÷ü èäåò î ãåííîì ëîêóñå, èëè ïðîñòî îá îòäåëüíîìïîëèìîðôíîì ãåíå. Â ñîâðåìåííîé ãåíåòè÷åñêîé ëèòåðàòóðåñëîâà “ãåí” è “ëîêóñ” íåðåäêî èñïîëüçóþòñÿ êàê ñèíîíèìû.

2Ðàñïðîñòðàíåííîå ðàáî÷åå íàçâàíèå ýòîé èçìåí÷èâîñòè – “ïî-ëèìîðôèçì äëèí ðåñòðèêöèîííûõ ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ” (ÏÄÐÔ).

−

+

1 2 3 4 5

á

à

Рис.2. а — наследственный полиморфизм фермента фосфо-глюкомутазы из мышечной ткани тихоокеанского лосося –нерки, Oncorhynchus nerka: 2, 3 и 4 – гомозиготы АА и ВВсоответственно; 1, 5 – гетерозиготы АВ. Электрофорез вкрахмальном геле. Стрелка указывает стартовую позицию.Направление миграции молекул в электрическом поле –от катода к аноду; б — внешний вид нерки в период нере-стовой миграции из океана в реки.

3 5

где p и q – частоты соответствующих аллельных генов.Такие идеальные, бесконечные, существующие

вне среды популяции — лишь абстракция, посколькув природе постоянно действуют факторы, нарушаю-щие генотипическое равновесие. Например, можетдействовать естественный отбор и приводить к то-му, что одни генотипы оставят потомков больше, чемдругие, и это вызовет изменение генетической струк-туры популяции. Может происходить миграция —приток или отток — генов, и популяция также будетменять свою генетическую характеристику. Наконец,может происходить так называемый случайный гене-тический дрейф, когда численность популяции резкопадает и она “ошибается” при воспроизводстве гено-фонда следующего поколения. Но дрейф генов имеетместо необязательно лишь при внезапном и резкомсокращении численности популяции (так называе-мый “эффект бутылочного горлышка”). Реальные по-пуляции вообще ограничены по численности, что со-здает условия для постоянного генетического дрейфаи сопутствующего ему инбридинга (близкородствен-ные скрещивания).

Кроме того, и это очень важно, генетически эф-

фективная численность (Ne) популяции всегда и су-щественно меньше ее общей численности (Nt) ужепо той простой причине, что старшие и младшиевозрастные группы исключены из процесса вос-производства. У человека, например, если обра-титься к сельскому населению, величина Ne состав-ляет примерно треть от величины Nt. У природныхвидов отношение Ne/Nt может быть еще меньше,порядка 0,1–0,2.

Такая репродуктивная структура способствуетутрате генетического разнообразия. Однако внутри-популяционный инбридинг может компенсировать-ся генными миграциями, и в этом случае панмикти-ческая популяция трансформируется в подразделен-ную, то есть в совокупность субпопуляций, связан-ных миграционными взаимодействиями (рис. 3, б).

Когда центробежные (дрейф) и центростреми-тельные (миграция) процессы взаимно уравновеши-вают друг друга, распределение частот генов в под-разделенной популяции становится стационарным,то есть направленных генетических изменений непроисходит. Если же одновременно действует ста-билизирующий отбор (гетерозиготы приспособленылучше гомозигот), то полиморфизм становитсяочень устойчивым, генетический состав подразде-ленной популяции оказывается неизменным на про-тяжении сотен и тысяч поколений. Напротив, на-правленный отбор (гетерозиготы приспособленыхуже гомозигот) приводит к нарушению устойчиво-сти и утрате полиморфизма.

В разработку теории подразделенных популяцийрешающий вклад внесен американским генетикомСьюэллом Райтом (см. [9]). Такие “популяции попу-ляций” получили в отечественной литературе назва-ние популяционных систем [10], а за рубежом до-вольно широко употребляется термин “метапопу-ляция”.

Исследуем теперь, в какой мере теоретическиепредсказания соответствуют реальным ситуациям.Ведь хорошо известно, что многие, если не все, био-логические виды представляют собой сложнострук-турированные популяционные системы.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИНТАКТНЫХПОПУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Обратимся к изолированной популяции непро-мыслового моллюска Littorina squalida, обитающегов лагуне Буссе на Южном Сахалине и имеющегорельефную субпопуляционную структуру (рис. 4).Улитторины хорошо выражен полиморфизм окраскираковины, трактуемый как проявление двухаллель-ной системы с неполным доминированием3 (рис. 5).Так же как и у исключительно детально изученной


а

I

p2 : 2pq : q2

∆p = 0

IIIмиграция

∆p = m(pm − p)

IVдрейф

σ2δq =pq

2N

IIотбор

∆p = pWp − W

W

V

∆p = 0

Φ(p) = CW 2Np4Nmp−1q4Nmq−1

б

Рис.3. Основные математические модели популяционной ге-нетики: a – панмиктическая популяция неограниченной чис-ленности, остающаяся в стабильном состоянии (∆p= 0) вотсутствие отбора (w), миграции (m) и случайного дрейфагенов (N) – так называемое правило Харди—Вайнберга,представленное формулой 1, где p и q – частоты генов, слу-чайным образом комбинирующихся в гомозиготных (p2, q2) игетерозиготных (pq) генотипах. II, III, IV – элементарныеформулы для отбора, миграции и случайного дрейфа геновкак основных факторов, определяющих динамику частот ге-нов в популяциях;б – подразделенная популяция, представленная совокупно-стью субпопуляций, испытывающих одновременное воздей-ствие случайного дрейфа и миграции генов, а также естест-венного отбора. V – математическая функция С. Райта дляраспределения частоты гена в такой популяции.

3Íåïîëíîå äîìèíèðîâàíèå èëè “ýôôåêò äîçû ãåíà”, êîãäàãåòåðîçèãîòà Aa ïî ôåíîòèïó ïðîìåæóòî÷íà ìåæäó ãîìîçè-ãîòíûìè ôîðìàìè AA è aa.

3 6

садовой улитки Cepaea nemoralis, различия геноти-пов (фенотипов) сохраняются у ископаемых форм и,таким образом, имеется возможность исследовать ихраспределения в выборках из ныне живущих и древ-них популяций. В случае с литториной такой вре-менной интервал составляет 4–5 тыс. лет; это соот-ветствует примерно 2–2,5 тыс. последовательныхпоколений. С 1969 по 1974 годы Б.А.Калабушкиным[11] были исследованы распределения морф в трехвыборках современного и в пяти выборках голоце-нового материала. Представленные на рис.6 оценкигенных частот показывают, что если сравнивать от-дельные современные выборки с отдельными же ис-копаемыми, то можно прийти к весьма противоречи-вым выводам, обнаружив проявления как генетиче-ского сходства, так и различия во времени и в про-странстве. Но если опереться на ясные представле-ния о системной организации популяций и провестисбор и анализ первичного материала по всем элемен-там популяционной структуры, то можно сделатьлишь один вывод: несмотря на изменчивость в час-тях, система как целое устойчиво сохраняет гено-фонд, унаследованный от прапопуляции.

Аналогичные результаты были получены дляразличных видов животных и растений [10], а такжедля человека [13].

То же самое обнаружено при исследовании экс-периментальных подразделенных популяцийDrosophila melanogaster и при компьютерном моде-лировании генетических процессов в популяцион-ных системах, соответствующих простейшей коль-цевой ступенчатой модели, разработанной япон-ским ученым Мотоо Кимурой [14]: при одинаковойчисленности панмиктической и подразделенной по-пуляций последняя оказывается более устойчивой всмысле сохранения генетического разнообразия[16]. Так, например, к 1000-му поколению экспери-мента из 10 модельных панмиктических популяцийчисленностью 500 особей каждая “вырождаются”(то есть становятся полностью гомозиготными) 8,тогда как ни одна из подразделенных популяций тойже численности не утрачивает генетического разно-образия. Если рассчитать “время жизни” панмикти-ческих и равных им по величине подразделенных

популяций, приняв за него число поколений, соот-ветствующее потере 99% от исходного уровня гете-розиготности, то для первого случая эта оценка со-ставит 2301 поколение, а для второго — 5341. Ины-ми словами, всего лишь наличие субпопуляционнойструктуры кольцевого типа с ограниченной интен-сивностью генных миграций (порядка 0,5–1%) за-медляет темп убыли генетической изменчивоститак, как если бы эффективная численность панмик-тической популяции удвоилась.

Этот вывод важен для природоохранной биоло-гии, ибо совершенно очевидна несоизмеримостьресурсов (величина ареала, количество пищи ит.п.), требуемых для достижения одинаковогопрактического результата: в одном случае числен-ность “минимальной жизнеспособной популяции”[17] может быть, благодаря внутренней фрагмента-ции, равна всего сотням, тогда как в другом — ты-сячам и более особей.

Но не только стохастическая регуляция ответствен-на за генетическую устойчивость подразделенных по-пуляций. Существует еще один, более важный меха-низм поддержания такой устойчивости — отрица-тельная обратная связь между эффективной числен-ностью субпопуляции (Ne) и притоком генов в нее из


Залив Анива

лагуна Буссе

Южно-Сахалинск

15 км

Рис. 4. Местоположение лагуны Буссе на о. Сахалин

1 2 3Рис.5. Полиморфизм рисунка раковины в сахалинских попу-ляциях моллюска Littorina squalida. 1, 3 – гомозиготы АА иВВ соответственно; 2 – гетерозигота АВ. Из: [12].

Рис.6. Стабильность частоты гена (ордината) в условномнулевом (t0; n = 479 экз.; q0 = 0,293 ± 015) и приближенно вдвухтысячном (t2000; n = 1252 экз.; q0 = 0,280 ± 010) поколени-ях (абсцисса) всей популяционной системы моллюскаLittorina squalida (I, светлые кружки) в сопоставлении с из-менчивостью по отдельным локальностям (II, черточки, па-раллельные абсциссе; вертикальные черточки – удвоенныестандартные ошибки). По: [12].

4 51 2 3 1 2 3III

t0 t2000

0,8

0,4

0

qA

3 7

общего генного пула системы: когда эффективнаячисленность субпопуляций, слагающих структуру по-пуляционной системы, уменьшается, интенсивностьиммиграции генов возрастает, и наоборот.

Впервые такую неслучайную структуру миграцийудалось обнаружить при исследовании генетическихпроцессов в экспериментальной подразделенной по-пуляции D.melanogaster, соответствующей так назы-ваемой островной модели С.Райта [7]. Оказалось, чточем меньше численность “островных” субпопуляций,тем больше приток генов в них с “континента”. Затемта же зависимость была прослежена на природныхпопуляциях других видов [18]. Обнаруженная авторе-гуляция означает поддержание устойчивых пропор-ций гомо- и гетерозиготных генотипов. Это эволюци-онно сложившееся отношение, характерное для есте-ственных самовоспроизводящихся популяционныхсистем, может, однако, нарушаться при антропоген-ных воздействиях, если интенсивность и/или направ-ление генных миграций либо величина Ne существен-но меняются. Например, резкое падение эффективнойчисленности и обмена генами имеет место практиче-ски всегда, когда наносят вред местам размножения,что приводит к сокращению протяженности и разры-вам (фрагментации) репродуктивных ареалов. В этихи подобных им случаях следует ожидать увеличениямежпопуляционного и сокращения внутрипопуляци-онного генного разнообразия. Напротив, чрезмерноеперемешивание и взаимодействие ранее изолирован-ных генофондов может привести к проявлениям аут-бридинга, то есть к снижению жизнеспособности гиб-ридных комбинаций.

Для количественной оценки структуры генетиче-ской изменчивости в подразделенной популяцииамериканским генетиком М.Неи [19] развита тео-рия, связывающая внутрипопуляционную (HS) имежпопуляционную (GST) компоненты гетерозигот-ности (или, что то же, – генного разнообразия) сле-дующими соотношениями:

где pis – частота i-го аллеля в субпопуляции S, pi —средняя частота аллеля во всей подразделеннойпопуляции, состоящей из n субпопуляций. Такимобразом, HS есть средняя гетерозиготность суб-популяции, а HT — гетерозиготность всей под-разделенной популяции, как если бы она пред-ставляла единое панмиктическое сообщество. Всовременных работах как внутри-, так и межпо-пуляционная гетерозиготность оценивается одно-временно по многим полиморфным генам.

Величина GST, служащая мерой локальной гене-тической дифференциации, есть показатель разбро-са, дисперсии генных частот на субпопуляционномуровне. Чем сильнее генетические различия междулокальными группировками особей, тем большеGST. Одновременно соответствующим образом ве-дет себя и внутрипопуляционная гетерозиготностьHS: она увеличивается, когда GST сокращается и, на-против, уменьшается, если GST растет (посколькуHS + GST = 100% от HT; см. формулу (2)).

Понятно, что если бы подразделенная популяцияустойчиво воспроизводила свой генофонд в после-довательных поколениях, то есть процессы его диф-ференциации и интеграции находились бы в равно-весии, как это демонстрировалось выше на примерес литториной, то и соотношение внутри- и межпо-пуляционной компонент генного разнообразия так-же оставалось бы постоянным на разных иерархи-ческих уровнях системы. И действительно, как по-казали наши исследования, такая авторегуляцияимеет место, если условия воспроизводства популя-ционных генофондов не нарушены. Это можно по-казать на примере тихоокеанского лосося-нерки,имеющего, как известно, сложную субпопуляцион-ную структуру, представленную несколькими есте-ственно сложившимися уровнями иерархии(табл.1).Та же зависимость была описана и длядругих видов, чья пространственная дифферен-циация изучалась одновременно по многим ге-нам (см. [20]).

Следовательно, в условиях естественного, не-нарушенного воспроизводства видовых генофон-дов соотношение внутри- и межпопуляционнойкомпонент генного разнообразия остается неиз-менным на разных уровнях популяционной струк-туры вида.


Таблица 1Пространственная генетическая дифференциация на разныхуровнях иерархии популяционной системы тихоокеанского ло-сося нерки, Oncorhynchus nerka

Óðîâíèèåðàðõèè

Ðåãèîíû(Àçèÿ è Àìåðèêà)

Ñóáðåãèîíû âðàìêàõ ðåãèîíîâ

Ðåêèâ ñóáðåãèîíàõ

Ïîêàçàòåëü

G3

G2

G1

GSTi-t = 0,074. Îöåíêè ëîêàëüíîé äèôôåðåíöèàöèè îñíîâàíû íàñîáñòâåííûõ è ëèòåðàòóðíûõ äàííûõ î ÷àñòîòàõ ãåíîâ àëëî-çèìíûõ ëîêóñîâ â 45 âûáîðêàõ èç ïðèðîäíûõ ïîïóëÿöèé íåðêè,ðàçìíîæàþùèõñÿ â áàññåéíàõ 20-òè ðåê Ñåâåðíîé Àìåðèêè èÑåâåðíîé Àçèè.

Ñòåïåíü ëîêàëüíîéãåíåòè÷åñêîé äèôôåðåíöèàöèè

Â åäèíèöàõ GST Â äîëÿõ GSTi-t

0,0254 34%

0,0237 32%

0,0249 34%

−

− Σ

Σ

− Σ

(2)

3 8

Какими же могут быть последствия антропоген-ных воздействий на эту структуру? Рассмотрим со-ответствующие данные, полученные для природ-ных и сельскохозяйственных популяций.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ПРИРОДНЫХПОПУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ, ИСПЫТЫВАЮЩИХАНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Цикл многолетних работ, выполненных на про-мысловых рыбах, включая лососевых, в наиболь-шей мере отвечает интересующей нас задаче — по-нять специфику микроэволюционных процессов,протекающих в популяциях при антропогенныхвоздействиях. Рассмотрим эти данные.Промысел. При изучении природных рыбных по-

пуляций (стад) обнаруживается ярко выраженнаягетерогенность, их дифференцированность на болеемелкие, генетически отличающиеся субпопуляции.Это, например, было показано нами около 30 лет то-му назад [21] для американского морского окуняSebastes mentella, чьи стада обитают на большихглубинах в районах п-ва Лабрадор и о-ва Ньюфаунд-ленд (рис. 7).

Обнаружение системной организации популяцийимеет принципиальное практическое значение. Оче-видно, что если мы хотим осуществлять рациональ-ный промысел, имея дело с системой, то должныподходить к ней как к целому с учетом ее внутрен-ней структуры. Вместе с тем рыбаки обычно игно-рируют эту организацию стад, вследствие чего про-исходит разрушение подразделенных популяций.

Для иллюстрации сказанного обратимся к ти-пичной картине морского рыбного промысла,стратегия которого, как известно, включает двеглавные акции — разведку достаточно плотныхскоплений рыб поисковым судном и, после их об-наружения, вылов флотилией промысловых судов.Чтобы показать эту картину в динамике, можноизобразить ее в виде серии следующих друг задругом “кадров” (рис.8), которые демонстрируютвскрытую нами цепь генетически отличающихсясубпопуляций морского окуня (см. рис.7). Понят-но, что при подобного типа промысле, когда судавсякий раз устремляются в тот участок ареала, гдескопление рыб характеризуется максимальнойплотностью, одни субпопуляции перелавливают-ся, другие недолавливаются. В конечном счетепроисходит нарушение естественно сложившихсяканалов миграционной связи между элементамисистемы, разрушается генетическая структура по-пуляции. Этого можно было бы избежать, равно-мерно облавливая стадо как целое, с непременнымучетом его пространственной субпопуляционнойорганизации.

Столь на первый взгляд абстрактная схема полу-чила прямые доказательства в изучении последст-вий промыслового воздействия на подразделенныепопуляции нерки, размножающейся в озерах Кам-

чатки (рис. 9). Важная биологическая особенностьнерестовых популяций этого вида — уникальнаякартина изменчивости производителей по длине те-ла: самки характеризуются одновершинным распре-делением, тогда как для самцов прослеживаетсячетко выраженная двувершинность (рис. 10). В пе-риод размножения в водоемах обнаруживаются трилегко распознаваемые группы рыб: мелкие молодыесамцы, старые крупные самцы и самки, занимаю-щие промежуточное положение между двумя груп-пами самцов по признаку “длина тела” и по возра-сту. Мало того, в процессе промысла можно видеть,как со временем в исследуемой популяции сущест-венно возрастет доля мелких половозрелых самцов.Такие, как правило, трехлетние самцы (их местноеназвание на Камчатке – “каюрки”, канадцы называ-ют их “джек”, американцы – “грилз”), лишь с не-большой частотой встречаются в нативных, малооблавливаемых стадах. Напротив, в популяциях, ис-пытывающих систематическое промысловое воз-действие, количество мелких, рано созревающихсамцов резко возрастает.

Ярким примером, иллюстрирующим это правило,может служить стадо нерки озера Дальнего (п-овКамчатка), биология которого детально изучена на-чиная с 30-х годов благодаря работам Ф.В. Крогиус[22]. Так вот, если в 30-х годах численность нересто-вой части дальнеозерского стада составляла около100 тыс. производителей, а доля каюрок среди поло-возрелых самцов не превышала 0,2%, то в 60–70-егоды численность производителей сократилась до2–5 тыс., а доля каюрок увеличилась до 38% .

В чем же причина столь драматических изме-нений? Исследования показали, что главный фак-


Рис.7. Гетерогенность стада морского окуня Sebastesmentella Travin, обитающего на больших глубинах в районео-ва Ньюфаундленд. Прерывистыми линиями выделенысубпопуляции, слагающие структуру локального стада.Каждая субпопуляция характеризуется специфическим ге-нофондом и своеобразными биологическими особенностя-ми (длина тела, стадия половой зрелости, соотношениеполов, численность и др.). Латинские буквы обозначают зо-ны международного рыболовства.

3 9

тор — селективный морской промысел, из поко-ления в поколение нарушающий генетическуюструктуру стад нерки из-за непропорциональногоизъятия жаберными сетями крупных, более гомо-зиготных старых самцов. Другие рыбы, идущиена нерест и генетически отличающиеся от круп-ных самцов, облавливаются промыслом или рав-номерно (самки), или недолавливаются (мелкиесамцы), что и приводит к резкому изменению ис-торически сложившейся популяционно-генетичес-кой структуры стада [7].

Дело в том, что в нерестовых стадах нерки су-ществует весьма консервативная система так назы-ваемых избирательных скрещиваний. При форми-ровании брачных пар на нерестилищах самки отда-ют предпочтение медленно растущим, более гомо-зиготным крупным самцам, и лишь в маловодныегоды и на мелководных нерестилищах, куда круп-ные самцы не могут проникнуть, репродуктивныйуспех сопутствует быстрорастущим молодым, бо-лее гетерозиготным самцам. Промысел нарушаетестественную систему воспроизводства, и более ге-

терозиготные (гетерозисные) мелкие самцы4 во всебольшей мере передают свои гены последующимпоколениям. Доля крупных рыб в стаде уменьшает-ся, нарушается равновесное соотношение полов,увеличивается скорость полового созревания, со-кращается средняя продолжительность жизни и,как следствие, возрастает темп смены поколений.Одновременно падает численность стада, так какмелкие самки имеют более низкую плодовитость.Таким образом, в условиях снижения воспроизво-дительной способности стада даже постоянный поинтенсивности промысел, вполне совместимый сизначальными продукционными возможностямипопуляции, приводит к сокращению ее численности


Рис.8. Примерная схема промысла морского окуня на Нью-фаундлендских банках. На рисунках можно видеть, какфлотилия траулеров постоянно перемещается по ареалу врайоны максимальных концентраций рыб, обнаруживае-мых поисковым судном. Это приводит к неравномерномуоблову стада, чья субпопуляционная структура показана напредыдущем рисунке.

Рис.9. Брачная пара у нерки. Самец снизу, самка сверху. С по-мощью хвоста самка роет в гравии гнездо глубиной 30—40 см,куда откладывает ≈3000 икринок. Самец, охраняющий сам-ку во время “строительных работ”, поливает затем икрин-ки молоками. После оплодотворения самка засыпает икрин-ки гравием и остается возле гнезда до самой смерти, насту-пающей несколькими днями позже. Как и все тихоокеанскиелососи, нерка – моноциклический вид, т.е. размножаетсялишь раз в жизни и погибает вскоре после нереста.

30

20

10

1971

30

20

10

1974

30

20

10

1978

Число рыб, %

Мелкиесамцы

Крупныесамцы

Самки

35 55 75Длина тела, см

Рис.10. Изменчивость длины тела производителей тихоо-кеанского лосося – нерки в период нереста (оз. Азабачье, п-ов Камчатка): по оси абсцисс – длина тела, см; по оси ор-динат – частота соответствующих классов, %; сплошнаялиния – самцы; прерывистая линия – самки. На рисункахвидно, что имеются три группы рыб, отличающихся дли-ной тела: крупные самцы, средние по величине самки и мел-кие самцы. При этом если распределение длины тела самокостается более или менее однородным во времени, то рас-пределение длины тела самцов сильно варьирует за счетрезкого увеличения в отдельные годы количества мелкихсамцов (сравните, например, 1971 г. и последующие годы).

4Îáû÷íî ãåòåðîçèñíûå æèâîòíûå õàðàêòåðèçóþòñÿ óâåëè-÷åííûìè ðàçìåðàìè,îäíàêî ó íåðêè ýòî íå òàê,ïîñêîëüêó ðû-áà ðàçìíîæàåòñÿ òîëüêî ðàç â æèçíè è ïîñëå íåðåñòà ïðîèçâî-äèòåëè ïîãèáàþò (ìîíîöèêëè÷íîñòü).

а б в

4 0

в поколениях только из-за непропорциональногоизъятия рыб определенных генотипов.

Обнаруженные процессы свойственны не толькостадам тихоокеанских лососей, но и другим видамрыб — объектам промысла [23]. Во всех до сих порисследованных случаях картина была однотипной:измельчание промысловых стад, их омоложение, воз-растание доли рано созревающих мелких самцов.Поскольку направление отбора оказывается неизмен-ным (в пользу гетерозигот), внутрипопуляционнаякомпонента генного разнообразия возрастает, тогдакак межпопуляционная — падает, приводя к сниже-нию локальной генетической дифференциации [20].

Более сложная картина наблюдается при искусст-венном воспроизводстве рыбных популяций.Искусственное воспроизводство. Генетические

последствия искусственного воспроизводства луч-ше всего рассмотреть на примере лососей. Как ужеподчеркивалось, их стада — сложноструктуриро-ванные популяционные системы, состоящие измножества дискретных субпопуляций, в разное вре-мя заходящих на нерест в реки или озера. Если мывоспроизводим такие системы искусственно на ры-боводных заводах, то должны осуществлять сборполовых продуктов на всем протяжении нерестово-го хода, а не ограничиваться использованием лишьчасти дифференцированного генофонда. Чем болеерельефна субпопуляционная структура популяции,тем меньше шансов воссоздать целое по его отдель-ной части. К сожалению, это обстоятельство на ры-боводных заводах нередко игнорируется и, как след-ствие, нарушается структура внутри- и межпопуля-ционной генетической изменчивости.

Так, например, при сравнении природных и ис-кусственно поддерживаемых популяций атлантиче-ских лососей — семги, Salmo salar, и кумжи, Salmotrutta — обнаруживаются два противоположно на-правленных процесса, связанных с перераспределе-нием внутри- и межгрупповой компонент генногоразнообразия (табл. 2). У семги, воспроизводимойна рыбоводных заводах, межпопуляционная генети-ческая дифференциация существенно выше, а внут-рипопуляционный полиморфизм ниже, чем в при-родных условиях. Прямо противоположная, но ещеболее рельефная картина характерна для испанскихи французских стад кумжи. Очевидно, что в случаес семгой рыбоводная деятельность приводит к нара-станию инбридинга, чему способствует малая чис-ленность производителей, используемых для вос-производства, тогда как в случае с кумжей увеличе-ние внутрипопуляционной гетерозиготности и сти-рание межпопуляционной генетической дифферен-циации есть следствие перемешивания генофондовразличных по происхождению маточных линий ли-бо отбора в пользу гетерозигот. В первом случаестада лососей страдают от инбридинга, во второмот аутбридинга, что приводит к плохой выживаемо-сти молодняка и падению численности [18].

Итак, наблюдается довольно однотипная картинаизменений при антропогенных воздействиях наподразделенные популяции хозяйственно-ценныхрыб. Практически во всех изученных случаях име-ют место неблагоприятные генетические процессы,т.е. такой тип воспроизводства видовых генофон-дов, при котором нарушается эволюционно сло-жившееся соотношение внутри- и межпопуляцион-ной компонент генного разнообразия.

Эти процессы порождаются игнорированием вхозяйственной деятельности исторически сложив-шейся субпопуляционной структуры. Даже рыбо-водная практика, преследующая, казалось бы, бла-городную цель — искусственное воспроизводствобиологических ресурсов — может приводить к не-желательным последствиям. Они связаны с пере-распределением генетического разнообразия такимобразом, что его внутрипопуляционная компонентауменьшается, тогда как межпопуляционная нараста-ет. Ситуация — типичная для лососевых рыбовод-ных заводов, использующих либо недостаточноечисло производителей и тем самым провоцирую-щих инбридинг, либо ведущих бессознательный от-бор в пользу гомозигот, что, по сути, одно и то же.Этот процесс инадаптивен и может привести к не-обратимой деградации популяций даже после пре-кращения соответствующего воздействия.

Перераспределение разнообразия за счет увели-чения внутрипопуляционной гетерозиготности об-наруживается при мониторинге самовоспроизводя-щихся популяций — объектов промышленного ры-боловства, а также при искусственном воспроизвод-стве атлантических лососей на рыбоводных заводахи при садковом выращивании [20]. Этот процессадаптивен, однако конечный его результат — та жедеградация популяций, ибо плата за адаптацию ока-зывается непомерно большой, например, – заменапроходных (мигрирующих) высокопродуктивныхпопуляций на малопродуктивные формы, а, крометого, повышенная эмбриональная смертность.


Таблица 2Генетическое разнообразие природных и искусственноподдерживаемых популяций лососей (по: [18])

Èñêóññòâåííîïîääåðæèâàåìûå

HT HS GST

0,037 0,030 0,196(24 ïîïóëÿöèè)

0,077 0,072 0,063(7 ïîïóëÿöèé)

0,092 0,083 0,028(4 ïîïóëÿöèè)

Âèä,ðåãèîí

Salmo salarÇàïàäíàÿ è Âîñòî÷íàÿ Àòëàíòèêà

Salmo truttaÔðàíöèÿ

Èñïàíèÿ

Ïðèðîäíûå

HT HS GST

0,041 0,038 0,064(29 ïîïóëÿöèé)

0,111 0,050 0,550(8 ïîïóëÿöèé)

0,069 0,027 0,610(4 ïîïóëÿöèè)

4 1

Таким образом, эволюционно сложившееся соот-ношение внутри- и межпопуляционной компонентгенетического разнообразия является оптималь-ным: как убыль гетерозиготности, так и ее чрез-мерное нарастание неблагоприятны для нормаль-ного функционирования популяции.

Этот факт позволил нам разработать концепциюоптимального генного разнообразия как важнейше-го условия благополучного существования популя-ций в нормально колеблющейся природной среде[7]. Зная соотношение внутри- и межгрупповойкомпонент наследственной изменчивости в усло-виях протекания процессов нормального воспроиз-водства либо непосредственно перед тем или инымантропогенным воздействием, мы действительнополучаем уникальную возможность детально изу-чить генетику любой популяционной системы и раз-работать практические рекомендации по ее рацио-нальному хозяйственному использованию.

Тот же подход оказывается эффективным и в при-ложении к сельскохозяйственным популяциям.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКАСЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОПУЛЯЦИЙ

На сегодняшний день наиболее надежная инфор-мация получена для сортов ячменя, Hordeum vul-gare, возделываемых в Восточной Сибири [24], идля различных пород кур, Gallus gallus [25].

За последние десятилетия было выведено, райо-нировано и внедрено в производство около 60-тиновых сортов ячменя. Учитывая, что их райониро-вание проводится в различных агроэкологическихзонах, существенное значение приобретает вопросо направлении отбора и его влиянии на генетиче-ское разнообразие таких популяций.

Анализ этих данных показал, как существенноизменилась гетерогенность популяций: еслираньше они были представлены смесью различ-ных генотипов, то в настоящее время преоблада-ют линейные сорта. Уровень генетической измен-чивости существенно выше у местных, стародав-них сортов по сравнению с современным: у пер-вых доля разновидностей с 3–4-мя аллелями полокусу HrdB достигает 30%, тогда как в преобла-дающей части вторых обнаружены лишь один, влучшем случае два аллеля исследованных гордеи-новых локусов. Ясно, что за последние 60 лет вгенотипическом составе сортов ячменя, возделы-ваемых в Восточной Сибири, произошли значи-тельные сдвиги, связанные с сокращением на-следственного разнообразия. Эти изменения вы-званы сложившейся селекционной практикой —новые сорта являются потомством одного или не-скольких растений.

Та же тенденция утраты генетического разнооб-разия во времени отчетливо прослеживается и примониторинге популяций кур. Среди факторов, вы-звавших снижение генетической изменчивости в

промышленном птицеводстве, следует отметитьрезкое сокращение числа используемых в коммер-ческих целях пород. В состав теперешних промыш-ленных кроссов входят лишь 4—7 пород из болеетысячи, известных во всем мире. Что касается Рос-сии, то из 80 старых пород к настоящему временине сохранилось (или не найдено) около 30, что соот-ветствует сокращению генетических ресурсов в пла-не породного состава на 37,5% за последние 50 лет.Многие другие породы находятся на грани исчезно-вения [25].

Исследование динамики генетической изменчи-вости в птицеводстве и более точная количественнаяее оценка согласуются с изложенными выше факта-ми. Были использованы экспериментальные данные(собственные и литературные) по биохимическомуполиморфизму 48 популяций кур иностранного(средиземноморского и азиатского) и отечественно-го (российского) происхождения, включая дикихпредков домашних кур — подвид G.g.gallus. Анализосновывался на 16-ти локусах, кодирующих белкикрови и яиц. Шесть локусов полиморфны. Путем ус-реднения частот аллелей, характерных для 47 изу-ченных пород, реконструирована генетическаяструктура гипотетической "прапопуляции". Числоаллелей на локус, как правило, оказывалось ниже вгруппах коммерческих и средиземноморских пород.Относительно высокие оценки получены для дикихкур, гипотетической "прапопуляции" и для группыазиатских кур. Примерно те же ранги занимаютгруппы пород и по показателю средней гетерозигот-ности и, соответственно, по числу аллелей, утрачен-ных в сравнении с мировым генофондом [25].

Генетические "профили" прапопуляции и некото-рых отечественных пород кур представлены на рис.11.Мы видим, что одни породы имеют уникальнуюструктуру, другие, вследствие их синтетическогопроисхождения, похожи на прапопуляцию. К первойгруппе принадлежат пять популяций: орловская, пер-вомайская, русская белая, ленинградская белая, мос-ковская; ко второй — остальные девять популяций,чьи генетические профили изображены на рис. 11.

Кроме того, обращает на себя внимание следу-ющий важный факт: близкие к прапопуляции оте-чественные породы характеризуются более высо-ким уровнем внутрипопуляционной гетерозигот-ности (HS = 0,213) и низкой межпопуляционнойизменчивостью (GST = 0,0975) в сравнении с по-родами, наиболее удаленными от прапопуляции(HS = 0,183; GST = 0,2311).

Со статистической точки зрения так и должнобыть. Но существенно то, что генетическая бли-зость к прапопуляции оказывается связанной сменьшей породной специализацией: почти все де-вять соответствующих пород имеют мясо-яичноенаправление продуктивности, тогда как пять уда-ленных более специализированы либо в сторонуяичного (напр., русская белая, московская), либо


4 2

мясного (напр., ленинградская белая) направлений,а в основании наиболее удаленной от прапопуляцииорловской породы находятся бойцовые куры.

Значительная межпопуляционная генетическаядифференциация и, вместе с тем, пониженный уро-вень гетерозиготности, характерные для группыспециализированных пород, ясно указывают: селек-ция сопровождалась потерей внутрипопуляционно-го генного разнообразия. для группы неспециализи-рованных пород характерна противоположная тен-денция — рост гетерозиготности и утрата породно-го своеобразия. Очевидно, что это — все те же не-благоприятные генетические процессы, отмеченныевыше для природных популяций и порождаемые че-ловеческой деятельностью.

В свете этих выводов становятся понятными тенежелательные явления, с которыми постоянносталкиваются работники сельского хозяйства.

При создании новых сортов и пород отбор ведет-ся преимущественно по признакам продуктивности.Однако зачастую, наряду с полезными признаками,селекционеры, сами того не ведая, отбирают и за-крепляют вредные, нежелательные. Пример тому —сверхвысокомасличные сорта подсолнечника, о ко-торых в свое время немало писали. На практике этирастения оказались неустойчивыми к болезням, иурожаи погибали на корню. Создавая новые сорта,вместе с генами высокой масличности “соотобрали”и гены позднеспелости; получился подсолнечник,созревающий под осень, в период дождей, когда ус-ловия наиболее благоприятны для развития корне-вой гнили... Высокая специализация сорта приво-дит, как указано выше, к потере внутрипопуляцион-ного наследственного разнообразия и, соответст-венно, к утрате адаптивности. Избегать таких оши-бок позволяет разработанная в нашем институте ме-тодика селекции и семеноводства. Она дает возмож-ность сочетать направленный отбор по признакампродуктивности со стабилизирующим по призна-кам адаптивности, т.е. получать популяции, одно-временно высокопродуктивные и устойчивые к не-благоприятным воздействиям среды. По этой мето-дике, используемой с 1974 г., улучшен, например,сорт подсолнечника Енисей; он дает стабильныйурожай, устойчив к капризам погоды и заболева-ниям, приспособлен к возделыванию и уборке ма-шинами. Сейчас этот сорт занимает немалые пло-щади на полях страны и приносит хозяйствам боль-шую выгоду (рис. 12).


Надеюсь, мне удалось показать, как теоретиче-ские и практические работы в области популяцион-ной генетики позволяют обосновать принципы оп-тимальной эксплуатации природных и искусствен-ных популяций — принципы, которыми нельзя пре-небрегать, если мы хотим пользоваться биологиче-скими ресурсами нашей планеты, не истощая их.

Действительно, проблема рациональной промыс-ловой эксплуатации и искусственного воспроизвод-ства биологических ресурсов требует самого при-стального внимания. Эволюционно сложившиесяуровни внутривидового наследственного разнообра-зия нарушаются не только в процессе промысла (на-пример, рыбного), но и при вполне благих намере-ниях, связанных с селекцией и улучшением сельско-хозяйственных растений (ячмень) и животных (ку-ры) или же при искусственном воспроизводстве стадлососей на рыбоводных заводах. Во всех случаях не-пропорциональное изъятие одних генотипов и недо-использование либо неравномерное воспроизводст-во других порождают неблагоприятные процессы,приводящие к снижению жизнеспособности популя-ций. Механизм, лежащий в основе открытых явле-ний, сопряжен не только с уменьшением генетиче-ского разнообразия, но и с его увеличением по отно-шению к исторически сложившемуся оптимуму.Есть основания утверждать, что во многих слу-

чаях или, по крайней мере, в тех из них, когда внут-рипопуляционный полиморфизм сокращается, амежпопуляционная пространственная дифферен-циация нарастает, – пределы допустимых генети-ческих изменений уже превышены. В этом выводе —главный элемент делаемого нами долгосрочногопрогноза генетических последствий антропогенно-го давления на природные и сельскохозяйственныепопуляции. Очевидно, что прогноз неблагоприятен.


Рис.11. Генетические “портреты” отечественных пород кури их “прапопуляции”. На радиусах отложены частоты ал-лельных генов, кодирующих синтез белков крови и яиц: 1 —овальбумин; 2—4 — глобулины; 5 — трансферрин; 6 — аль-бумин; 7, 8 — эстеразы.Интервал частот генов: 0 — в центре круга, 1 — на пери-метре. На линиях, соединяющих отдельные породы с прапо-пуляцией, приведены оценки их генетической удаленностиот предкового генофонда (“генетические расстояния” поМ. Неи). Из: [20].

1

7 3

28

465

0,0150

0,0306

0,0421

0,0975

0,0416

0,0248

0,0146

0,0144 0,0098

0,0084 0,0075

0,0049 0,0006

0,0065

“Прапопуляция”

Юрловская голосистая

Панциревская белаяУкраинская ушанка

Полтавскаяглинистая

Украинскаяхохлатая

Панциревская черная

Московская

Первомайская

Орловская

Русская белая

Ленинградская белая

Адлерская серебристая

Кучинская

Загорскаялососевая

4 3

Поэтому, в противовес существующим представ-лениям о продолжающейся эволюции биосферы, ясклонен сделать иной вывод — о происходящей нанаших глазах деградации биосферы. Чтобы этого недопустить, нужно пересмотреть стратегию взаимо-действия Человека с Природой таким образом, что-бы не разрушалась системная организация популя-ций, а соотношение внутри- и межпопуляционнойнаследственной изменчивости удерживалось на оп-тимальном уровне. Такой подход предполагает:1) сохранение генетического разнообразия еще уце-левших популяционных систем в процессе их про-мысла и искусственного воспроизводства (неисто-щительное природопользование); 2) восстановле-ние тех систем, чья структура уже нарушена; 3)создание новых систем популяций в тех регионах,где существуют необходимые естественноистори-ческие и экономические условия. Для сохранения ге-нетического разнообразия сельскохозяйственныхпород животных и сортов растений также следуетопираться на популяционно-генетические принци-пы. Реализация всех этих подходов будет способст-вовать не экстенсивному росту и сопряженному сним разрушению биосферных генофондов, а устой-чивому существованию системы “Человек — Био-сфера” в неограниченно долгом ряду поколений.

Такой вывод был сделан четверть века тому на-зад [10], но остался почти невостребованным.Позднее эта линия на оптимизацию взаимоотно-шений между человеком и природой неоднократ-но отстаивалась мною при различных обстоятель-ствах. Но, кажется, лишь совсем недавно, на изве-стной конференции ООН в Рио-де-Жанейро(1992), аналогичный подход возобладал, вопло-тившись в “Конвенции о биологическом разнооб-разии” и в призыве к разработке стратегии “устой-чивого развития”. Ее более ранний терминологи-ческий эквивалент – “модель социально-экологи-ческого оптимума” [7]. Может быть, именно сей-час впервые открывается возможность в полноймере осознать значение генетики популяций длясохранения биологического разнообразия и управ-ления им в процессе рационального хозяйственно-

го использования. Естественным образом соответ-ствующий раздел популяционной генетики транс-формируется в природоохранную генетику [26].


1. World Conservation Strategy. Living ResourceConservation for Sustainable Development. Gland:International Union for Conservation of Nature andNatural Resources. 1980.

2. Biodiversity. Ed. E.O. Wilson. Washington, D.C.:National Academy Press, 1988.

3. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика, т. 3.М.: Мир, 1988.

4. Майр Э. Популяции, виды и эволюция. М.: Мир,1974.

5. Ford E. Polymorphism and taxonomy. The new sys-tematics. Oxford: Clarendon Press, 1940. P. 493−513.

6. Cavalli-Sforza L.L., Bodmer W.F. The genetics ofhuman populations. San Francisco: Freeman, 1971.

7. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популя-циях. 2-е изд., перераб. М.: Наука, 1989.

8. Корочкин Л.И. Серов О.Л., Пудовкин А.И. и др. Ге-нетика изоферментов. М.: Наука, 1977.

9. Ли Ч. Введение в популяционную генетику М.:Мир, 1978.

10. Алтухов Ю.П., Рычков Ю.Г. Журн. общ. биологии,1970, т. 31, с. 507.

11. Калабушкин Б.А. Журн. общ. биологии, 1976, т. 37,с. 369.

12. Алтухов Ю.П., Калабушкин Б.А. ДАН СССР, 1974,215, с. 1447.

13. Рычков Ю.Г. Вопр. антропологии, 1973, т. 44, с. 3.14. Kimura M., Ohta T. Theoretical aspects of population

genetics. Princeton: Princeton University Press, 1971.15. Майр Э. Зоологический вид и эволюция. М.: Мир,

1968.16. Алтухов Ю.П., Бланк М.Л. ДАН СССР, 1991, 219,с. 1467.

17. Сулей М. Жизнеспособность популяций М.: Мир,1989.

18. Altukhov Yu.P., Salmenkova E.A. Aquaculture andFisheries Management, 1994, v. 25, p. 99.

19. Nei M. Molecular population genetics and evolution.Amsterdam: North-Holland Publishing Company,1975.

20. Алтухов Ю.П. Генетика, 1995, т. 31, с. 1333.21. Aлтухов Ю.П. Популяционная генетика рыб. М.:Пищ. пром-сть, 1974.

22. Крогиус Ф.В. Биология моря, 1979, т. 3, с. 24.23. Алтухов Ю.П. Генетика, 1994, т. 30, с. 5.24. Поморцев А.А., Калабушкин Б.А., Ладогина М.П.,Бланк М.Л. Генетика, 1994, т. 30, с. 806.

25. Моисеева И., Банникова Л., Алтухов Ю. Междуна-родный сельскохозяйственный журнал, 1993, 5–6,с. 66.

26. Conservation genetics. Eds. V.Loeschke, J.Tomiuk,S.K.Jain. Basel: Birkhauser Verlag, 1994.


Рис.12. Сорт подсолнечника “Енисей”.

Кто из нас не прикусывал язык? Прикусывал, ко-нечно, но, слава богу, редко. А вот почему — редко?Да потому, что движения языка и зубов, как правило,оказываются согласованными — в нормальном режи-ме они двигаются, в некотором смысле, в противофа-зе. Как и чем обеспечивается и контролируется такоесогласование? Почему молодой человек, научившийсятанцевать, автоматически, специально не заботясь обэтом, не наступает партнерше на ноги, да еще слышитмузыку, разговаривает с дамой и, возможно, смотритпо сторонам? Каким образом лошадь, которая несетсягалопом, успевает “сообразить”, какую из четырех ногвыбросить вперед, а на какую опереться?

Все эти близкие вопросы по своей сути связаны сритмическими движениями живых организмов. Ясно,что управление ритмической деятельностью (плава-нием, ходьбой, бегом и т.д.) осуществляется без уча-стия сознания. Занимаются этим так называемые ма-лые нервные системы — генераторы ритма. Такие ге-нераторы состоят всего лишь из пяти-шести или не-скольких десятков нервных клеток — нейронов, взаи-модействующих друг с другом через специальные ка-налы связи, или синапсы. Генераторы ритма — их ещечасто называют центральными генераторами (ЦГ) —вырабатывают ритмические воздействия, передающие-ся на мотонейроны. Вот они-то и управляют мышца-ми, которые реализуют движение с определеннымритмическим рисунком.

Устройство малых нервных систем — центральныхгенераторов – проще всего исследовать на беспозво-ночных, например моллюсках, ракообразных. Они ор-ганизованы не так сложно, как позвоночные, и экспери-ментировать с ними удобнее. Однако и для позвоноч-ных, скажем, для лягушки, в настоящее время выявле-ны основные механизмы управления ритмической дви-гательной активностью.

Рассмотрим, к примеру, морского моллюска(Clione), которого по иронии называют ангелом. Этотмаленький хищник, в отличие от рыб, плавает с по-мощью плавников-крылышек (см.рис. 1, а), а рыбыплывут за счет того, что “гонят волну” вдоль тела(рис.2). ЦГ ритмической активности, управляющиймышцами, которые приводят крылышки ангела в дей-ствие, к настоящему времени изучен очень подробногруппой московского нейрофизиолога Юрия Аршав-ского. Схема этого генератора показана на рис. 1, б.©

Рабинович М

.И.,

1995


Рассматривается ра-бота малых нервныхсистем (центральныхгенераторов ритма),управляющих ритми-ческим поведениемживотных. Обсужда-ются механизмы,обеспечивающие регу-лярность, надеж-ность и пластич-ность такого поведе-ния (плавание, бег,ходьба и прочее). С по-мощью методов нели-нейной динамики полу-чены новые данные оприроде регулярногокооперативного пове-дения нейронов.

In the presented paperthe small nerve systems(central generators ofrhythms) controllingrhythms of animalsbehavior are consi-dered. Mechanisms pro-viding regularity, relia-bility and plasticity ofthis behavior (swim-ming, running, walkingetc.) New data on thenature of the behavior ofthe regular cooperativeneurons, which individ-ual behavior is chaoticare given.

М.И.РАБИНОВИЧ

ÌÀËÛÅ ÍÅÐÂÍÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ:ÄÈÍÀÌÈÊÀ ÐÈÒÌÈ×ÅÑÊÎÃÎÏÎÂÅÄÅÍÈß ÆÈÂÎÒÍÛÕ

Нижегородский государственный университет

S U M M A R Y

4 5

Чуть огрубляя ситуацию, можно сказать, что этот гене-ратор состоит всего лишь из пяти нейронов (нейроноввообще-то больше, но некоторые их группы ведут себянастолько синхронно, что их можно рассматривать какодин нейрон). Нейроны a и b продуцируют ритм и воз-действуют на мотонейроны, которые, в свою очередь,управляют “сжимающими” и “разжимающими” мыш-цами, обеспечивающими движение крыла. Нейрон cработает в переключательном режиме и, если на негоне воздействует никакой ритм, он ничего не генериру-ет. Нейроны связаны друг с другом возбуждающими итормозящими связями.

Чтобы лучше понять работу ЦГ, представим себя наместе его проектировщика. Какое у нас техническое за-дание? Организовать противофазные движения “сжи-мающих” и “разжимающих” мышц, обеспечив такимобразом симметричные периодические взмахи “крыла”(весла) ангела вперед—назад. Сделать это можно по-разному. Первое, что приходит в голову, — связать им-пульсы, идущие к разным группам мышц, с одинаковы-ми независимыми генераторами (а нейроны ЦГ и естьгенераторы), запустив их в противофазе, как показанона рис. 1, в. Но даже непрофессионалу ясно, что это —неудачный проект. Неудачный, потому что ненадеж-ный. Во внешней среде, под действием разного родавозмущений, фазы генераторов очень легко сбиваютсяи ангел плыть (“летать под водой”) не сможет —крылья будут сумбурно колебаться, обрекая хищникана голодную смерть. Легко сообразить, что гораздо на-

дежнее сможет работать пара связанных нейронов-ге-нераторов, только связь их должна быть специальной —взаимно подавляющей (см.рис. 1, г). В такой конструк-ции, даже если ритм одного из генераторов собьется, тодругой его подправит. Когда амплитуда одного генера-тора велика, он подавляет другой (и наоборот), и такимобразом они колеблются в противофазе, что и нужно.Подобная система уже много надежнее. Можно и ещеувеличить надежность и подать на мотонейроны, уп-равляющие мышцами, перекрестные подавляющиевоздействия (рис.1, д). Это уже двойная страховка. Од-нако природа пошла еще дальше. В реальном ЦГ анге-ла помимо придуманных нами связей есть еще допол-нительная обратная связь через вспомогательный ней-рон c, работающий в переключательном режиме(см.рис. 1, б). Этот центральный генератор, как устано-вили Аршавский и сотрудники, не только гарантируетпротивофазность колебаний интересующих нас мото-нейронов, но, даже при изменении частоты одного иззадающих нейронов (a или b) и изменении внешних ус-ловий, гарантирует симметричную форму колебаний“вперед—назад”, важную для плавности движений.

Итак, ритмичность и надежность — основные требо-вания к работе центральных генераторов, управляющихдвижением живых организмов. Конечно, в предыдущемрассказе мы сильно упростили реальную картину. Вдействительности же ЦГ отнюдь не автономен и бес-контролен. Он тесно взаимодействует с высшими нерв-ными отделами и двигательной системой организма.

Рассмотрим, как плавает минога. Минога, кстати, —пример замечательный. Во-первых, о ее ЦГ очень мно-го известно (это работы С. Грилнера и сотрудников из

Рабинович М.И. Малые нервные системы: динамика ритмического поведения животных

Рис. 1. Ангел (Clione) и вариант схемы его центральногогенератора.

Рис. 2. Изгибное колебание тела рыбы, плывущей со скоростью v.

4 6

Королевского института в Стокгольме и других), ноглавное, исследование ЦГ миноги позволяет разо-браться в механизме управления плаванием многихпозвоночных — от маленькой кильки до акулы. Какпоказали детальные эксперименты специалистов погидродинамике и биомеханике, при движениибольшинства живых организмов, реализующих “из-гибный” механизм плавания (см.рис.2), независимо отразмера тела остается постоянной величина f•L/v=Sh,называемая числом Струхаля. (В.Струхаль — чеш-ский физик и гидродинамик начала ХХ столетия.)Здесь f — частота осцилляций хвоста, v — скоростьрыбы и L — размах осцилляций хвоста. Для наиболееэффективного плавания число Струхаля должно бытьпорядка 0,3 — именно это значение реализуется вприроде для любых рыб. Поскольку при постоянномSh скорость будет тем больше, чем больше L, энерге-тически выгодно реализовать режим плавания, прикотором L равна длине тела. Такое возможно, если из-гибные колебания имеют длину волны, равную длинетела. Именно так и плавает минога.

Здесь уместно сослаться на результаты очень де-тальных экспериментов, проведенных нейрофизиоло-гами в разных странах. Прежде всего, как показываютанатомические исследования, ЦГ миноги можно рас-сматривать как линейную цепочку нейронов. Принци-пиально то, что ее изолированный спинной мозг (со-держащий плавательный ЦГ) способен самопроиз-вольно продуцировать электрическую активность ввиде бегущей волны, длина которой равна длине телаи не зависит от частоты колебаний нейронов ЦГ. Этоозначает, что для понимания механизма, ответственно-го за выполнение универсального закона плавания рыб(того, что Sh = 0,3), можно не учитывать разного родаобратные связи и вполне достаточно рассмотреть авто-номный ЦГ в виде одномерной цепочки нейронов.

Как же должен быть устроен ЦГ плывущей миноги,чтобы вдоль ее тела пробегала лишь одна изгибнаяволна, не больше и не меньше? Легко догадаться, чтодля этого (т.е. для того, чтобы длина волны в точностиравнялась длине тела) необходимо, чтобы между ней-ронами-генераторами, передающими управляющиесигналы на мотонейроны, был вполне определенныйсдвиг фаз. Но ведь частота колебаний, определяющаяскорость плавания, меняется. Почему же тогда сохра-няется сдвиг фаз?

Предложены две модели, объясняющие этот фено-мен. По первой из них нейроны, образующие цепочкугенератора ритма, характеризуются различными часто-тами; в рамках другой модели собственные частотывсех нейронов одинаковые, но связи между ними —различные.

Остановимся на первой модели, которая кажетсяпроще и естественнее. Итак, пусть все нейроны имеютодинаковые частоты, а первый нейрон (или последний,если рыба плывет хвостом вперед) – более высокую.

Интуиция подсказывает, что фронт фазы будет распро-страняться вдоль цепочки от более быстрого осцилля-тора к более медленным. Расчеты показывают: да, вэтом случае интуиция нас не подвела и направлениеволны мы предсказали верно. Более сложно объяс-нить, каким образом при любой частоте (скорости пла-вания) длина волны остается постоянной. Здесь уженедостаточно интуиции — нужно рассмотреть количе-ственные значения коэффициентов связи и убедиться,что в достаточно широкой области параметров моделиболее короткие волны попросту не возбуждаются.

Сейчас мы подошли к самому сложному моменту.До сих пор неявно предполагалось, что задающие ней-роны – это идеальные генераторы, наподобие часов,т.е. генераторы, выдающие стабильные периодическиеколебания (импульсы, пульсации). Но это не так! Нарисунке 4 представлен типичный сигнал (мембранныйпотенциал), выдаваемый одиночным нейроном еще од-ного обитателя морей — омара. Обсуждаемые измере-ния сделаны в лаборатории американского нейрофизи-олога А.Силверстона из Калифорнийского университе-та Сан-Диего. Как видно, этот сигнал лишь с большойнатяжкой можно назвать периодическим. Сигнал —нерегулярный. Действительно, расстояния между ко-роткими импульсами, если присмотреться вниматель-нее, составляют случайную последовательность цифр.Так что же: вместо того, чтобы генерировать четкийритм, нейрон генерирует случайный сигнал? Если этотак, то тогда каким же образом ЦГ, состоящий из не-скольких нейронов, выдает периодическую последова-тельность? Или другой вариант: какой из множестварегулярных ритмов, которые содержатся в случайныхпульсациях, реализуется? На эти и близкие вопросымы сейчас и попытаемся получить ответ.

Прежде всего разберемся, в каком смысле поведе-ние нейрона случайно. Для этого воспользуемся до-статочно простыми геометрическими образами, ко-торые изображают различные виды движений в про-странстве состояний системы. Системой могут быть:интересующий нас нейрон, упоминавшиеся часыили — совсем уж знакомый и наглядный пример —качели.

Состояние любой системы характеризуется значе-ниями переменных в данный момент времени. Длячасов в качестве переменных можно выбрать угол от-клонения маятника и положение анкера, для качелей –угол отклонения качелей, их скорость и расстояние отдоски до центра масс качающегося на них человека.А вот какими переменными описывать поведениенейрона?

Давайте вспомним. Нейрон – это сложная био-логическая система, которая, в зависимости от значе-ний внешних и внутренних параметров, демонстриру-ет разнообразные виды электрической активности и,кроме того, выделяет специальные химические веще-ства — нейромедиаторы и сама откликается на их воз-


4 7

действие. В общем случае состояние нейрона характе-ризуется значениями довольно большого числа пере-менных. (Об устройстве нейронов известно и написа-но очень много. Из доступной литературы можно по-рекомендовать книгу С.Куффлер, Дж.Николс “От ней-рона к мозгу”. М., 1979, пер.с англ.) Это — мембран-ный потенциал V, различные мембранные токи (кали-евый, натриевый, ток кальция и др.), концентрациинейромедиаторов и т.д. Однако в огромном числе важ-ных для анализа нейробиологических проблем вполневозможно ограничиться лишь тремя переменными, ко-торые меняются во времени: мембранным потенциа-лом V(t) и двумя видами тока — быстрым Iб(t) и мед-ленным Iм(t), которые влияют на изменение V(t). Ос-тальные переменные можно считать либо параметра-ми (они меняются очень медленно по сравнению с ин-тересующими нас процессами), либо несамостоятель-ными, т.е. переменными, которые выражаются черезвыбранные нами переменные с помощью алгебраиче-ских функций. В выбранных переменных нейрон мож-но рассматривать как электрическую цепь, для кото-рой справедливы классические уравнения Кирхгофа.Конечно, это – модель, но хорошая модель. С ее по-мощью можно строить теорию, которая вполне удов-летворяет известному положению Эйнштейна: “Тео-рия должна быть проста настолько, насколько это воз-можно, но не проще”.

После того, как переменные выбраны, мы уже мо-жем вернуться к нашей основной задаче – геометриче-скому анализу поведения системы в пространстве со-стояний. Начнем с регулярных движений.

Итак, пусть шумы и разного рода флуктуации от-сутствуют или пренебрежимо малы. Конечно, мызнаем, что на колеблющийся маятник часов действу-ют случайные силы, вызванные столкновением с мо-лекулами воздуха, однако если нас интересуют устой-чивые колебания с периодом 1 сек, то эти малые воз-мущения можно не принимать во внимание, а влия-ние воздуха (или вязкой жидкости) учитывать лишькак дополнительное трение. В старинных часах ихронометрах потери энергии на трение компенсиру-ются подталкиванием маятника (один или несколькораз за период). Источником энергии здесь служитопускающаяся гиря. Если бы таких подталкиваний небыло, колебания маятника просто бы затухли. Такимзатухающим колебаниям на плоскости “координата —скорость” маятника (напомним, что эта плоскость на-зывается пространством состояний или фазовым про-странством) отвечает фазовая траектория в видескручивающейся спирали. Если подождать достаточ-но долго, то колебания затухнут — маятник остано-вится. Этому предельному состоянию на фазовойплоскости “координата—скорость” отвечает устой-чивое положение равновесия. Такая равновесная точ-ка привлекает (или притягивает) к себе все близлежа-щие траектории. Эта точка — аттрактор. (Данное сло-

во, кстати, имеет тот же корень, что и “аттракцион”,то есть привлекание, приманивание.)

Теперь другой случай. Если подталкивания есть, токолебания затухать уже не будут. Если их амплитудабыла маленькой, то от периода к периоду она будетувеличиваться, пока энергия, вносимая в систему приподталкивании, не станет равной энергии потерь. Приэтом установятся строго периодические движения ма-ятника (часов), которым на плоскости отвечает устой-чивая замкнутая траектория или предельный цикл(см.рис.3). Заметим, что, если амплитуда колебанийбольшая, то энергия потерь превышает энергию, вно-симую при подталкиваниях, и колебания затухают:траектория стремится к предельному циклу снаружи.Предельный цикл — это тоже аттрактор, но уже не та-кой тривиальный, как состояние равновесия.

Теперь рассмотрим модель нейрона (или другогогенератора), когда переменных, характеризующих со-стояние, не две, а три. Тогда движение системы изо-бражают траектории, располагающиеся уже не наплоскости, а в трехмерном пространстве. Это оченьважное и принципиальное изменение. Кстати, у одно-го из древних племен вся арифметика базироваласьлишь на трех числах: один, два и много; как мы уви-дим, это очень экономичная и не столь уж плохаяарифметика. Действительно, если мы задали опреде-ленные начальные условия (т.е. значения переменныхв начальный момент времени), то движению нашейсистемы, которое описывается определенными прави-лами (уравнениями), отвечает лишь одна-единствен-ная траектория. Отсюда следует, что траектории в фа-зовом пространстве не могут пересекаться. Отсюдавытекает и очень простое поведение траекторий на


Рис.3. Простейший осциллятор и его фазовые портреты(стрелки на траекториях указывают направление, в кото-ром движется система с ростом времени).

4 8

плоскости. В пространстве же все не так — траекто-рии могут проходить одна под другой, наматыватьсядруг на друга и образовывать притягивающие множе-ства — аттракторы с очень сложной внутреннейструктурой. Если внутри такого притягивающего мно-жества нет устойчивых траекторий, то аттрактор на-зывают странным. Странный аттрактор — это гео-метричеcкий образ нерегулярного, непредсказуемогодвижения детерминированной системы, т.е. системы,живущей по определенным законам и не подвержен-ной действию случайных сил. Другими словами,странный аттрактор — это образ “случайного поведе-ния в неслучайной системе” (это выражение принад-лежит Я.Г.Синаю.) На рис.4, б представлены фазовыйпортрет странного аттрактора модели нейрона и соот-ветствующая ему нерегулярная зависимость мембран-ного потенциала от времени. Данная зависимостьудивительно похожа на колебания мембранного по-тенциала живого одиночного нейрона (см. рис. 4).Внешнее впечатление подтверждается и результатамидетальной математической обработки с использовани-ем нелинейной динамики. Эти методы позволяют,имея лишь осциллограмму, реконструировать стран-ный аттрактор живого нейрона. Такая реконструкциябыла выполнена нами совместно с математикамиР.Хуэртой и П.Роватом из упомянутого выше универ-ситета в США. Фазовый портрет этого реконструиро-ванного аттрактора показан на рис.4, г. Он действи-тельно очень похож на аттрактор модельного нейрона.

Теперь вернемся к вопросу о том, как в системе из хао-тических нейронов может возникнуть регулярное пове-дение. Здесь множество проблем. Возможно ли постро-ить периодически регулярно работающий генератор изнерегулярных хаотических элементов? Эта проблема,между прочим, перекликается с известной проблемой,решением которой занимался фон Нейман: создание на-дежной системы из ненадежных элементов. Сколько, какминимум, нейронов нужно для организации регулярно-го режима? Как можно менять режим работы централь-ного генератора? Масса подобных вопросов.

Ясно, что генератор ритма живого организма дол-жен быть достаточно пластичен. Так в природе и есть.Минога, например, не только может плыть быстрееили медленнее, но и умеет плавать хвостом вперед.Лошадь может идти шагом, нестись галопом, двигать-ся рысью и т.д. Следовательно, генератор ритма дол-жен уметь переключаться с одного режима работы надругой. Сейчас известно, что значительную роль в та-ком переключении играют специальные химическиевещества — нейромодуляторы. Они влияют на биохи-мические процессы в нервных клетках и синапсах иизменяют электрофизиологические свойства нужныхнейронов. Нейромодуляторы могут выделяться сами-ми нейронами, причем различные нейромодуляторыоказывают различное действие.

Предположим, что нейромодулятор меняет лишь

величину синаптической связи. К чему это приведет?Тут нам вновь поможет модель. Рассмотрим два мо-дельных нейрона, которые в автономном режиме ведутсебя, как на рис. 4, б и 4, в. Теперь попытаемся соста-вить из них минимальную нервную систему, организо-вав взаимную ингибиторную (подавляющую) связьмежду нейронами. Как недавно показано в нашей со-вместной работе с профессором Калифорнийскогоуниверситета, известным физиком Г.Абарбанелем исоавторами, характер выходного сигнала такого гене-ратора ритма качественно меняется даже при сравни-тельно небольшом изменении величины связи.

Из результатов этой работы следует, что синаптиче-ская связь всего лишь двух нейронов уже может при-вести к регуляризации исходно хаотического поведе-ния и генерации строго периодического ритма. Харак-тер таких периодических пульсаций для различной ве-личины связи оказывается различным, что и иллюст-рирует рис. 5.

Таким образом, минимальные нервные системы, со-стоящие всего лишь из двух синаптически связанныхнейронов, уже могут, в принципе, продуцировать разно-образные ритмы. Достигается это благодаря изменениюуправляющего параметра, например величины синап-тической связи. Реальные ЦГ содержат, конечно, гораз-


Рис.4. Динамика живого и модельного нейронов с хаотиче-ским поведением (пояснения в тексте).

4 9

до больше нейронов, и в таких малых (но не минималь-ных) нервных сетях проблема пластичности может реа-лизоваться совершенно по-иному. В системе из сотни (идаже десятка) элементов для перехода с одного ритма надругой, возможно, и не требуется изменять параметрыЦГ — достаточно лишь получить внешний сигнал о не-обходимости смены режима работы. И осуществляетсяподобное благодаря такому явлению, как мультиста-бильность. Об этом стоит сказать чуть подробнее.

Вернемся к нашим маятникам. Пусть они соедине-ны пружинками в одномерную цепочку. Для такой це-почки (дискретного варианта струны) характерны не-сколько совершенно различных видов колебаний: со-седние маятники могут колебаться в фазе; в противофа-зе; в противофазе могут колебаться маятники через дваэлемента, через несколько элементов и т.д. Если теперьмаятники превратить в генераторы (добавив трение иподкачку энергии), то можно организовать связь такимобразом, чтобы эти различные виды колебаний не по-давляли друг друга, а сосуществовали, реализуясь приразличных начальных условиях. Это и есть мультиста-бильность. В пространстве состояний системы такомуфеномену отвечает сосуществование многих аттракто-ров — устойчивых предельных циклов. Каждый ат-трактор имеет свою область притяжения, т.е. набор на-чальных условий, из которых система однозначно вы-ходит именно на данный режим колебаний.

Теперь уже легко сообразить, что должен делатьсигнал, информирующий о необходимости переклю-

чения ЦГ с одного режима работы на другой: такойсигнал должен — хотя бы на очень краткое время —перебросить систему в область притяжения нужногоаттрактора. Вероятнее всего, в реальных ЦГ управле-ние и перестройка режимов работы —это комплекс-ный процесс, в котором задействованы все механизмы,о которых мы говорили выше.

Итак, ритмическими движениями живого существауправляют специальные нервные структуры — цент-ральные генераторы ритма. Хотя ЦГ может работать со-вершенно автономно, его ритм и фаза, конечно же, дол-жны быть скоординированы с состоянием двигательной(физической) системы. Это осуществляется с помощьюсенсорной обратной связи. Особенно принципиальна та-кая обратная связь на этапе обучения. Как происходитэто обучение? Что изменяется в центральном генераторев процессе обучения? Как ЦГ запоминает уроки и учит-ся на собственных ошибках? Ответы на эти вопросысейчас известны лишь в самом первом приближении,причем получены они в основном для беспозвоночных итой же миноги. У высших позвоночных все на много по-рядков сложнее. Дело в том, что позвоночные использу-ют одну и ту же нейромышечную “машину” для осуще-ствления совершенно различного поведения (например,язык у человека выполняет большое число разнообраз-ных функций). Каким образом центральная нервная си-стема организует такую многофункциональность? Тутмножество гипотез, но, подводя итог, можно сказать, чтовопросов гораздо больше, чем ответов. Динамическаятеория ритмического поведения живых организмов на-ходится еще только в начале своего пути, хотя уже име-ющиеся результаты выглядят весьма обнадеживающе.

БлагодарностиВ данной лекции использованы материалы работ,

выполненных совместно с Г.Абарбанелем, Ю.И.Ар-шавским, А.В.Гапоновым-Греховым, Робом Елсоном,Н.Рульковым, Питером Роватом, Аллом Сильверсто-ном и Рамоном Хуэртой. Всем им автор выражаетсвою искреннюю признательность.

ЛИТЕРАТУРАЭри Л.Голдбергер, Д.Р.Ригни, Б.Уэст. Хаос и фракталыв физиологии человека. “В мире науки”, 1990, 4,с.25-32.

А.В.Гапонов-Грехов, М.И.Рабинович. О хаосе и порядке,Межд. ежегодник “Наука и человечество”. М., 1991, с.216-230.

Д.Л.Элкон. Память и нейронные системы. “В мире нау-ки”. 1989, 9, стр.16-24.

А.Л.Бызов. Управляемые синапсы. “Природа”. 1994, 1,с.71-81.

И.М.Гельфанд, В.И.Гурфинкель, С.В.Фомин, М.Л.Цейт-лин (редакторы). Модели структурно-функциональ-ной организации некоторых биологических систем.М.: Наука, 1966.


Рис.5. Виды регулярных колебаний в минимальной нервнойсистеме.

В январе 1887 г. в Лейпциге вышел первый номержурнала Zeitschrift fur physikalische Chemie со статьейЯ.Вант-Гоффа об осмотической теории растворов иС.Аррениуса об электролитической теории диссоциа-ции. Первая из них заложила основы химической тер-модинамики и распространила термодинамические ме-тоды на решение задач химии; вторая внесла коренныеизменения в имевшиеся представления о свойствахрастворов электролитов и явлении электролиза. После-дующие работы Вант-Гоффа и Аррениуса стимулиро-вали интенсивное развитие химической кинетики. Таквозникла новая наука — физическая химия, вскореставшая основой теоретического аппарата химии.

Первый курс физической химии в современном по-нимании этого слова написан Нернстом и вышел в1893 году под названием “Теоретическая химия с точ-ки зрения закона Авогадро и химической термодина-мики”. Успехи в создании нового направления в хи-мии сразу были замечены и отмечены нобелевскимипремиями Вант-Гоффа (1901), Аррениуса (1903), Ос-вальда (1909) и Нернста (1920). В числе создателейхимической термодинамики нельзя не упомянуть иамериканского профессора математики Дж.В.Гиббса,опубликовавшего в 1878 г. монографию “О равнове-сии гетерогенных веществ”, в которой он детальноразработал метод химических потенциалов, ставшийв настоящее время общепринятым при изложении хи-мической термодинамики.

Однако химическая термодинамика и химическаякинетика — это только две из трех составных частейсовременного теоретического аппарата химии. Третьяпредставляет собой теорию строения вещества, кото-рая возникла позднее, уже в ХХ в. К моменту зарож-дения физической химии вопросы строения веществаеще решались методами классической механики, ко-торые не были в состоянии объяснить природу кова-лентной связи, и вообще оказались мало пригоднымидля описания свойств атомов и молекул. Это удалосьв квантовой механике, которая в двадцатые годы на-шего столетия начала свое триумфальное шествие вфизике и химии. На примере молекулы водорода ееметоды позволили объяснить способность атомов об-разовывать ковалентные связи. Достаточно точное ре-шение квантово-механических задач для сложных мо-лекул сначала казалось трудным, почти нереализуе-мым делом, однако развитие после второй мировойвойны численных методов расчета на ЭВМ позволило©

Полторак

О.М

., 19

95


О.М. ПОЛТОРАК

ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÛÅ ÒÅÎÐÈÈ ÕÈÌÈÈÈ ÈÇÓ×ÅÍÈÅ ÕÈÌÈÈ Â ØÊÎËÅ

Современная теорияхимии — это физиче-ская химия. Основнымнедостатком изложе-ния химии в началь-ных курсах являетсяпопытка сопостав-лять химическиесвойства веществатолько со строениеммолекул реагентов ирасположением ихэнергетических уров-ней. В статье сде-лана попытка исполь-зовать основные ре-зультаты химичес-кой термодинамики иввести в обиход поня-тие энтропии на на-чальных этапах изу-чения химии.

Theoretical chemistry isthe first name of physi-cal chemistry. Mainerror of chemical educa-tion in school is to con-nect the ability of reac-tants to chemicalchange only with itsstructural and energeticproperties, not takinginto account results ofchemical thermody-namics. In this articleattempt is made to intro-duce the conception ofentropy in schoolcourse of chemistry.


..

S U M M A R Y

5 1

так далеко продвинуть эти расчеты, как не могли себедаже представить теоретики — основоположникиквантовой механики. Сейчас квантово-химические рас-четы удается выполнять для весьма сложных систем, аих результаты использовать при обсуждении многихобщих вопросов химии.

Парадокс в данной области науки состоит в том, чтоименно сложность квантово-химических расчетов по-зволила, вообще их не излагая, широко использовать вхимии только конечные результаты — данные об уров-нях энергии молекул (кристаллов) и распределенииэлектронной плотности в пространстве. В этом смыс-ле внедрить в химию результат современных кванто-во-химических расчетов оказалось легче, чем исполь-зовать существенно более простые с математическойточки зрения методы химической термодинамики икинетики. Этому способствовало и то, что сведения остроении и свойствах молекул удается достаточно ес-тественно распределить в уже установившихся курсахэмпирической химии без их существенной переработ-ки. При этом учебники приобрели лишь внешне совре-менный вид, оставаясь по существу устаревшими. Раз-витие химии как эмпирической науки в середине прош-лого века привело к возникновению достаточно строй-ного ее здания, но это здание было спланировано ещедо возникновения физической химии и несло в себеотпечаток излишнего нагромождения деталей без уче-та многих взаимосвязей и общих закономерностей.

Внедрение методов химической термодинамики икинетики в изложение экспериментального материалатребует переосмысления курсов химии в целом и ихкардинальной переработки, что является достаточносложным делом. Эта работа давно начата, но не завер-шена даже для вузовских учебников неорганической иорганической химии и еще меньше учитывается вшкольных курсах. Между тем, современная теория хи-мии — это одновременное использование всех трехразделов физической химии, и здесь невозможнообойтись только небольшими дополнениями к устано-вившимся разделам химии, как это чаще всего делает-ся на практике.

Задача этой статьи — показать, что уже в школь-ном курсе можно гораздо шире использовать основ-ные идеи химической термодинамики и химическойкинетики. Для этого прежде всего необходимо осво-бодиться от иллюзии, будто вопросы о реакционнойспособности вещества можно разрешать, используятолько данные о строении и электронных свойствахмолекул. Это стоит подчеркнуть особо, так как оченьчасто протекание химической реакции в определен-ном направлении пробуют объяснять только на осно-ве данных о строении молекул реагентов и относи-тельном расположении их энергетических уровней.Эти сведения действительно важны и полезны, но са-ми по себе они еще ни о чем не говорят, посколькунаправление химического превращения вещества ча-

сто удается обращать в любую сторону за счет изме-нения внешних условий.

Например, уровни энергии атомов водорода всегдалежат на 103 ккал/моль выше уровня энергии молеку-лы H2. При низких температурах атомы водорода сое-диняются в стабильные молекулы, но уже при 4000 Кчисло продиссоциировавших молекул водорода оказы-вается больше, чем непродиссоциировавших. И делоздесь не только в том, что при 4000 К заметно повыша-ется кинетическая энергия движения атомов и моле-кул. Поступательная энергия движения частиц состав-ляет 3/2 RT на 1 моль, что при 4000 К равно примерно12 ккал/моль. Это во много раз меньше энергии диссо-циации. К этому вопросу, который легко решается ме-тодами химической термодинамики, мы вскоре вер-немся, а сейчас лишь подчеркнем, что структурно-энергетические данные о строении молекул оказыва-ются как минимум недостаточными для того, чтобыопределить хотя бы направление возможного химиче-ского изменения системы. Совместное использованиеданных квантовой механики и термодинамики сейчасосуществляют методами статистической термодина-мики, а при наличии сведений о теплотах реакций итеплоемкостях реагентов — методами классическойтермодинамики.

Поскольку получаемые таким образом решенияоказываются совершенно другими, чем при использо-вании только структурных данных, знакомство с этимметодом становится неизбежным.

Учебники химии до сих пор несут на себе отпечатокклассического индуктивного изложения эксперимен-тального материала. Этот период завершился во вто-рой половине прошлого века с созданием периодиче-ского закона Д.И. Менделеева как основы изложениянеорганической химии и структурной теории органи-ческой химии на базе теории строения А.М.Бутлерова,тетраэдрической модели атома углерода и учения о го-мологии. Несмотря на все возрастающий поток сведе-ний о новых соединениях, здание классической химиихотя и расширилось, но по общей архитектуре малоизменилось до настоящего времени. Развитие физиче-ской теории атома позволило придать периодическомузакону дополнительное содержание, а методы кванто-вой химии заполнили те пробелы, которые оставалисьв классической теории органических соединений. Этопозволило сохранить в химии архаическое стремлениеобъяснять химические свойства вещества строениемего частиц. Уже в этом веке написана и получила при-знание не одна монография на тему “строение — хи-мические свойства”, хотя с момента появления физи-ческой химии как науки стала ясной неоднозначностьтакого сопоставления.

Химическая термодинамика изучает зависимостьхимических свойств вещества не только от их приро-ды, но и от внешних условий — от давления и темпе-ратуры. Таким образом, в действительности речь дол-

Полторак О.М. Современные теории химии и изучение химии в школе

5 2

жна идти о триаде: строение молекул — условия про-ведения процесса — реакционная способность. Благо-даря этому связь реакционной способности со строе-нием молекул теряет свою однозначность, а обсужде-ние химических свойств вещества изменяется карди-нальным образом: в зависимости от условий проведе-ния эксперимента изучаемая реакция может протекатьразлично. Поиски однозначной связи между строени-ем молекул и химическими свойствами вещества зара-нее обречены на неуспех. Если при описании химиче-ских свойств веществ говорить о некоторых “типиче-ских” значениях температур и давлений, то следуетиметь в виду, что в разных разделах химии они различ-ны и непрерывно изменяются.

В настоящее время интерес к химическим пре-вращениям веществ при заданных эксперименталь-ных условиях необычайно расширился. В повсед-невный обиход вошли понятия “гелиевых” темпера-тур в несколько К, температуры жидкого азота илитемпературы различной плазмы — от тысяч граду-сов в электрических разрядах до миллионов граду-сов в высокотемпературной плазме. Эксперимен-тально сравнительно легко достижимы давления от10-10 мм рт. ст. (это остаточный вакуум многих элек-тровакуумных приборов) до сотен тысяч атмо-сфер — при получении искусственных алмазов изграфита. И даже в условиях “кухонного” экспери-мента, когда температура варьирует от −20 °С до+800 °С, а давление мало отличается от атмосферно-го, химические свойства одних и тех же веществ мо-гут изменяться самым решительным образом — приизменении параметров в этих пределах направлениепротекания реакций может изменяться на противо-положное.

Из школьного курса химии хорошо известно, что натаких металлических катализаторах, как Ni или Pt,бензол можно прогидрировать до циклогексана:

Если при этом добавить, что молекулярные уров-ни молекул бензола и водорода расположены выше,чем у циклогексана, то есть реакция (1) идет с выиг-рышем энергии, может создаться впечатление, будтопроцесс всегда пойдет так, как это выражается урав-нением (1). В действительности дело обстоит иначе.Очень важные для практики процессы риформингауглеводородов основаны на проведении обратной ре-акции — дегидрировании циклопарафинов С6 доароматических соединений. В промышленности та-ким образом получают сотни миллионов тонн высо-кокачественных бензинов и ароматических соедине-ний для химических синтезов. Одновременно этотпроцесс служит источником водорода для различныхсинтезов. При этом никакого противоречия с напи-

санным уравнением (1) здесь нет. Константа равно-весия, вычисленная методами химической термоди-намики, является мерой протекания реакции слеванаправо. Чем она больше, тем полнее выход продук-тов реакции, и наоборот. Так вот, для реакции (1) при25 °C К298= 1024, и процесс гидрирования в этих ус-ловиях необратим. Однако уже при 400 °C К673 == 2,5·10-3, и реакция практически нацело должна пой-ти в обратном направлении. Последнее и использует-ся в процессе риформинга. В данном случае сущест-венно, что при сравнительно небольшом изменениитемпературы в “потребительском” интервале 25 °C—400°С константа равновесия изменяется в 1027 раз.Что же тогда сказать о процессах гидрирования? От-вет ясен: как и при изложении остальных вопросовхимии, здесь необходимо не только обращать внима-ние на условия проведения реакции, но и указыватьна возможность появления альтернативных путей из-менения реагентов при изменении внешних условий.(Протекание реакций крекинга, диспропорциониро-вания и т.п.) Стоит также подчеркнуть, что зависи-мость направления протекания реакции от внешнихусловий — температуры и давления — это не ма-ленькая поправка к тенденции, задаваемой природойреагентов, а такой же важный фактор при оценке на-правления и глубины возможных химических изме-нений реагентов.

В связи со сказанным возникает еще один вопрос,очень важный для изучения химии в школе. Химиче-ские знания в школе обычно определяют способно-стью ученика записать определенные уравнения ма-териального баланса или уравнения химических ре-акций. Хотя запись подобных уравнений — бесспор-ное достижение химии XVIII и начала XIX века, внаше время этого принципиально недостаточно приизучении химии. Уравнения химических реакцийконцентрируют внимание только на природе реаген-тов — исходных веществ и продуктов реакции. Вы-ше показано, к каким недоразумениям это можетпривести, если не учитывать условий протекания ре-акции. Кроме того, здесь появляется еще один ас-пект, требующий самого внимательного к себе отно-шения: ни одна из химических реакций, изучаемых вшколе, не протекает так, как это записано в уравне-нии материального баланса. Например, простейшаяхимическая реакция — образование молекулы водо-рода из атомов в действительности происходит толь-ко в присутствии третьего тела, необходимого дляотвода избытка энергии

Н + Н + М → H2 + М.Здесь М – произвольная частица. Однако присутст-вие М обязательно, поскольку без нее образовавшая-ся молекула водорода с периодом в одно колебаниераспадется на составляющие ее атомы. Обычно хи-мические реакции многостадийны и практически длялюбой из них в системе протекает множество элемен-


C6H6 + 3H2 C6H12 . (1)Ni, Pt

5 3

тарных процессов. Понятие об элементарных реакци-ях было введено в химическую кинетику Вант-Гоф-фом еще в прошлом веке, однако расшифровка меха-низмов большинства реакций представляет собой ос-новное достижение химии второй половины ХХ века.Оно достигнуто методами химической кинетики, по-скольку скорости химических реакций зависят от ихмеханизмов.

Уравнение материального баланса суммирует ре-зультаты всех элементарных реакций, протекающих всистеме, и мало что говорит о реальных путях превра-щения исходных реагентов в продукты реакции. Еслибы образование воды при окислении водорода проте-кало по механизму

2H2 + О2 = 2H2О, (2)не существовало бы гремучей смеси (2H2+О2), а про-цесс образования воды удалось заметить только притемпературах выше 1000 °C. Водород оказался бытрудно сгораемым веществом! Расшифровка меха-низма окисления водорода стала возможной послесоздания Н.Н.Семеновым теории разветвленныхцепных реакций и была оценена нобелевской пре-мией Семенова и Гиншельвуда в 50-е годы. В насто-ящее время полное описание процессов, протекаю-щих в кислородо-водородной смеси, связано с рас-смотрением более двадцати элементарных реакций,однако сам факт появления пределов воспламененияу гремучей смеси можно понять из анализа несколь-ких “базовых” реакций цепного механизма окисле-ния водорода.

Напомним, что пределами воспламенения газофаз-ных реакций называют взаимные переходы медленнотекущих реакций к взрывным и обратно при сравни-тельно небольшом изменении давления реагентовпри постоянной температуре. При окислении и горе-нии водорода наблюдают три предела воспламене-ния. На первом (нижнем) пределе при давлениях по-рядка 10 мм рт. ст. и температуре выше 450 °C поло-жение предела зависит от диаметра сосуда и состоя-ния его поверхности. При увеличении давленияочень медленная реакция резко переходит во взрыв-ную. На втором пределе картина оказывается обрат-ной. При увеличении давления взрывное окислениепрекращается. При этом положение второго пределамало чувствительно к свойствам реактора. И, нако-нец, при дальнейшем увеличении давления достига-ется третий предел, когда окисление водорода вновьпротекает в режиме взрыва.

Для теории разветвленных цепей особенно важнымоказалось объяснение свойств системы на втором пре-деле воспламенения. Минимальная совокупность эле-ментарных стадий, объясняющая поведение двух пре-делов воспламенения при окислении водорода, выгля-дит так:

H2 + О2 → 2ОН• — зарождение цепи

H2 + О2→НО•

2 + Н• — зарождение цепи1. ОН• + H2→H2О + Н•— продолжение цепи2. Н• + О2→ОН• + О• — разветвление цепи3. О• + H2→OH• + Н• — разветвление цепи

стенка4. Н• → 1/2 H2 — гибель цепи

на стенке сосуда5. Н• + О2 + М →НО•

2 + М — образование “малоактивного” радикала в объеме

При этом интересно, что роль реального окислите-ля водорода в системе играет свободный гидроксилОН•, а молекулярный кислород в этой системе оказал-ся мало активным окислителем, способным взаимо-действовать с атомами, но не с молекулами водорода.Перед взрывом в системе накапливаются огромные(сверхравновесные) количества атомов водорода.Очень интересно, что появление двух пределов вос-пламенения у гремучей смеси удалось объяснить толь-ко при учете образования в объеме ранее неизвестногосоединения водорода с кислородом — радикала НО•

2.Его свойства определяют положение второго предела.Впоследствии этот радикал удалось обнаружить масс-спектрометрически, а при температуре жидкого азотаизолировать его димер — H2O4.

Большое значение в химии получила не только рас-шифровка механизма окисления водорода, но и уста-новление того факта, что все реакции окисления моле-кулярным кислородом представляют собой либо цеп-ные, либо каталитические реакции. Это с полной опре-деленностью позволяет утверждать, что рассматривае-мые процессы протекают по другим механизмам, чемэто записано в уравнениях материального баланса. Ска-занное относится и к подавляющему большинству дру-гих химических реакций. Поэтому даже на начальномэтапе изучения химии невозможно ограничиться рас-смотрением только уравнений материального баланса.

Перейдем теперь к вопросу, поставленному в нача-ле этой статьи. Речь пойдет об оценке химической ре-акционной способности веществ методами химиче-ской термодинамики. При этом следует сразу сказать,что использование методов термодинамики на началь-ном этапе оказывается более трудным, чем ознакомле-ние с результатами теории строения молекул. Дело втом, что понятие об уровнях энергии, распределенииэлектронной плотности и координатах ядер молекулшироко используется в разных разделах естествозна-ния и воспринимается легче, чем понятие энтропии,без которого невозможно понять, почему при 4000 Ксредней кинетической энергии частиц в 12 ккал/мольоказывается достаточно, чтобы наблюдать в системедиссоциацию молекул с энергией связи 103 ккал/моль.При более низких давлениях водород диссоциируетпри более низких температурах, хотя энергия диссоциа-ции молекулы водорода не зависит от давления.


5 4 Соросовский Образовательный Журнал, 1, 1995

Согласно уравнению Больцмана энтропия системыS при общей энергии U и объеме V равна

S = k lnΩU,V , (3)где ΩU,V — число состояний (уровней энергии), до-ступных для частиц, составляющих систему в данномсостоянии. Нужно подчеркнуть, что это число неизме-римо меньше, чем общее число уровней энергии час-тиц, определяемое методами квантовой механики изсоответствующих уравнений Шредингера для всех ча-стиц системы. Дело в том, что при заданной общейэнергии U высшие уровни энергии для всех частиц немогут заполняться одновременно, поскольку для этогоне хватит общей энергии системы. Величина U растетс температурой. Поэтому ΩU,V — возрастающая функ-ция температуры и объема и определяется только чис-лом уровней энергии, доступных для системы приданных условиях. Например, если в системе имеется Nодинаковых частиц, обладающих в целом энергией U,распределяемой в виде М одинаковых квантов (напри-мер, колебательной энергии), то

Ω = (N + M – 1)!/N!(M – 1)!(Эту формулу легко получить методами комбинатори-ки — она использована при построении статистикиБозе — Эйнштейна.) В данном случае возрастаниетемпературы приводит к увеличению запаса энергииза счет увеличения числа квантов М, распределяемыхмежду N частицами системы, и тем самым к увеличе-нию энтропии системы.

Из общих физических соображений ясно, что веро-ятность wi заполнения избранного уровня энергии εiданной частицей тем меньше, чем выше расположенэтот уровень. В классической статистике показано, чтоwi уменьшается как

e–εi/kT. Однако, если уровень εi повторяется gi раз, то во

столько же раз возрастает и вероятность wi заполненияданного уровня. Поэтому

wi~ gi e–εi/kT. (4)Величину gi называют статистическим весом i-того

состояния. Для макроскопических (больших) систем,содержащих множество частиц, величина Ω являетсяаналогом gi. Однако здесь появляется одна существен-ная особенность макроскопических систем. Для ниххарактерно необычайно быстрое возрастание ΩU,V сростом общего запаса энергии, когда Ω достигает ве-личин порядка 10N. Это делает вероятным заполнениевесьма высоких уровней энергии системы и поясняет,почему при достаточно высокой энергии конечного со-стояния системы становится возможным преодолениедостаточно высоких энергетических барьеров. Отсюдатакже становится понятным, что не только расположе-ние уровней энергии (теплоты реакций), но и измене-

ние числа состояний с данной энергией (изменение эн-тропии) влияет на вероятность перехода вещества изодного состояния в другое. Этот физический смысл иимеет термодинамическая формулировка условий хи-мического равновесия, хотя в классической термоди-намике энтропия была введена совсем по-другому — спомощью второго закона термодинамики без ссылокна свойства молекул, которые в то время оставалисьсовершенно неизвестными. Первоначально были запи-саны другие уравнения, которые позволяли с точно-стью до неопределенной постоянной вычислить энт-ропию из опытных данных путем измерения их тепло-емкостей при разных температурах. И только в стати-стической физике было получено уравнение (3), рас-крывшее ее физический смысл.

Согласно (3) энтропия определяется числом различ-ных состояний системы при данной энергии. Величи-на gi относится к i-тому энергетическому уровню от-дельной молекулы, а Ωi — к системе в целом. Хотяформальное определение величин gi и Ωi звучит оди-наково, обычно говорят, что энтропия системы —свойство совокупности молекул, но не отдельной час-тицы. Дело в том, что совокупность частиц обладаетогромным числом состояний, реально несоизмеримымс числом состояний данного энергетического уровня.Это связано с тем, что каждое состояние частицы мо-жет комбинироваться с любым другим состоянием ос-тальных частиц, что ведет к чрезвычайному росту Ω.Например, если в идеальной кристаллической решет-ке, построенной из N частиц, каждая из них на низшемуровне энергии может находиться только в двух состо-яниях g0 = 2, но Ω0 = 2N за счет комбинаций всех воз-можных состояний отдельных частиц. Каждой энтро-пийной единице — 1 кал/моль⋅град — соответствуетпримерно lg Ω = 1023 состояний (точнее 10N/4,6). Приэтом мольная энтропия вещества при обычных усло-виях — десятки энтропийных единиц. Величины giобычно не превышают нескольких единиц, и толькодля вращательного движения могут доходить до вели-чины порядка ста. Кроме того, когда определяется со-стояние отдельной частицы, оно является вполне опре-деленным (то есть является единственным), чему и со-ответствует нулевая энтропия.

Особенно большая энтропия связана с поступатель-ным движением частиц, приводящим к перераспреде-лению положений молекул в пространстве и разнооб-разию скоростей их движения. Множество конфигура-ций — это характеристика системы в целом, а не от-дельной молекулы или атома, из которого построеновещество. Атомы и молекулы — это кирпичики, из ко-торого построено здание вещества. Однако архитекту-ра здания не просматривается на уровне отдельного

5 5

кирпичика. Энтропия системы — это прежде всего ееконфигурационная энтропия, которая определяетсячислом различных расположений частиц в простран-стве при заданных внешних условиях. Поэтому и гово-рят, что энтропия относится к веществу в целом и яв-ляется его макроскопическим свойством.

Основным успехом химической термодинамикиоказалась возможность точно определить положениеравновесия и направление протекания реакции с по-мощью величины

F ≡ U – TS, (5)где U — внутренняя энергия системы, а S — энтропиясистемы*.

Величину F первоначально называли свободнойэнергией, но ЮПАК (международная организация,взявшая на себя труд стандартизации всех систем еди-ниц, обозначений и названий физических величин) длянее теперь рекомендует название “энергии Гельмголь-ца”. Разные знаки при U и S отражают тот факт, что вуравнении (4) вероятность заполнения данного состо-яния wi увеличивается с ростом gi (при этом увеличи-вается энтропия системы в целом) и уменьшается приувеличении энергии εi. Для заданной температуры иобъема условие химического равновесия имеет оченьпростой вид

∆F = 0или (6)

∆U = T∆S. Здесь ∆U = Qv — это теплота реакции при постоянномобъеме, а ∆S — это изменение энтропии при реакции.Уравнение (6) означает, что если при переходе в новое со-стояние возрастает число допустимых состояний, т. е.∆S > 0, то это позволяет преодолеть энергетические труд-ности химического превращения и осуществить реакцию.Термодинамическое условие самопроизвольного проте-кания реакции имеет вид ∆F < 0 или T∆S > ∆U. Для эндо-термической реакции ∆U > 0 означает, что уровень сред-ней энергии продуктов реакции лежит выше, чем исход-ных веществ. Однако процесс может протекать самопро-извольно, если T∆S > ∆U. Таким образом выход эндотер-мического процесса возрастает с температурой не столь-ко благодаря увеличению запаса энергии в исходных реа-гентах, сколько в связи с увеличением числа доступныхсостояний в продуктах реакции. Этим и объясняются рас-смотренные выше особенности диссоциации водорода.Эндотермические реакции — это, например, реакции,сопровождающиеся разрывом химических связей,

процессы испарения твердых тел и жидкостей и т.п.Для них наблюдается увеличение энтропии за счетувеличения числа частиц, свободно движущихся впространстве. Для газа энтропия, обусловленная сво-бодным движением одной частицы с массой m притемпературе Т в объеме V, равна

Ω(1) = (2πmkT/h2)3/2V,где h — постоянная Планка. Для N атомов в объеме Vи при температуре Т

S = klnΩ(N) = kln(2πmkT/h2)3N/2VN(1/N!), (7)где k — постоянная Больцмана. Деление Ω1

N на N!обусловлено тем, что при обмене местами двух оди-наковых частиц не возникает нового состояния, а N! —это число перестановок одинаковых частиц. “По-ступательная” мольная энтропия S (для N = 6·1023)при атмосферном давлении и комнатных температу-рах измеряется десятками энтропийных единиц(кал/град⋅моль) .

При малых давлениях мольный объем V растет суменьшением давления (р) по уравнению состоянияидеальных газов

V = NkT/p,поэтому энтропия сильно увеличивается при умень-шении давления. Этим и объясняется, почему в рас-смотренном примере диссоциации водорода степеньдиссоциации H2 при данной температуре увеличивает-ся с уменьшением давления, хотя энергетика реакциине изменяется. Малолетучие вещества (то есть веще-ства, испаряющиеся с большой затратой энергии) пе-реходят в газовую фазу и при таком давлении пара, прикотором энергетические затраты на испарение компен-сированы выигрышем энтропии за счет увеличениячисла доступных состояний в газовой фазе.

Для процессов, протекающих при атмосферномдавлении (это давление принято за “стандартное”),для физических процессов испарения и реакций в га-зовой фазе

∆S ≅ 22∆n кал/град⋅моль,где ∆n — изменение общего числа молекул в газовойфазе при реакции. Для процессов испарения ∆n = 1,при конденсации ∆n = −1, а при образовании жидкойводы из H2 и O2 ∆n = −3. Для процессов испарения иконденсации написанное уравнение называют прави-лом Трутона. Н.И.Кобозевым оно было расширено ина химические процессы в газовой фазе. Правило Тру-тона — не строгий закон физики, а лишь часто наблю-даемая величина для веществ “средней” молекулярноймассы. Тем не менее, с его помощью легко оценитьэнергетический эквивалент “энтропийных” эффектов.

T∆S = 22T∆n кал/моль.При комнатной температуре (300 К) это дает вполне


*Использование более строгого условия равновесия при p = constи T = const с помощью энергии Гиббса G=U−TS+pv не изменяетсути дела, но сильно затрудняет изложение на начальном этапеизучения. Поэтому вопросы об энтальпии H ≡ U+pv и энергииГиббса вряд ли стоит упоминать в школьном курсе химии.

5 6

заметную величину 6600 кал, а для высоких темпера-тур исчисляется десятками тысяч калорий.

Приведенные оценки показывают, почему областьсуществования вещества в молекулярной форме (и вконденсированном состоянии) ограничена сравни-тельно небольшим температурным интервалом околозначений T и P, характерных для окружающей нас зем-ной коры. Область протекания большинства химиче-ских реакций ограничена интервалом 300—1000 К.При низких температурах резко уменьшаются скоро-сти реакций, а при высоких — практически не сущест-вует большинства известных нам химических соеди-нений. При этом распад веществ на более простые со-ставляющие в значительной степени вызван “энтро-пийными” эффектами и наблюдается при гораздо бо-лее низкой температуре, чем этого можно было ожи-дать только из энергетических оценок.

В солнечной короне (при температуре около 5500 К)не могут существовать никакие органические вещест-ва, практически нет воды, двуокиси углерода и т.п. —присутствуют только ионы, электроны, легкие атомы ирадикалы. Даже самая прочная двухатомная молеку-ла — N2 — диссоциирована на атомы. В дуге электри-ческого разряда при близком к атмосферному давле-нии и температуре 3500 К нет подавляющего боль-шинства сложных молекул, но уже стабильно сущест-вуют частично диссоциирующие молекулы N2. В этихусловиях наиболее стабильным соединением кислоро-да и водорода оказывается свободный гидроксил, а мо-лекулярная вода практически полностью диссоцииру-ет до гидроксила и молекулярного водорода. Впрочем,последний сам диссоциирован в значительной мере.Из молекулярного азота и кислорода легко образуетсяNO, но его выход по реакции

N2 + O2 = 2NOсравнительно невелик из-за того, что помимо образо-вания NO молекулярный кислород участвует в реак-ции диссоциации на атомы. Этот факт достаточно ин-тересен сам по себе. Константа образования NO в яв-ной форме, казалось бы, не зависит от процесса диссо-циации кислорода

K = (рNO)2/рN2. рO2

.Здесь р — парциальные давления реагентов. Однаковыход оксида азота мал потому, что за счет реакциидиссоциации кислорода

О2 = 2Оуменьшается рО2

, а чтобы сохранилось характерноедля каждой температуры значение константы равнове-сия К, во столько же раз уменьшается и величина(рNO)2. Это и сделало малоэффективным процесс свя-зывания азота путем его окисления по сравнению с егокаталитическим гидрированием по Габеру—Бошу. Та-

ким образом можно достаточно легко разобраться в ла-вине окружающих нас химических процессов. Однакодля этого необходимо учитывать изменения энергии иэнтропии реагентов, и почти никакие выводы нельзясделать, если ограничиться только энергетическимирасчетами.

Экзотермические реакции — это процессы, идущиес выигрышем энергии. При этом реагенты переходят сболее высокого на более низкий уровень энергии. Та-ких процессов много, и в прошлом веке до открытияроли энтропии даже был выдвинут принцип Бертло,согласно которому самопроизвольно могут протекатьтолько процессы, сопровождающиеся выигрышемэнергии. Возникает естественный вопрос: действи-тельно, почему при низких температурах не наблюда-ется лавина экзотермических реакций? Ведь, напри-мер, согласно термодинамическим данным в атмосфе-ре кислорода в неустойчивом состоянии находится всяокружающая нас органическая материя. С точки зре-ния возможностей протекания химических реакцийдля реакций сгорания вовсе не нужна высокая темпе-ратура. Константы равновесия процессов окисленияпри комнатной температуре столь велики, что вся ор-ганическая материя должна бы находиться в формепродуктов сгорания — СО2, H2О, N2 — как в атмосфе-ре Венеры. Однако этого мы не наблюдаем.

Вопрос о химической реакционной способности,определяемой как способности веществ вступать вразличные реакции, имеет два аспекта. Рассмотрен-ные выше примеры относились только к оценке поло-жений равновесия. Термодинамика формулирует не-обходимые условия протекания реакции — позволяетточно указать возможное направление процесса и со-став равновесной смеси, но ничего не говорит о ско-ростях химических реакций. Опыт показывает, чтоэто две разные задачи. В общем случае нет однознач-ной связи между скоростями реакций и соответству-ющими константами равновесия. Поэтому действи-тельно, если реакция термодинамически “запреще-на”, ее скорость равна нулю, и реализоваться можеттолько обратный процесс. Однако, если реакция тер-модинамически возможна, “разрешена”, скорость ееможет быть любой — от очень большой до очень ма-ленькой. С этим и связано распространенное в химииявление — каталитическое ускорение реакций веще-ствами, не входящими в стехиометрическое уравне-ние реакции, и поэтому, с точки зрения уравнений ма-териального баланса, как бы в них не участвующих.Кинетический аспект вопроса о реакционной способ-ности требует отдельного рассмотрения. Отметимлишь, что оба эти вопроса должны учитываться в со-временном начальном курсе химии.


ВВЕДЕНИЕ

Материалы, которые использовал человек в своейдеятельности, всегда играли важную, а часто и опре-деляющую роль в прогрессе цивилизации. Они дажедали названия целым этапам развития человечества:каменный век, бронзовый век, железный век... Конеч-но, сейчас круг материалов, созданных и используе-мых в быту и технике, особенно военной, чрезвычай-но широк. Однако с небольшой долей пристрастностисовременную эпоху можно назвать веком полимеров.

В этой лекции я остановлюсь лишь на одном типеполимерных материалов: полимерных композитахили армированных пластиках, которые состоят из вы-сокопрочных волокон различной природы (стеклян-ных, углеродных, полимерных и других) и полимер-ного связующего — матрицы, склеивающей волокна впрочнейший монолитный материал.

История возникновения искусственных композицио-нных материалов восходит к истокам цивилизации,когда человек начал сознательно конструировать но-вые материалы. Первые упоминания об армированныхстроительных материалах можно найти в Библии. ВЕгипте и Месопотамии строили речные суда из трост-ника, пропитанного битумом (прототип современныхстеклопластиковых лодок и тральщиков). Изготовле-ние мумий в Египте можно считать первым примеромиспользования метода ленточной намотки (мумии об-матывались лентой из ткани, пропитанной смолой).Все это происходило за тысячелетия до новой эры.

Конечно же, здесь следует упомянуть и о природ-ных композиционных материалах, таких, как дерево,кости и прочие.

Словом, история полимерных композитов чрезвы-чайно стара. Однако настоящий бум в современномматериаловедении возник в конце первой половиныХХ века, когда появились хорошие прочные и легкиестеклопластики и из них начали делать планеры, а за-тем и многое другое.

Современная авиация, ракетно-космическая техни-ка, судостроение, машиностроение немыслимы безполимерных композитов. Чем больше развиваютсяэти отрасли техники, тем больше в них используюткомпозиты, тем выше становится качество этих мате-риалов. Многие из них легче и прочнее лучших ме-©

Берлин

Ал.Ал

., 19

95


Ал.Ал.БЕРЛИН

ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÛÅ ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅÊÎÌÏÎÇÈÖÈÎÍÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ(ÏÊÌ)

В статье обсужденыпреимущества приме-нения полимерных ком-позиционных материа-лов (ПКМ) в различныхобластях техники. Рас-смотрены компонен-ты ПКМ и требованияк ним. Приведены свой-ства стеклянных, уг-леродных, борных и по-лимерных волокон.Проанализированы пре-имущества и недо-статки термореак-тивных и термопла-стичных полимерныхматриц и методы ихмодификации. Указаныперспективы развитияПКМ.

The article contains abrief historical introduc-tion to polymer compo-site materials (PCM) innatural and artificial con-ditions. Some advan-tages of PCM usage indifferent areas of industryare discussed. Compo-nents of PCM and theirrequirements are consid-ered. Properties of glass,carbon, boron and poly-meric fibers are shown.Advantages and deficien-cies of thermosetting andthermoplastic matricestreatment as well as somecoupling agents are bri-efly touched on. Pros-pects of PCM develop-ments are discussed.


S U M M A R Y


таллических (алюминиевых и титановых) сплавов, иих применение позволяет снизить вес изделия (само-лета, ракеты, космического корабля) и, соответствен-но, сократить расход топлива. Таблица 1 иллюстриру-ет уменьшение финансовых затрат (в долларах) приснижении массы конструкции на 1 кг. В результатесейчас в скоростной авиации используют от 7 до 25%(по весу) полимерных композитов и снижают вес изде-лия таким образом от 5 до 30%. В качестве рекламыэтих материалов в США был изготовлен самолет “Во-яджер”, практически полностью изготовленный из ар-мированных пластиков (главным образом, углепласти-ка, материала на основе углеродных волокон). Этот са-молет облетел вокруг Земли без посадки.

Важно и то, что в отходы при изготовлении деталейиз полимерных композитов идет не более 10÷30% ма-териала, в то время как у аналогичных деталей из вы-сокопрочных сплавов алюминия и титана, применяе-мых в авиации, отходы могут в 4÷12 раз превышатьмассу изделия. Опыт применения полимерных компо-зитов показал, что максимального выигрыша от ихприменения можно добиться, лишь творчески подходяк проектированию самолета или другого изделия, учи-тывая особенности свойств армированных пластикови технологии их изготовления.

Простой пример. Металл — изотропный материал,свойства его одинаковы во всех направлениях, армиро-ванный пластик — анизотропный: например, проч-ность его вдоль волокон намного больше, чем поперек.Не для всякого изделия необходим изотропный матери-ал. Так, в простой цилиндрической трубе при внутрен-нем давлении напряжения вдоль и поперек трубы отли-чаются приблизительно в 2 раза. Поэтому выгоднее порадиусу разместить больше волокон (там больше на-пряжение), чем вдоль трубы. Такая конструкция назы-вается равнопрочной и позволяет экономить материал.

Кроме того, при изготовлении деталей из полимер-ных композитов требуются меньшие трудовые и энерге-тические затраты, уменьшается количество производст-венных циклов, можно вместо большого количества

мелких деталей и последующего их соединения болта-ми или сваркой сделать сразу одну большую. В таблице 2приведены средние удельные затраты энергии при изго-товлении материала и изделий из металлов и армиро-ванного пластика на основе углеродных волокон и эпок-сидной смолы как связующего (эпоксиуглепластик).

Компоненты армированного пластика — это во-локно и полимерная матрица. Основную механиче-скую нагрузку несут волокна и они, главным обра-зом, определяют прочность и жесткость (модуль уп-ругости) материала.

АРМИРУЮЩИЕ ВОЛОКНА

В первую очередь следует остановиться на стеклян-ных волокнах, наиболее распространенных и дешевыхиз армирующих волокон. Стеклянные волокна вытяги-вают из расплавленной, специально приготовленнойсмеси оксида кремния с оксидами различных метал-лов. Основные затраты при изготовлении стекловоло-кон — это затраты энергии на расплавление и гомоге-низацию смеси. Кстати говоря, от качества гомогениза-ции в значительной степени зависит прочность волок-на. Поскольку стекло и большинство полимерных мат-риц — это немагнитные материалы и хорошие диэлек-трики, из стеклопластиков делают корпуса минныхтральщиков, радиопрозрачные элементы и прочее.

Стеклопластики — наиболее дешевые композицион-ные материалы, поэтому они широко используются встроительстве, быту, судостроении, в том числе подвод-ном, в наземном транспорте, в спортивном инвентаре...

Главный недостаток стеклянных волокон — сравни-тельно большая плотность и низкий модуль упругости.

Близкие по природе стеклянным базальтовые во-локна, сырьем для которых является очень дешевыйприродный минерал, имеют похожие, но, к сожале-нию, часто нестабильные свойства. В таблице 3 приве-дены составы и некоторые свойства стеклянных и ба-зальтовых волокон.

Следующий тип армирующих волокон — углерод-ные — был создан для преодоления таких недостатковстеклянных волокон, как низкий модуль упругости ибольшая плотность. В качестве сырья для полученияуглеродных волокон обычно используют полимерныеполиакрилонитрильные или вискозные волокна. Спе-

Таблица 1Экономия затрат (в долл.) при снижении массы конструкции на 1 кг.

Таблица 2Удельные затраты энергии на производство ВПКМ и из-делий из них (кВт час)Материал Расчет на 1 кг Расчет на 1 кг

материала изделияЭпоксиуглепластик 33,0 72,7 Сталь 35,2 220,4 Алюминий 48,5 392,4 Титан 189,5 1543,2

Космический аппарат Спейс Шаттл 10000÷15000 Спутник на синхронной орбите 10000 Спутник на околоземной орбите 1000 Сверхзвуковой пассажирский самолет 200÷500 Истребитель перехватчик 150÷200 Боинг-747 150÷200 Двигатели самолетов 100÷200 Пассажирские самолеты 100 Транспортные самолеты 50÷75

5 9Берлин Ал.Ал. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ)

циальная многостадийная термическая обработка по-лимерных волокон при высоких температурах (2000 °Си выше) приводит к карбонизации и графитизации во-локна, в результате чего конечное волокно состоиттолько из углерода и имеет различную структуру исвойства в зависимости от режима термообработки иструктуры исходного сырья.

Углеродные волокна непрерывно совершенствуются,повышается их прочность и жесткость, увеличиваетсяассортимент. Один из перспективных путей сниженияцены углеродных волокон — использование нефтяныхи других пеков (тяжелых полиароматических соедине-ний) в качестве исходного сырья. Кроме того, волокнаиз пеков обладают повышенным модулем упругости. Втаблице 4 приведены свойства некоторых промышлен-ных отечественных и выпускаемых японскими и амери-канскими фирмами марок углеродных волокон.

Углеродные волокна и композиты из них имеют глу-бокий черный цвет и хорошо проводят электричество,что определяет и ограничивает области их примене-ния. Углепластики широко применяются в авиации,ракетостроении, при изготовлении спортинвентаря(велосипедов, автомобилей, теннисных ракеток, удо-чек и тому подобного).

Кроме того, углеродные волокна и углепластикиимеют очень низкий, практически нулевой коэффици-

ент линейного расширения, что делает их незамени-мыми в некоторых специальных областях применения:например, в космических телескопах или других ана-логичных элементах космической техники.

На основе углеродных волокон делают и самый теп-лостойкий композиционный материал — углеуглепла-стик, в котором матрицей, склеивающей углеродныеволокна, служит также практически чистый углерод.Существует два способа получения такого материала.Углеродные волокна пропитывают специальным, на-пример, фенолформальдегидным связующим, кото-рое отверждают, а затем карбонизуют при высокойтемпературе (до 2000 °С и выше). Так как при этомматериал становится пористым, его еще раз пропиты-

Таблица 3Состав и свойства стеклянных и базальтовых волокон

Тип и назначение волокна E S YM-31A

Состав, % Общего Высоко- Высоко- Базаль-назначения прочное модульное товое

SiO2 54,0 65,0 53,7 50 Al2O3 14,0 25,0 — 15 Fe2O3 0,2 — 0,5 2 CaO 17,5 — 12,9 9 MgO 4,5 10,0 9,0 5 B2O3 8,0 — — —K2O 0,6 — — 1Li2O — — 3,0 —BeO — — 8,0 —TiO2 — — 8,0 3 ZrO2 — — 2,0 —CeO — — 3,0 —FeO — — — 11 Na2O — — — 3

плотность, 2,54 2,49 2,89 —г/cм3

прочность, 3,45 4,59 3,45 2÷2,25 ГПа

модуль 72,4 86,2 110 78÷90 упругости,

ГПа

Таблица 4Свойства углеродных волокон

Марка Прочность, Модуль упру- Плотность,волокна ГПа гости, ГПа г/см3

Высокопрочные волокна Т-300* 3,6 235 1,76 Т-400H* 4,5 255 1,80 T-800H* 5,7 300 1,81 T-1000* 7,2 300 1,82

Высокомодульные волокна М-30* 4 300 1,7 М-40* 2,8 400 1,81 М-46* 2,4 460 1,88 М-50* 2,5 500 1,91 М-55J* 3,7 550 1,93 HM-50** 2,8 500 HM-55** 2,9 550 HM-60** 3,0 600 HM-80** 3,24 785

Универсальные волокна М-35* 5,1 350 1,75 М-40* 4,5 385 1,77 М-46* 4,3 445 1,84

Отечественные волокна ЛУ-П 2,7—3 250—270 1,7 Элур-П 3—3,2 200—250 1,7 УКН-П 3,5 210—230 1,75 УКТ-ПМ 4—4,5 240 1,75 Кулон 2,5—3,3 450—500 1,95 Кулон-М 3,0 600 1,95

Волокна из нефтяного пека (фирмы Юнион Карбайд) Р-55 2,1 380 2,0 Р-75 2,1 520 2,0 Р-100 2,4 690 2,2 Р-120 2,2 827 2,2

* Волокна фирмы “Торей” (Япония).** Волокна фирмы “Кагосима Сэкию” (Япония).


вают связующим и опять карбонизуют. Эту операциюповторяют несколько раз. Другой способ — химиче-ское осаждение углерода из газовой фазы при высокихтемпературах и давлениях. Перспективен и комбини-рованный метод — сначала пропитка связующим икарбонизация, а затем осаждение углерода из газовойфазы. Полученный материал может работать при тем-пературах до 3000 °С, если его поверхность защититьот окисления. Из углепластика делают носовые обте-катели ракет, детали скоростных самолетов, подвергаю-щиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам,сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, таккак графит — это твердая смазка, из углепластика де-лают тормозные колодки и диски для скоростных са-молетов, космических кораблей многоразового дейст-вия “Шаттл” и гоночных автомобилей.

Говоря про армирующие волокна, следует остано-виться на высокопрочных высокомодульных полимер-ных волокнах. Для них характерны самая низкая плот-ность, высокая удельная прочность при растяжении(под удельной прочностью понимают отношениепрочности к плотности); высокое сопротивление ударуи динамическим нагрузкам, очень низкая прочностьпри сжатии и изгибе. Полимеры, из которых получаюттакие волокна, делятся на жестко- и гибкоцепные.Примеры первых — полипарафенилентерефталамид(торговое название волокна — кевлар) и полибензоти-азол. Полиэтилен и поливиниловый спирт — примерывторых. Структура тех и других показана на рис. 1.Макромолекулы в волокнах, изготовленных из этихполимеров, в основном ориентированы в направленииоси волокна и свойства волокон (прочность, модульупругости и др.) различны вдоль и поперек него. Чемвыше степень ориентации, тем выше прочность прирастяжении вдоль волокон. Жесткоцепные полимерыдаже при высокой температуре сами стремятся сори-ентироваться в одном направлении, поэтому при их из-готовлении используют стадию термообработки. Ос-новная проблема достижения высоких характеристикволокон из гибкоцепных полимеров — добиться высо-ких степеней ориентации в процессе вытяжки и избе-

жать разрывов макромолекул. Характеристики некото-рых полимерных волокон приведены в таблице 5.

Полиэтиленовые волокна могут иметь очень высо-кие прочность и модуль упругости при самой низкойплотности. Однако их недостатки — низкие рабочиетемпературы (до 100 °С) и плохая адгезия к большинст-ву полимерных матриц. Макромолекулы поливинило-вого спирта имеют структуру, близкую к полиэтилену, итеоретически волокна из него должны иметь близкиехарактеристики, но значительно более высокую тепло-стойкость (выше 200 °С) и лучшую адгезию. К сожале-нию, до сих пор не достигнуты необходимые и возмож-ные прочность и жесткость этих волокон, что, по-види-мому, объясняется легкостью образования химическихдефектов (реакцией дегидратации) как при полученииполимера, так и при переработке его в волокно.

Органопластики (так называют армированные пла-стики на основе органических полимерных волокон)применяют в авиационной технике и ракетостроениидля изготовления деталей, работающих при растяже-нии, например, сосудов внутреннего давления, высо-коскоростных маховиков. Еще из органопластиков де-лают средства индивидуальной защиты от огнестрель-ного оружия: бронежилеты, каски и прочее.

Разработаны и применяются и другие волокна.

Таблица 5Свойства полимерных волокон

Марка Прочность, Модуль упру- Плотность,волокна ГПа гости, ГПа г/см3

Арамидные волокна Кевлар-29 3,0÷3,2 62÷70 1,44 Кевлар-49 3,8 135 1,45 Кевлар-149 2,4÷3,2 160÷184 1,47 Кевлар-* 4,1 121 1,45 СВМ 3,8÷4,2 135 1,43 Армос 4,5÷5,5 145÷160 1,43 Терлон СД 3,5÷3,8 150 1,45 Терлон С 3,5÷3,8 184 1,45 Терлон СБК 3,0÷3,4 140 1,34

Волокна из ароматических полиэфиров Эканол 3,5÷4,2 132÷142 1,4 Вектран 2,9 70 1,4

Полибензтиазольные волокна PBZ 3,0÷3,3 335 1,5

Полиимидные волокна Лабораторные 6 200

Полиэтиленовые волокна Спектра, Дайнима 2÷3,5 50÷125 0,97 Лабораторные 7÷10 220÷240 <1

Поливинилспиртовые волокна Лабораторные 1,5÷2 50÷70

n SC

N NC

SN

H OH

CN

O

Cn

CC

C C

H H HH

H

HH HC

H HH

C C CC

C

OH OH OHH

OH

H H HH

Рис. 1. Химическая структура некоторых полимерных волокон.

ПолибензотиазолКевлар

Жесткоцепные полимеры

Гибкоцепные полимеры

Полиэтиленовые волокна Полиэтиленовые волокна

6 1Берлин Ал.Ал. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ)

Свойства волокон различного типа суммированы втаблице 6, где для сравнения приведены характеристи-ки высокопрочного стального волокна.

Борные волокна получают методом химическогоосаждения из газовой фазы по реакции: BCl3 + H2 →B↓ + HСl. Осаждение ведется на тонкую (диаметромнесколько микрон) вольфрамовую проволоку. Техноло-гия получения борного волокна очень сложная, поэтомуони имеют высокую стоимость. Боропластики облада-ют рекордной прочностью при сжатии и применяются ввоенной аэрокосмической технике для изготовления де-талей, работающих в сложном напряженном состоянии,из них делают небольшие глубоководные аппараты.

Широкие возможности для оптимизации свойствармированных пластиков и их цены открываются прикомбинировании различных волокон в одном материа-ле. Так, добавление к органическим полимерным во-локнам борных или стеклянных позволяет повыситьпрочность композита при сжатии, то есть бороться схарактерным недостатком органопластиков.

МАТРИЦЫ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ПКМ)

Разработка полимерных матриц для ПКМ — серьез-ная и важная проблема, поскольку многие свойстваПКМ определяются матрицей. В первую очередь имен-но матрица связывает волокна друг с другом, создаваямонолитный конструкционный материал. Насколькореализуются высокие механические свойства волокон,зависит от таких свойств матрицы, как прочность,

жесткость, пластичность, вязкость разрушения, удар-ная вязкость. Температурное поведение, ударная проч-ность, водо- и атмосферостойкость, химическая стой-кость, трансверсальные (поперек волокон) механиче-ские свойства ПКМ решающим образом определяютсяполимерной матрицей и свойствами границы разделафаз. Кроме того, при разработке связующих необходи-мо учитывать и их технологические свойства (время,кинетика отверждения, вязкость и давление переработ-ки, смачиваемость армирующего материала, усадка ипрочие), часто именно эти свойства могут оказаться ре-шающими. Имеет значение и экологическое совершен-ство процессов получения и переработки препрегов(полуфабрикатов в виде пропитанных связующим ленти тканей) и изделий из ПКМ: наличие и токсичностьприменяемых растворителей и других компонент.

Создание оптимальных для конкретных примененийполимерных матриц ограничено не столько возможно-стями синтетической полимерной химии, сколько необ-ходимостью строго количественно формулировать ши-рокий комплекс весьма противоречивых требований ксвязующему. Например, достичь максимальной прочно-сти композитов и определить соответствующие требо-вания к механическим характеристикам матрицы слож-но из-за разнообразия механизмов разрушения ПКМ исвязано с необходимостью адекватно описывать про-цесс разрушения и испытывать образцы в условиях, от-ражающих реальную работу материала в изделии.

Требования к матрицам, представленные в табл. 7,можно разделить на три группы. При модификации,изменении условий, химической структуры, степени

Таблица 6Свойства различных армирующих волокон

Материал Прочность, Модуль Плотность, Диаметр,волокна ГПа упру- г/см3 мкм

гости, ГПа

Сталь 2÷3 200 7,8

Стекло 3,5÷4,6 72÷110 2,5÷2,9 3÷25, 80

Ароматический 3,8÷5,5 120÷185 1,43÷1,47 10÷12 полиамид

Полибензтиазол 3,0÷3,3 335 1,5

Полиэтилен 2÷3,5 (7) 50÷125 (200) <1 30÷35

Углеродное 3,6÷7,2 300 1,8 5÷10 высокопрочное

Углеродное 2,5÷3,25 500÷800 1,8÷2,2 5÷10 высокомодульное

Оксид 2,2÷2,4 385÷420 3,95 10÷25aлюминия

Карбид 3,1÷4,0 410÷450 2,7÷3,4 100÷140 кремния

Бор 3,45 400 2,6 100÷200

Свойства пластика

Теплостойкость

Водо-, атмосферо-стойкость

Прочность прирастяжении вдоль

волокон Прочность при сжа-тии вдоль волокон Трансверсальнаяпрочность, сдвиг Ударная вязкость

Технологичность

Таблица 7Требования к полимерным матрицам

Свойства полимерной матрицы

Высокая температура размягчения (стекло-вания)

Низкое водопоглощение, слабое изменениесвойств при влагопоглощенииОптимальная прочность,

высокая вязкость разрушения

Высокая прочность и жесткость, высокаявязкость разрушения, оптимальная адгезияХорошая адгезия, высокая прочность, боль-

шие удлинения Высокая ударная вязкость,

оптимальная адгезияНизкая вязкость связующего,

повышенная жизнеспособность,нетоксичность, пониженная температура от-

верждения (переработки)


химической сшивки и прочего, стремясь улучшить иулучшая свойства одной группы, мы автоматическиухудшаем другие. К одной группе можно отнестипрочность, жесткость, теплостойкость полимернойматрицы, к другой — пластичность, вязкость разруше-ния, трещиностойкость, ударную вязкость; к третьей —перерабатываемость, технологичность связующего.

Задача исследователя, конструирующего компози-ционный материал, — найти компромисс, как-то опти-мизировать выбор связующего, учитывая, впрочем,еще и экологические, экономические, конъюнктурныеи другие соображения.

Полимерные связующие делятся на два основныхкласса: термореактивные и термопластичные. Первыеобычно представляют собой сравнительно низковяз-кие жидкости (при температуре переработки), которыепосле пропитки армирующего материала (волокон, ни-тей, лент, тканей) за счет химических реакций превра-щаются в неплавкую твердую полимерную матрицу.Этот химический процесс называется отверждением.Вторая группа — линейные полимеры, которые могутпри повышении температуры многократно переходитьв жидкое расплавленное состояние.

Некоторые примеры химических структур терморе-активных связующих и реакций отверждения приведе-ны на рис. 2 — 5. Полиэфирные связующие отвержда-

C O CH2 CH CH2 O C O CH2 CH CH2OH2CHCH2C

CH3

CH3

CH3

CH3

OHO O

n

CH2N NCH2

CH2

H2C

H2C

CH

CH

HC

HC

CH2

CH2

H2C

H2C

O

O

O

O

O CH2 CH CH2 O C O

CH3

CH3

O

RO CH2 CH CH2

O

R

R

O

CH2CHCH2O

O CH2 CH CH2 O C

OH

R R'' C

O O

O CH2 CH CH2 NH

OH

R R''

O CH2 CH CH2RO

OC

O

O

CR''

BF3

NH2 R''

C OHHO

CH3

CH3

!

Рис. 2. Химическая структура полиэфирных связующих исомономеров для их отверждения.

Рис. 3. Химическая структура эпоксидных связующих и схемы их отверждения.

OH2CHCH2CC

N

CN

C

N

H2C HC H2C O O CH2 CH CH2

CC

OO CH2 CH O C CH CH C O CH2 CH

CH3

O O OO

CH3

n

CH CH2

CH

CH

CH2

CH2

NCH CH2

"

#$

6 3

ются реакцией радикальной полимеризации или сопо-лимеризации с соединениями, показанными на рис. 2.Также путем радикальной полимеризации отвержда-ются олигоэфиракрилаты. Схемы отверждения эпок-сидных, фенолформальдегидных и мочевиноформаль-дегидных связующих приведены на рис. 3 — 5.

Отметим главные достоинства и недостатки термо-реактивных связующих в целом. К достоинствам сле-дует отнести:

1. Хорошие технологические свойства: низкая вяз-кость связующего, хорошая смачиваемость и пропиты-ваемость армирующего материала, сравнительно низ-кие температуры отверждения.

2. Хорошая адгезия к большинству волокон.3. Повышенная теплостойкость. 4. Стойкость в различных средах: химическая, водо-

и атмосферостойкость, низкая проницаемость дляжидкостей и газов.

5. Свойства можно регулировать в широком диапа-зоне путем варьирования компонентов, добавлениямодификаторов, катализаторов и изменения условийотверждения.

Недостатки: 1. Хрупкость, низкие вязкость разрушения и удар-

ная прочность (усугубляются для высокотеплостойкихматриц).

2. Невозможность вторичной переработки. 3. Длительное время отверждения из-за необходи-

мости проведения экзотермической химической реак-ции в мягком режиме (без значительных перегревов).

4. Ограниченное время жизни препрега. 5. Значительная химическая усадка в большинстве

случаев. В последние годы началось широкое применение

термопластичных высокотеплостойких полимеров вкачестве матриц для волокнистых ПКМ. Прежде всего

это объясняется следующими причинами. Для термо-пластов характерно сочетание высокой прочности итеплостойкости (речь идет о суперконструкционныхпластиках: полиэфирсульфон, полиэфиримид, полифе-ниленсульфид, полиэфирэфиркетон, и так далее (см.рис. 6) с высокой ударной прочностью, трещиностой-костью. Такое же сочетание свойственно металличе-ским матрицам, хотя природа высокой пластичности вметаллах и термопластах различна. Кроме того, обра-зование специфических трещин, крейзов, в которыхкрая соединены волокнами полимера, позволяет тер-мопласту растягиваться в одном направлении без сжа-тия в других (коэффициент Пуассона близок к нулю).

Берлин Ал.Ал. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ)

Рис. 4. Химические структуры олигоэфиракрилатных связующих.

Рис. 5. Химическая структура фенолформальдегидных и мо-чевиноформальдегидных связующих и схемы их отверждения.

CH2 CH2 OOCC OO

C C

CH3CH3

CH2H2C

ROCO

C

CH3

H2C CH2

CH3

C

OCO

OC

O

C CH3H2C

OC

C

CH3

H2C

R OC

O

C

CH3

CH2

O

OC

O

C

C

C

CH2

CH3

H2C CH3

O

I

II III

−H2O

+ CH2 O

N

H2CN

CH2

NCH2

C C NH2H2N

O O

CO NH2

CH2 CH2 CH2

CH2 CH2

CH2

CH2

H2C

OH

OH

OH

+ CH2 O

−H2O

N

H2CN

CH2

NCH2

C C NHHN

O O

CO NH

CH2

CH2

CH2

CH2

NHO C

OO

HN NHCCCH2

N

CH2N

H2C

N

NHO C

OO

HN NHCCCH2

N

CH2N

H2C

N

CH2

CH2

NHO C

OO

HN NHCCCH2

N

CH2N

H2C

N

CH2

CH2

...

...

..

.

...

...

...

% & !

'( & !

Это облегчает его работу в сложно-напряженном со-стоянии в качестве матрицы в композитах. Эти свойст-ва термопластов определяют повышенную ударнуюпрочность композитов на их основе, стойкость к рас-пространению трещин как при статических, так и прициклических усталостных и динамических нагрузках,повышенные постударные характеристики и прочие.

Отметим и другие достоинства термопластов: — возможность вторичной переработки; — облегчение ремонта изделий; — более эффективные интенсивные методы перера-

ботки, формование деталей менее энергоемко, воз-можно формование более крупных, сложной конфигу-рации деталей, более высокая производительность;

— практически бесконечная жизнеспособностьпрепрегов — время между его изготовлением и пере-работкой в изделие;

— пониженные горючесть, дымовыделение при го-рении, токсичность продуктов горения, высокая стой-кость к излучению.

С другой стороны, замена термореактивных связующихна термопластичные требует решения ряда сложных техно-логических задач, ведь из-за большой вязкости расплавовполимеров приходится работать при высоких температурахи давлениях. Для преодоления этих трудностей предложе-ны разные способы, например, волоконная и пленочнаятехнологии. Из связующего сначала получают либо волок-на, которые затем смешивают с волокнами армирующегоматериала, либо пленки, которые выкладывают или нама-тывают поочередно с лентой армирующего материала. По-сле этого полученный пакет или изделие прессуют при вы-сокой температуре — связующее расплавляется и проника-ет между волокнами, превращаясь в полимерную матрицу.

Сейчас, чтобы устранить недостатки каждого изклассов связующих и добиться оптимальных свойств,начали применять различные смеси полимеров. На-пример, введение каучуков в эпоксиды и др. терморе-активные связующие повышает вязкость разрушения иударную прочность композита, хотя и несколько сни-жает прочность и модуль упругости связующего. Ктем же эффектам приводит модификация термореак-тивных связующих термопластами, при сохранениивысокой прочности и жесткости. Олигомерные соеди-нения снижают вязкость, улучшают технологичностьтермопластов. Предварительная обработка армирую-щего материала небольшим количеством низковязкихтермореактивных смол позволяет склеить волокнавнутри нитей и в других местах, куда не могут проник-нуть высоковязкие термопласты.

ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА ФАЗ

При разработке композиционного материала нельзязабывать и о третьем обязательном компоненте мате-риала — границе фаз между волокном и матрицей.Очень часто это наиболее слабое место материала, иименно здесь начинается разрушение как при механи-ческих нагрузках, так и при других воздействиях, на-пример, под влиянием внешней атмосферы, воды ипрочих. Поэтому во многих случаях проводят специ-альную обработку поверхности волокон. Углеродныеволокна подвергают окислению, в результате чего наих поверхности образуются гидроксильные, оксидныеи другие полярные группы, хорошо взаимодействую-щие с полимерной матрицей. Так же поступают и с по-лиэтиленовыми волокнами, обрабатывая их в плазме.На стеклянные волокна наносят специальные химиче-ские вещества — аппреты, которые чаще всего вступа-ют в химические реакции как с поверхностью волокна,так и со связующим при его отверждении, образуя, та-ким образом, химическую связь между волокном иматрицей. В таблице 8 приведены некоторые примерытаких соединений.

Во всех этих соединениях кремнийорганическаягруппа вступает в реакцию с гидроксильными группа-ми на поверхности стеклянных волокон, образуя хи-мическую связь:R–Si–(OCH3) + HO–Si(пов) → R–Si–O–Si(пов) + CH3OH.При отверждении связующего другая группа аппре-

та, например, винильная, реагирует с молекулами свя-зующего, образуя химическую связь с матрицей:

R*связ. + CH2=CR1R2 → Rсвяз.–CH2–C*R1R2.

Благодаря образующимся химическим, сильнымполярным или водородным межмолекулярным связяммежду поверхностью волокна и матрицей повышаетсяпрочность адгезии и стойкость материала в агрессив-ных средах и воде.


C O C O

CH3

CH3

O

n

C O S O

CH3

CH3

O

O n

n

CN

C

O

O

O

O

O

CN

C

CH3

CH3

OC

Рис. 6. Химические структуры некоторых термостойкихтермопластичных связующих для армированных пластиков.

Полиэфирэфиркетон

Полиэфирсульфон

Полиэфиримид

Таблица 8Кремнийорганические аппреты

CHCH2 CH2 NH

HCl

CH2 CH2 NH (CH2)3 Si(OCH3)3

CH2=CH Si(OCH2 CH2 O CH3)3

CH2 CH Si(OOC CH3)3

C

CH3

CH2 COO (CH2)3 Si(OCH3)3

Si(OCH3)3(CH2)3H2N

Si(OCH3)3(CH2)3HN(CH2)2H2N

Si(OCH3)3(CH2)3OCH2CHCH2

O

Si(OCH3)3(CH2)3HS

O

(CH2)2 Si(OCH3)3

Аппрет

Катионсодержащее производноевинилбензилсилана

Винил-трис(β-метоксиэтоксилан)

Винилтриацетоксисилан

γ-Метакрилоксипропилтриметоксисилан

γ-Аминопропилтриэтоксисилан

γ-(β-Аминоэтил)аминпропилтриметоксисилан

γ-Глицидоксипропилтриметоксисилан

γ-Меркаптопропилтриметоксисилан

β-(3,4-Эпоксициклогексил)этилтриметоксисилан

γ-Хлорпропилтриметоксисилан

Применение

Для всех связующих

Для полиэфирных смол



Для эпоксидных, фенолформальде-гидных смол, полиамидов

Для эпоксидных, фенолформальде-гидных смол, полиамидов

Практически для всех связующих

Практически для всех связующих

Для эпоксидных смол

Для эпоксидных смол

6 5


Дальнейшее развитие ПКМ следует рассматриватькак движение в двух направлениях.

Первое — разработка дешевых компонент и мето-дов их переработки в полуфабрикаты и изделия длягражданских целей широкого применения. Для этойцели в качестве матриц, по-видимому, будут использо-ваться многотоннажные полимеры (например, поли-пропилен и другие) и дешевые полиэфирные смолы. Вкачестве волокон — стеклянные, углеродные на осно-ве пеков или полимер-пековых композиций, а такжеболее дешевые полимерные волокна.

Второе направление — повышение рекордных ха-рактеристик композитов. В последнее время второенаправление в значительной степени потеряло финан-сирование как у нас в стране, так и в западных странахв связи с прекращением холодной войны и гонки во-оружения. Однако такие материалы, хоть и в неболь-ших масштабах, будут всегда требоваться для косми-ческой, авиационной и других гражданских отраслейтехники. Можно надеяться, что в скором будущем бу-дут достигнуты значения прочности порядка 10 ГПадля углеродных и полиэтиленовых волокон. Большиеусилия направлены сейчас на создание высокопроч-ных высокомодульных поливинилспиртовых волокон.Непрерывно появляются новые типы волокон на осно-

ве жесткоцепных полимеров. Поэтому можно ожидатьполучения таких волокон с характеристиками лучши-ми, чем у волокон типа кевлар. Уже сейчас полибензо-тиазольные и полибензоксазольные имеют модуль уп-ругости, значительно превышающий модуль кевлара иблизкий к модулю углеродного волокна.

Таким образом, создание, изучение и использова-ние полимерных композиционных материалов — чрез-вычайно перспективная и бурно развивающаяся об-ласть современного материаловедения.


Промышленные полимерные композиционные мате-риалы, ред. М.Ричардсон. М.: Химия, 1980.

Наполнители для полимерных композиционных ма-териалов, ред. Г.С.Кац и Д.В.Милевски. М.: Химия,1981, с. 265−332.

ЖВХО им. Менделеева, 1989, т. 34, N 5.Ал.Ал.Берлин, С.А.Вольфсон, В.Г.Ошмян, Н.С.Енико-лопян. Принципы создания композиционных мате-риалов, М.: Химия, 1990.

Углеродные волокна и углекомпозиты, ред. Э.Фитцер.М.: Мир, 1988.

Справочник по композиционным материалам, ред.Дж.Любин. М.: Машиностроение, 1988.

Берлин Ал.Ал. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ)

Структура

S U M M A R Y

ВВЕДЕНИЕ

Обучение современной органической химии вклю-чает три основных раздела: структура, реакционнаяспособность и синтез органических соединений. Приэтом понятия валентность и химическая связь всегдабыли основополагающими для органической химии.В этом отношении промежуточные частицы (интерме-диаты), содержащие углерод с координационным чис-лом (валентностью) от одного до пяти, привлекаютособое внимание, поскольку они играют большуюроль в химических реакциях, обладают высокой ак-тивностью, а потому применяются для направленногосинтеза различных веществ, обладающих полезнымисвойствами. Знакомство с этими частицами позволяетлучше усвоить основные концепции химии органиче-ских соединений. До недавнего времени наши класси-ческие представления об интермедиатах ограничива-лись лишь знаниями о радикалах, катионах и анионах:

Молекулы, содержащие двухвалентный углерод,считались слишком нестабильными и редко встреча-ющимися в практике химика-органика. Однако за по-следние годы положение изменилось, и частицы сдвухвалентным углеродом стали хорошо известны инаходятся в одном ряду с другими промежуточнымичастицами. Информация о них уже попала на страни-цы учебников по органической химии. Вместе с тем,они интенсивно изучаются благодаря наличию к нимкак теоретического, так и практического интереса.Последнее связано с разработкой простых методов ге-нерации таких частиц, их особыми химическимисвойствами и способностью вступать в реакции раз-личных типов. Ученые заинтересовались двухвалент-ным углеродом еще на заре органической химии. В тео-рии радикалов существовало понятие о метилене —двухвалентном углеродном радикале. Попытки полу-чить метилен предпринимали Дюма (1835), Реньоль(1839), Перро (1857), а Неф (1897) разработал “об-щую теорию метилена”. А.М.Бутлеров (1861) при на-гревании дииодметана с порошком меди получил эти-лен, что можно объяснить димеризацией двух метиле-новых частиц. Следует отметить, что сейчас известенметод метиленирования двойных связей до производ-


Обсуждается строение иреакции высокоактив-ных промежуточных час-тиц с двухвалентныматомом углерода.

Carbon intermediates withone to five valences, attractspecial attention becausethey play a major role inchemical reactions. Theypossess high reactivity andtherefore adapt themselvesto the directions of the syn-thesis of different sub-stances possessing valu-able properties andenables one to grasp thebasic concepts of organicchemistry. The knowledgeof these intermediateshelps to understand betterthe principles of chemistryof radicals, cations, andanions.

Р.Р.КОСТИКОВ

ÄÂÓÕÂÀËÅÍÒÍÛÉ ÓÃËÅÐÎÄ

СанктПетербургский государственный университет

© Костиков

Р.Р.

, 199

5

CH3•

ðàäèêàë

ìåòèë

CH3+

ìåòèëêàòèîí

CH3-

ìåòèë

àíèîí

CH5+

ìåòîíèéêàòèîí

CH4

ìåòàí

:CH2

êàðáåí

ìåòèëåí

6 7

ных циклопропана с помощью дииодметана и цинк-се-ребряной пары.

Бурное развитие химия метилена получила лишь впоследние 45 лет, после того, как Деринг1 предложилтермин “карбен” для обозначения нейтральных час-тиц, содержащих двухвалентный углерод. В настоящеевремя известны также аналоги карбенов, содержащиеатомы двухвалентного кремния (силилены), однова-лентного азота (нитрены) или другие гетероатомы.Карбены и их аналоги содержат атом углерода или ге-тероатом с шестью электронами, так же как и карбение-вые ионы, но в отличие от последних не заряжены.Для промежуточных комплексов карбенов с металла-ми, которые в некоторых случаях могут быть устойчи-выми, применяется термин “карбеноид”.

Поскольку карбеновый углеродный атом имеет дванесвязевых электрона (не участвующих в образованиисвязей), то в зависимости от ориентации спинов карбе-новая частица может иметь синглетное (от лат. “singu-laris”, c антипараллельными спинами) или триплетное(от лат. “triplex”, с параллельными спинами) состояние.

Оценить термодинамическую устойчивость мети-лена по отношению к другим промежуточным части-цам можно, последовательно отрывая атомы водородаот метана и сопоставляя тепловые эффекты разныхстадий этого процесса. Как видно из приведенныхданных, процесс образования метилена из метильногорадикала требует на 16 (103—87) ккал/моль меньшеэнергии, чем образование метильного радикала из ме-тана. Напротив, на отрыв водорода от метилена, при-водящий к метиновой частице (СН), затрачивается на22 ккал/моль больше энергии. Следовательно, метиленв сравнении с метильным или метиновым радикаламилегче образуется и труднее разрушается, то есть отно-сительно стабилен.

По этой причине пиролиз метана при 1500 °C, при-водящий к образованию ацетилена, включает в каче-стве первого этапа распад метана на метилен и водо-род. Далее метилен реагирует с другой молекулой ме-тана с образованием этана. Последний при высокойтемпературе претерпевает дегидрирование до этиленаи далее до ацетилена:

ЭЛЕКТРОННОЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕСТРОЕНИЕ КАРБЕНОВ

Интерес к структуре карбеновых частиц в значи-тельной степени связан с тем, что эти частицы — про-стейшие и удобные модели для разработки теоретиче-ских концепций органической химии, таких, как: ос-новное и возбужденное состояние молекулы2 , синг-летное и триплетное, геометрия и распределение элек-тронов, связь спинового состояния с механизмом реак-ции, ароматический характер переходного комплекса исогласованные реакции, комплексные соединения.

Наибольшее внимание уделено изучению простей-шего карбена — метилена (CH2). Как сказано выше,метилен может иметь синглетное или триплетное со-стояние. В синглетном метилене атом углерода нахо-дится в гибридизации, близкой к sp2-типу, а именно:две гибридные атомные орбитали образуют связь угле-рода с атомами водорода, одна гибридная орбиталь за-нята электронной парой (двумя электронами с антипа-раллельными спинами), а p-орбиталь вакантна. Длятриплетного метилена можно ожидать две конфигура-ции: линейную и изогнутую. В первой конфигурацииатом углерода находится в sp-гибридизации, и две гиб-ридные атомные орбитали (как в молекуле ацетилена)образуют связи с водородными атомами, а два электро-на с параллельными спинами находятся на разных p-ор-биталях. Во второй конфигурации атом углерода нахо-дится в гибридизации, промежуточной между sp- иsp2-типами. При этом две гибридные атомные орбита-ли образуют связи углерода с атомами водорода, одинэлектрон находится на гибридной атомной орбитали, адругой на p-орбитали. Значения валентных углов НСНдля синглетного и триплетного метилена и синглетно-

Костиков Р.Р. Двухвалентный углерод

ìåòèëåí

:CH2 :NH :SiH2 H2C...[Rh(OAC)2]2

ñèëèëåííèòðåí ìåòèëåí-äèðîäèéòåòðààöåòàò

êàðáåí àíàëîãè êàðáåíîâ êàðáåíîèä

CH2

ñèíãëåò òðèïëåò

CH2

CH4 CH3 + H

CH2 + HCH3

CH2 CH + H

CH C + H

103

87

125

81

1ДЕРИНГ, Уильям (род. 1917) — профессор Колумбийского, Йельско-го и Гарвардского университетов (США). Открыл реакцию галокарбе-нов с олефинами.

CH4

CH3 CH3

21500°C

HC CH + 3H2

CH4

:CH2 + CH4

:CH2 + H2

CH3 CH3

CH2 CH2 + H2

CH CH + H2CH2 CH2

2 Основное состояние — термодинамически наиболее устойчивая элек-тронная конфигурация молекулы; возбужденное состояние — отличнаяот основной и менее устойчивая электронная конфигурация молекулы.

∆H, ккал/моль

6 8

го дихлоркарбена показаны на рисунке 1. В настоящеевремя проведены многочисленные квантово-химиче-ские расчеты и экспериментальные исследования кар-бенов в газовой фазе или в кристаллической аргоновойматрице — при 4,2 К с применением инфракраснойспектроскопии или спектроскопии электронного пара-магнитного резонанса. Установлено, что основное со-стояние метилена триплетно, а первое возбужденноесостояние его синглетно. В том и другом состояниимолекула метилена изогнута, как показано на рис. 1.Энергетическая разница между этими состояниями со-ставляет около 9 ккал/моль. Присоединение к карбено-вому центру заместителей может изменить относи-тельную устойчивость этих состояний. Так, например,введение атома хлора сильно стабилизирует синглет-ное состояние, которое для дихлоркарбена становитсяосновным.

Много внимания было уделено теоретическому изу-чению реакционной способности карбеновых частиц.При этом поведение карбеновой частицы в первуюочередь определяется ее спиновым состоянием.

Синглетная частица проявляет свойства электро-фильной частицы, то есть частицы с дефицитом элек-тронов, поскольку у нее имеется вакантная р-орби-таль. Вместе с тем, если активной в реакции будетэлектронная пара при атоме углерода, то карбеноваячастица будет обладать нуклеофильными свойствами,то есть с избытком электронной плотности — анало-гично кислород- или азотсодержащим молекулам илианионам. В то же время свойства карбенов существен-но отличаются от свойств ионных частиц, посколькупервые в отличие от вторых, электронейтральны.

В триплетном же состоянии карбены проявляютсвойства бирадикалов, то есть ведут себя как радика-лы, однако, в отличие от обычных, могут реагироватьодновременно двумя радикальными центрами. Посвойствам триплетный карбен близок к обычной моле-куле, находящейся в триплетном возбужденном состо-янии.

Еще одна особенность карбеновых частиц — их вы-сокое теплосодержание, что позволяет им легко пре-одолевать барьер активации. Расчетные и эксперимен-тальные данные показывают, что большинство реак-ций карбенов проходит с выделением тепла, и кроме

того, с малым или с нулевым барьером активации. Впоследнем случае скорость взаимодействия карбено-вой частицы с молекулой субстрата определяетсялишь частотой соударений молекул и их взаимнойориентацией в пространстве. По этой причине карбе-ны — весьма реакционноспособные интермедиаты ипригодны для получения неустойчивых молекул с вы-соким теплосодержанием.

МЕХАНИЗМЫ КАРБЕНОВЫХ РЕАКЦИЙ

Понятие механизма реакции включает не толькознание об основных стадиях процесса, кинетике реак-ций, структуре промежуточных частиц, но и информа-цию об элементарных стадиях: пространственнойориентации молекул при столкновении, распределе-нии электронной плотности между атомами, движу-щих силах взаимодействия молекул, потенциальнойэнергетической поверхности.

Теоретический анализ карбеновых реакций оченьважен для становления основных представлений обэлементарных химических процессах, поскольку онимоделируют более сложные химические превращения.Вместе с тем, результаты расчетов легко могут бытьсопоставлены с экспериментом, потому что поведениекарбеновых частиц в химическом процессе можно изу-чать современными физическими методами.

Наиболее известной реакцией является присоеди-нение карбенов к π-связи. Рассмотрим взаимодействиесинглетного метилена с этиленом, которое приводит кобразованию циклопропана:

Теоретический анализ указывает на то, что энерге-тически оптимальный путь (с минимальным энергети-ческим барьером) может быть представлен следую-щим образом по пути 1→2→3→4 (рис.2).

Наличие двух активных атомных орбиталей у атомауглерода в синглетном метилене, одна из которых за-нята, а другая вакантна, объясняет способность обра-зовывать циклическое переходное состояние.

В переходном состоянии на карбеновом углерод-ном атоме возникает отрицательный заряд, а на угле-родных атомах этилена — положительный. Это объ-ясняет электрофильный характер присоединения кар-бена к двойной связи, а именно: электронодонорныезаместители при двойной связи увеличивают, а элек-троноакцепторные уменьшают скорость реакции. Те-оретический анализ показывает, что присоединениесинглетного карбена к кратной связи является согла-сованным процессом, то есть таким, в котором транс-


Cl

Cl

108°

H

H

135°

H

H

105°

ìåòèëåí( òðèïëåò)

ìåòèëåí

( ñèíãëåò) ( ñèíãëåò)äèõëîðêàðáåí

Рис. 1. Структура метилена и дихлоркарбена.

CH2+ H2C == CH2

.

.

H

H H

H H

H

6 9

формация нескольких связей происходит одновре-менно, без образования интермедиатов. Согласнопредложению Вудворда и Хоффмана3 данный согла-сованный процесс получил наименование “хелет-ропной реакции” (от греческого “chele” — клешня),поскольку в нем при одном атоме одновременно об-разуется две новые σ-связи. В заключение следуетобратить внимание на то, что циклическое переход-ное состояние присоединения синглетного карбена кдвойной связи имеет ароматическую структуру,поскольку связывание между атомами углерода осу-ществляется двумя электронами4 . На рисунке 3 пред-ставлена структура переходного комплекса:

Так как образование циклопропана — согласован-ная реакция, то она проходит стереоспецифично, чтоозначает соответствие расположения в пространствезаместителей в исходной молекуле олефина и в цик-лопропане. Действительно, при реакции метилена сцис-2-бутеном получается исключительно цис-1,2-ди-метилциклопропан. Из транс-олефина получаетсятолько транс-изомер:

По-иному ведет себя триплетный карбен. Реакциятриплетного метилена с этиленом проходит по несогла-сованному пути в два этапа. На первой стадии образует-ся триметиленовый бирадикал, который затем циклизу-ется в циклопропан. При этом реакция протекает несте-реоспецифично, в результате чего из цис- или транс-2-бутенов получается смесь цис- и транс-1,2-диметилцик-лопропанов одинакового состава. Это происходит из-затого, что в бирадикале радикальные центры имеют три-гональную конфигурацию (sp2) и скорость вращенияметиленовой группы по С-С связи больше, чем ско-рость замыкания бирадикала в цикл:

Теоретический анализ других элементарных реакций сучастием синглетного метилена предсказывает согласо-ванный характер процессов и наличие структур, обозна-ченных на схемах цифрами II, III, IV, V. Две частицы ме-тилена могут димеризоваться с образованием этилена:


Рис. 3. Структура переходного состояния в реакции присое-динения синглетного карбена к двойной связи. Римской циф-рой I обозначен переходный комплекс. Далее в схемах и рисун-ках цифрами обозначены соединения, упомянутые в тексте.

3ВУДВОРД, Роберт Бернс (1917−1979) — профессор Гарвардскогоуниверситета (США), крупнейший специалист в области синтетическойи структурной органической химии. Нобелевская премия 1965 г. ХОФФМАН, Роалд (род. 1937 г.) — профессор Корнеллского универ-ситета (США), известный ученый по изучению механизмов реакций. В1960−1961 г. стажировался в МГУ. Нобелевская премия 1981 г. (совм. сК. Фукуи).4 Согласно расширенному правилу Хюккеля циклическая система, со-держащая (4n+2) электрона (то есть 2, 6, 10...), более устойчива в срав-нении с нециклической системой и обладает ароматической стабильно-стью.ХЮККЕЛЬ, Эрих А.А.Й. (1896−1980) — профессор Марбургскогоуниверситета (Германия). Дал квантово-химическое объяснение устой-чивости ароматического секстета π-электронов.

Рис. 2. Стадии присоединения синглетного метилена к этилену:1 — начало взаимодействия карбена с π-связью; 2 — переход в об-ласть связывания метилена и этилена (переходное состояние реак-ции); 3 — образование трехчленного цикла; 4 — конечная молекула— циклопропан.

1

2

3

4

C C

H

H

H

H

+δ

H

H

-δC

(I)

H

H H

H

CH3CH3CH3 CH3

H H+

.

.CH2

CH2CH2CH2 C C

C

H H

H H

H H

H2C= CH2 + 11CH2

7 0

Метилен может внедряться в σ-связь водорода. Приэтом образуется метан:

Метилен может взаимодействовать с неподеленной элек-тронной парой атома азота, например, триметиламина, собразованием метилентриметиламмоний илида:

Еще один переходный комплекс получается привнутримолекулярной миграции радикала к карбеновомуцентру с образованием изомерного карбену олефина:

МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ КАРБЕНОВ

Образование карбеновых частиц происходит притермическом, фотолитическом или каталитическомразложении некоторых соединений. Рассмотрим лишьдва пути получения карбенов на примере метилена идихлоркарбена. Метилен получается при термиче-ском, фотолитическом или каталитическом разложе-нии простейшего алифатического диазосоединения —диазометана — по приведенной ниже схеме. Термиче-ское разложение диазометана приводит к выделениюмолекулы азота и образованию синглетного метилена,который может вступать в различные реакции. Однако,как было указано выше, основное состояние метилена —триплетное, поэтому синглетный метилен в присутст-вии инертных или малоактивных по отношению к кар-бену молекул (например, гексафторбензола) переходитв триплет, который далее вступает в реакции с други-ми молекулами или постепенно накапливается в реак-ционной среде.

При фотолизе диазометан переходит в возбужден-ное состояние (отмечено на схеме звездочкой) и далеераспадается с выделением молекулы азота и метиле-новой частицы. Поскольку в возбужденном состояниидиазометан синглетен, то и получающийся метилентакже находится в синглетном состоянии. Синглет-ный метилен, как и в случае термической генерации,может превращаться в триплет. Однако триплетныйметилен может быть получен при фотолизе и другимспособом: путем добавления в реакционную смесьсенсибилизатора синглет-триплетного перехода, тоесть вещества, облегчающего этот переход, например,бензофенона, который очень легко образует фотовоз-бужденное триплетное состояние. При взаимодейст-вии последнего с диазометаном получается триплет-но-возбужденный диазометан. Такая молекула пре-терпевает распад, приводящий к образованию трип-летного метилена. Особенность реакций метилена,получающегося при фотолизе, — его высокая актив-ность и низкая селективность, приводящая к образо-ванию смесей продуктов.

Каталитическое разложение диазометана в присут-ствии солей меди, палладия или родия позволяет про-водить реакции в очень мягких условиях при комнат-ной температуре и без фотооблучения, с высокимивыходами. Реакция обычно включает стадию образо-вания комплекса карбена с металлом. В этом случаеметилен находится в синглетном состоянии и прохо-дящие реакции не осложняются переходом синглета втриплет, а потому являются высокоселективными,приводящими к образованию продуктов реакциитолько одного типа.

Дихлоркарбен относится к другому типу карбено-вых частиц, образование которых происходит в резуль-тате распада ионов, в данном случае — трихлорме-тильного карбаниона. Впервые существование дихлор-карбена было постулировано при изучении гидролизахлороформа в водной щелочи, приводящего к образо-ванию солей муравьиной кислоты:

Затем дихлоркарбен был “пойман” с помощью цик-


2:CH2 H2C=CH2

+δ

-δ(II)

-δ

:CH2 + H2

H H

+δ CH4

(III)

-δ

R +δ

:CHCH2R RCH=CH2

(V)

-δ:CH2 + N(CH3)3 N

+δCH2

-N

+(CH3)3

(IV)

CH2N2 :CH2 (ñèíãëåò)C6F6∆

(ñèíãëåò)(òðèïëåò)

(òðèïëåò)CH2N2*(C6H5)2CO*

CH2N2*

..

(òðèïëåò)CH2

-N2-N2

hν

hν(C6H5)2CO (C6H5)2CO* (ñèíãëåò) (C6H5)2CO* (òðèïëåò)

CH2N2-N2

Rh(II)Rh(II)CH2

(ñèíãëåò)

êàðáåíîèä

CHCl3 + 4NaOH HCO2Na + 3NaCl + 2H2O

CHCl3 + CH3ONa NaCl + CH3OH + :CCl2

7 1

логексена. При этом было получено производное цик-лопропана:

Дихлоркарбен получается из хлороформа согласноприведенной ниже схеме. Алкоголят калия или натрияотщепляет протон от хлороформа и образуется три-хлорметильный анион. Последний распадается с обра-зованием дихлоркарбена и хлорид-аниона. Это пре-вращение обратимо. Поэтому в зависимости от при-сутствия в реакционной среде других молекул могутбыть получены как продукты взаимодействия трих-лорметильного аниона, так и дихлоркарбена:

Например, гидролиз хлороформа водной щелочью при-водит к образованию продуктов полного гидролиза —солям муравьиной кислоты. В спиртах получаются эфи-ры муравьиной кислоты. В безводной же среде в при-сутствии олефинов получаются циклопропаны — про-дукты карбеновых реакций. Трихлорметильный анионможет быть получен и другими способами, например,при термическом разложении солей трихлоруксуснойкислоты, в результате распада трихлорацетат аниона.

В последнее время большое распространение полу-чил также метод межфазного катализа, позволяющийгенерировать дихлоркарбен в присутствии водной ще-лочи. Суть этого метода заключается в том, что в реак-ционную смесь, содержащую несмешивающиеся орга-ническую и неорганическую фазы, добавляется катали-затор межфазного переноса — соль тетраалкиламмония(R4N

+Cl-), тетраалкилфосфония (R4P+Cl-), краун-эфиры

[−CH2CH2O-]5. Этот катализатор переносит гидроксид-

анион из водной фазы, в которой растворен гидроксиднатрия, в органическую фазу. В последней находитсяхлороформ и ловушка карбена — олефин. Образовав-шийся в органической фазе трихлорметильный анионсвязывается с катализатором в виде соли и находится вней, постепенно распадаясь на хлорид-анион и карбен.Таким образом, исключается контакт карбена или три-хлорметильного аниона с водой, не происходит гидро-лиз хлороформа, и образуются циклопропаны.

РЕАКЦИИ КАРБЕНОВ

Как отмечалось выше, карбены обладают большимзапасом энергии, позволяющим им легко преодолеватьэнергетический барьер реакции. Среди большого чис-

ла превращений мы остановимся лишь на синтезе на-пряженных циклических молекул, некоторых приме-рах промышленного органического синтеза и приме-нения комплексов карбенов. Ниже представлены моле-кулы, содержащие трехчленный цикл, и приведеныэнергии напряжения (в ккал/моль):

Известно, что циклопропан обладает повышеннымтеплосодержанием в сравнении с ациклическими моле-кулами или циклогексаном, что подтверждается термо-химическими данными, указывающими на существова-ние в циклопропане напряжения, равного 27.5ккал/моль. Напряженность молекулы увеличивается всравнении с циклопропаном, если вводится двойнаясвязь, примыкающая к циклу, как в метиленциклопро-пане (VI), или она находится внутри цикла, как в цикло-пропене (VII), а также при переходе к спиропентану(VIII) или бициклобутану (IX). Особенно велико напря-жение в полициклических молекулах, таких, как триан-гулан (X), содержащий несколько спиро-сочлененныхтрехчленных циклов и названный так по предложениюН.С.Зефирова5 , или тетраэдран (XI) . Разработка реак-ций с участием карбенов сделала доступными цикличе-ские молекулы с трехчленным кольцом. При этом боль-шой интерес вызывает синтез полициклических и кар-касных молекул, имеющих сложную пространственнуюструктуру с несколькими малыми циклами (тетраэдран,кубан, призман, триангулан и пр.). Синтез этих молекулне только удовлетворяет познавательный или практиче-ский интерес, но и становится в определенной степениискусством, вызывающим восхищение.

Рассмотренная выше реакция метилена с этиленом,приводящая к образованию циклопропана, с успехомбыла применена для получения перечисленных напря-женных молекул. Так, при реакции метилена с ацети-леном образуется циклопропен (VII), который под дей-ствием избыточного количества метилена дает бицик-


+ :CCl2

Cl

Cl

CHCl3 + (CH3)3COK CHCl3 + NaOH + (CH3)4N+Cl

-

CCl3-

Cl-

:CCl2

Cl Cl

H2OHCO2-

CCl3CO2Na

H H

H H

H H

H

H

H

H

H

H

H

H H

HH

H

HH

H

H

H

H

HH

HH

H H

HH HH

H

H

H

H

H H

H H

H

H H

H

27.5 (VI) 40.9 (VII) 55.2

(X) 120 (XI) 160(IX) 68.1

(VIII) 63.0

5ЗЕФИРОВ, Николай С. (род. 1935 г.) — академик, профессорМосковского университета.

7 2

лобутан (IX). Метиленциклопропан (VI) и спиропен-тан (VIII) получены при реакции метилена с алленом.Последовательное метиленирование кратных связей1,2,3-бутатриена приводит к образованию продуктоводно-, двух- и трехкратного присоединения метилена.При взаимодействии диаддукта с циклопропилиде-ном — карбеном, образованным из соответствующегоалифатического диазосоединения (диазоциклопропа-на), был получен триангулан (X). При разложении за-мещенного циклопропенилдиазометана получаетсякарбен, который далее присоединяется внутримолеку-лярно к кратной связи трехчленного цикла с образова-нием замещенного тетраэдрана (XII). Приведенныепримеры показывают, что карбеновые реакции позво-ляют очень просто строить углеродный остов сложныхорганических молекул, а потому их можно рассматри-вать как важные конструктивные реакции.

Широкое применение в органическом синтезе полу-чил дихлоркарбен. Для его образования нет необходи-мости применять труднодоступные диазосоединения.Как было показано выше, этот карбен легко получает-ся из хлороформа и гидроксида натрия. Например, попоказанной ниже схеме получается биологически ак-тивное соединение (XIII), используемое против рисо-вого вредителя.

Карбеновые процессы находят применение не толь-ко в лаборатории, но и в промышленности. Так, откры-тая еще в 1876 г. реакция Реймера-Тимана6 — образо-вание салицилового (орто-гидроксибензойного) альде-гида из фенола и хлороформа под действием гидрокси-да калия, проходит с участием дихлоркарбена:

В последние годы в химической промышленности ис-пользуют различные высокотемпературные пиролитиче-ские и плазмохимические методы. Установлено, что привысокой температуре разрушается не только метан, но игалогензамещенные метаны с образованием галогенкар-бенов. На основе этого превращения разработаны про-мышленные методы синтеза различных фторсодержа-щих соединений. Тетрафторэтилен — наиболее много-тоннажный фторсодержащий мономер, используемыйдля получения политетрафторэтилена, получается припиролизе дифторхлорметана (фреон 22) или фтороформа:

Фторакрилонитрилы (ценные мономеры) получены с хо-рошими выходами при совместном пиролизе фторацето-нитрилов и фреонов. Наконец, пиролиз фреона, 1,3-дие-нов и стиролов дает возможность непрерывным спосо-бом получать фторароматические соединения, являющи-еся ценным сырьем для синтеза лекарственных веществ.

В промышленности также находят применение ком-плексы карбенов с металлами. Хотя некоторые карбе-новые комплексы, как сейчас стало известно, были по-лучены еще в 1915 г., первым полностью охарактери-зованным как карбеновый комплекс стало соединение,синтезированное Фишером7 в 1964 г.:


HC CH:CH2 :CH2

N2 :

R R

RH

N2

R R

R C:H

R= (CH3)3C

H

R

R R

(VII) (IX)

H2C= C= CH2

:CH2 :CH2

(VI) (VIII)

:CH2:CH2C= CH2

:CH2H2C= C= С= CH2

(X)

(XII)

6РЕЙМЕР, Карл. Л. и ТИМАН, Иоганн К.Ф. — химики Берлин-ского университета в 1876 г. открыли реакцию, использованнуюими для получения ванилина — душистого вещества с приятнымцветочным запахом.7ФИШЕР, Эрнст О. (род. 1918 г.) — профессор Мюнхенского,Йенского и Марбургского университетов (ФРГ), разработал ме-тоды стабилизации короткоживущих органических интермедиа-тов с комплексами переходных металлов. Нобелевская премия1973 г. (совместно с Дж.Уилкинсоном).

CH3

CH3 CO2Híåñêîëüêîñòàäèé

CH3

CH3 CONHC(CH3)3

:CCl2

Cl Cl

CH3

CH3 CONHC(CH3)3

(XIII)

OH

+ KOH + CHCl3

O-

CHCl2

OH

CHO

CHF2Cl :CF2 + HCl

2:CF2 F2C= CF2

∆.

W

CO

CO

CO

C

CO

CO Ph

OCH3

(XIV)

7 3

Сейчас известно около 500 таких комплексов, и ониактивно используются в самых различных реакциях. Вчастности, комплексы, содержащие вольфрам или мо-либден, участвуют в реакциях метатезиса олефинов(реакции обмена метиленовыми фрагментами междуолефинами). При метатезисе пропилена получается2-бутен и этилен, а из метиленциклобутана полученбициклобутилиден (XV). Метатезис циклоолефиновприменяется для получения полимеров.

При полимеризации циклододецена в условияхметатезиса с небольшим выходом получены дажекатенаны (XVI) — циклические соединения, меха-нически соединенные друг с другом.


В одной лекции невозможно охватить все особенно-сти поведения двухвалентных углеродных частиц.Можно лишь сказать словами Гете: “Alles war gesagt,doch alles bleibt zu sagen!” (Все уже сказано, но все ещеостается сказать.)

Современные технологии уже активно используютреакции карбенов на практике. Например, в промыш-ленности внедрен непрерывный процесс полученияэфиров хризантемовой кислоты (XVII) и ее аналогов спомощью карбенов, каталитически генерируемых издиазосоединений по приведенной схеме.

Эти эфиры — пиретроиды, впервые выделенные изцветов пиретрума, — эффективные и экологическибезопасные пестициды, поскольку, с одной стороны,это продукты жизнедеятельности растений, а с другой,они способны быстро саморазрушаться до неопасныхдля животных и растений соединений.

Наконец, следует сказать о возможности получениядолгоживущих карбенов. Так же как в свое время уси-лия химиков по синтезу стабильных радикалов завер-шились синтезом первого устойчивого радикала —трифенилметила (радикала Гомберга8), так в послед-ние годы были получены устойчивые карбены. Напри-мер, показанный ниже 1,3-диметилимидазолинили-ден-2 (XVIII) представляет собой стабильное соедине-ние с определенной температурой плавления.


1. Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органиче-ской химии. М.: Химия, 1981. Кн. 2. Гл. 8. С.264–280.

2. Терней А. Современная органическая химия. М.:Мир, 1981. Т. 1. Разд. 8.11. С. 339–351.

3. Марч Дж. Органическая химия. М.: Мир, 1987. Т. 1.С.249–257.

4. Нефедов О.М., Иоффе А.И., Менчиков Л.Г. Химиякарбенов. М.: Химия, 1990.

5. Мальцев А.К. Исследование карбенов физическимиметодами. Журн. ВХО. 1979. Т. 24. 5. C. 445–454.

6. Костиков Р.Р., Хлебников А.Ф., Беспалов В.Я. Тео-рия простейших карбеновых реакций. Журн. ВХО.1979. Т. 24. 5. C. 438–445.

7. Политанский С.Ф. Перспективы применения кар-беновых реакций в промышленном органическомсинтезе. Журн. ВХО. 1979. Т. 24. 5. C.529–536.


8ГОМБЕРГ, Мозес (1866–1947) — профессор Мичиганскогоуниверситета (США), открыл свободные радикалы, создал анти-фриз для автомобилей.

2CH3CH= CH2

LnM= CHR

M = W, Mo, ReCH3CH= CHCH3 + H2C= CH2

2LnM= CHR

(XV)

+ H2C= CH2

CH= CH

(CH2)nn= 410

LnM= CHRCH CH(CH2)n

CH= CH

(CH2)10

CH= CHCH= CH

(CH2)n(CH2)m

WCl6 EtAlCl2 EtOH

(XVI)

CH3

CH3

CH3

CH3

+ RO2CCHN2Cu+

C

C

H

H

3

3

CH3

CH3

CO2R

(XVII)

CH3

CH3

N

N

(XVII )I Т. Пл. 70 С

C

ÌÀÃÌÀÒÈÇÌ ÇÅÌËÈВ.С.ПОПОВ

ВВЕДЕНИЕ

Геология относится к тем естественным наукам, ко-торые не входят в общеобразовательный цикл среднейи высшей школы и изучаются только в специальныхучебных заведениях. Поэтому люди, не являющиесяпрофессиональными геологами, обычно имеют весьмаприблизительные представления о том, как устроенапланета, на которой мы живем, и что происходит в еенедрах. Предлагаемая статья знакомит с одним из наи-более важных геологических процессов — с магмати-ческой деятельностью Земли.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯО МАГМАТИЗМЕ ЗЕМЛИ

Магматизм как природное явление сводится к плав-лению твердого вещества, залегающего на глубине де-сятков и сотен километров от дневной поверхностиЗемли. Возникающие при этом расплавы, или магмы(от греческого magma — густая мазь, тесто), поднима-ются вверх в область меньшего давления, достигая впределе поверхности суши или морского дна при вул-канических извержениях. Затвердевшие расплавы об-разуют магматические горные породы. Геологи разли-чают вулканические породы, затвердевшие на дневнойповерхности или дне водоемов, и интрузивные (внед-ренные) породы, которые кристаллизовались на тойили иной глубине в виде тел различной формы. В даль-нейшем эти тела могут быть подняты, размыты и ста-новятся доступными для наблюдения. Вулканическиепороды составляют лишь около 10% всей массы магма-тических расплавов, а интрузивные — 90%.

Вулканические и интрузивные породы сходного хи-мического и минерального составов отличаются строе-нием. Лавовые потоки, которые образуются при вулка-нических извержениях, имеют небольшую толщину(метры — десятки метров) и затвердевают очень быст-ро, в течение нескольких часов или суток. При этом илиуспевают вырасти только очень мелкие кристаллы, илирасплав вообще не кристаллизуется, а превращается ввулканическое стекло — переохлажденную жидкостьаморфного строения. Крупные интрузивные тела, до-стигающие километров в поперечнике и залегающие набольшой глубине, кристаллизуются в течение сотен итысяч лет с образованием крупнозернистых кристалли-ческих структур.

Вулканические и интрузивные породы составляютне менее 90% современной земной коры, а глубже 10—30км верхняя оболочка Земли целиком состоит из магма-

Магматические гор-ные породы — за-твердевшие распла-вы, вынесенные изглубин Земли, — пре-обладают во внешнейоболочке нашей пла-неты. В статье рас-смотрено глубинноестроение Земли, ме-ханизм зарождения,подъема и затверде-вания магм, их физи-ческие свойства, атакже методы изуче-ния магматическихпород и процессов.

Ingeous rocks — thesolidified melts, whichcome from the Earth’sinterior — prevail withinthe external shell of ourplanet. The deep struc-ture of the Earth, themechanism of magmageneration, uplift andsolidification, physicalproperties of magmaticrock and processes arediscussed.

Московская государственная геологоразведочная академия

S U M M A R Y


© По

пов В.С.

, 199

5

7 5

тического материала, поступавшего с еще большейглубины.

Cудя по возрасту магматических пород, обнажен-ных на современной поверхности Земли, наша плане-та была магматически активной на протяжении всейсвоей истории. Извержения вулканов, происходящиена глазах человека, служат прямым доказательствомсохранения магматической активности вплоть до на-ших дней. Сегодня на Земле известно более 500 дейст-вующих вулканов, а в недалеком геологическом про-шлом их было еще больше. Вулканические изверже-ния, даже относительно слабые, представляют впечат-ляющее зрелище, и, как заметил Ю.М.Дубик, долгоизучавший вулканы Камчатки, “вулканологу никогдане придет в голову назвать человека царем природы”.

Cовременные вулканы распределены на Земле не-равномерно. Наряду с относительно узкими зонамиповышенной магматической активности известны об-ширные пространства, где последние вулканическиеизвержения происходили сотни миллионов лет назад ивряд ли возобновятся в будущем. Максимальное коли-чество действующих вулканов сосредоточено в так на-зываемом огненном кольце по краям Тихого океана, ккоторому относятся, в частности, Камчатка и Куриль-ские острова. Часть вулканов расположена вдоль круп-ных расколов земной коры внутри континентов (Вос-точная Африка) и в центральных частях океанов (Га-вайские острова).

Статистика показывает, что в течение последних180 млн лет на поверхность Земли ежегодно выноси-лось в среднем 30 км3 вулканического материала. Око-ло 75% вулканических пород накапливалось на днеокеанов, 20% — на островах в зонах перехода от океа-нов к континентам и только 5% на суше. Следует обра-тить внимание на то, что на дне океанов под тонкимслоем глубоководных осадков всюду залегают вулка-нические породы — базальты; суммарная толщина ла-вовых потоков достигает 1—3 км. Если учесть, чтоокеаны составляют 71% поверхности Земли, нетрудноподсчитать, что примерно 3/4 вулканических породприходится на базальтовые плащи, подстилающие оке-аны. Речь идет о средних статистических оценках, от-носящихся к земному шару в целом. Объем вулканиче-ских пород, связанных с отдельными крупными цент-рами наземных извержений, также может быть оченьвелик. Например, в Йеллоустонском национальномпарке в США за последние 2 млн лет накоплено около5000 км3 изверженного материала.

Интрузивные тела, образованные в геологическомпрошлом и выведенные сейчас на поверхность, разно-образны по форме и размерам. Можно видеть как мел-кие пластинообразные инъекции — магматическиежилы, заполняющие отдельные трещины (их называ-ют дайками), так и очень крупные тела, называемыеплутонами и батолитами. Например, в Южной Афри-ке обнажен знаменитый Бушвельдский плутон, дости-

гающий 400 км в поперечнике при вертикальной про-тяженности 8 км (объем 100000 км3), а в Зимбабвепротягивается не менее знаменитая Великая дайкадлиной 530 км при ширине около 10 км. Ангаро-Витим-ский батолит в Забайкалье занимает объем 1,5 млн км3,а батолит, обнаженный в Береговой Кордильере Перу, —1,0 млн км3.

Таким образом, магматическая деятельность — эточрезвычайно мощный природный процесс, которыйиграет ведущую роль в геологическом развитии Зем-ли, особенно в формировании ее внешней оболочки.

МАГМАТИЗМ РАННЕЙ ЗЕМЛИ

Обратимся к самому началу геологической исто-рии. Наиболее древние магматические породы, извест-ные на Земле, имеют возраст 3,8 млрд лет. В осадоч-ных породах примерно такого же возраста обнаруже-ны обломочные зерна минерала циркона (ZrSiO4), со-держащего примесь U, Th, Pb. По соотношению ра-диогенных изотопов этих элементов установлено, чтозерна циркона являются продуктом размыва магмати-ческих пород с возрастом 4,1—4,3 млрд лет. Еслиучесть, что возраст Солнца оценивается в 5 млрд лет, авозраст Земли как планеты — в 4,5 млрд лет, можно за-ключить, что магматическая деятельность началасьодновременно с возникновением нашей планеты. Бо-лее того, математические модели формирования Землиприводят к выводу, что на завершающей стадии накоп-ления протопланетного вещества или сразу после за-вершения этого процесса внешняя оболочка Земли доглубины в несколько сотен километров была расплав-ленной и представляла глобальный магматическийокеан. Последующее затвердевание этого океана при-вело к образованию твердых внешних оболочек Земли,а выделение летучих компонентов, растворенных вокеане магмы, — к возникновению атмосферы и гид-росферы. Если это так, то ранний магматизм можнорассматривать как главный процесс, определившийсовременный лик Земли, и все, что происходило наЗемле на протяжении последующих четырех миллиар-дов лет, является лишь слабым отголоском исключи-тельно мощных ранних магматических процессов.

ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Одной из основ геологического познания являетсяметод актуализма — сравнение геологического про-шлого с тем, что происходит на Земле сейчас. Для то-го чтобы понять механизм магматических явлений, об-ратимся к глубинному строению современной Земли.

Даже относительно небольшие глубины, измеряе-мые первыми километрами, как правило, недоступныдля прямого наблюдения, и о строении глубоких час-тей Земли судят главным образом по характеру физи-ческих полей — гравитационного, магнитного, элект-

Попов В.С. Магматизм Земли

7 6

рического. Весьма эффективными являются такжесейсмические методы, которые изучают распростране-ние упругих волн в глубинах Земли. Такие волны воз-никают как при землетрясениях, так и при искусствен-ных взрывах. Специальные приборы, установленныепо определенной сети, фиксируют время прохожденияупругих волн сквозь горные породы, а также эффектыпреломления и отражения волн на границах слоев сразными физическими свойствами. Результаты изме-рений обрабатываются с помощью мощных компьюте-ров и интерпретируются с учетом физических свойствгорных пород. Современная сейсмическая томографиявыявляет неоднородности глубинного строения Землидо глубины нескольких сотен километров.

Единственным источником прямой информации осоставе горных пород, залегающих на глубине десят-ков и сотен километров, служат их обломки, выноси-мые магматическими расплавами при изверженияхвулканов и формировании интрузивных тел.

Геофизические данные и результаты изучения глу-бинных включений свидетельствуют о том, что нашапланета состоит из нескольких оболочек с различнымифизическими свойствами, изменение которых отража-ет как смену химического состава вещества с глуби-ной, так и изменение его агрегатного состояния какфункции давления. Cамая верхняя оболочка Земли —земная кора — под континентами имеет среднюю тол-щину около 40 км (25—70 км), а под океанами — все-го 5—10 км (без слоя воды, составляющего в среднем4,5 км). За нижнюю кромку земной коры принимаетсяповерхность Мохоровичича — сейсмический раздел,на котором скачкообразно увеличивается скорость рас-пространения продольных упругих волн с глубиной от6,5—7,5 до 8—9 км/с, что соответствует увеличениюплотности вещества от 2,8—3,0 до 3,3 г/см3.

От поверхности Мохоровичича до глубины 2900 кмпростирается мантия Земли; верхняя наименее плот-ная зона толщиной 400 км выделяется как верхняямантия. Интервал от 2900 до 5150 км занят внешнимядром, а от этого уровня до центра Земли, т.е. от 5150до 6371 км, находится внутреннее ядро. Как полагают,внутреннее ядро образовано твердым никелистым же-лезом и содержит до 15% более легкого материала, ко-торый отождествляют с серой, кремнием или кислоро-дом. Внешнее ядро также является металлическим (су-щественно железным), но в отличие от внутреннегоядра металл находится здесь в жидком состоянии и непропускает поперечные упругие волны. Конвективныетечения в металлическом внешнем ядре являются при-чиной формирования магнитного поля Земли.

Мантия Земли состоит из силикатов: соединенийкремния и кислорода с Mg, Fe, Ca. В верхней мантиипреобладают перидотиты — горные породы, cостоя-щие преимущественно из двух минералов: оливина(Fe,Mg)2SiO4 и пироксена (Ca, Na)(Fe,Mg,Al)(Si,Al)2O6.Эти породы содержат относительно мало (< 45 мас.%)

кремнезема (SiO2) и обогащены магнием и железом.Поэтому их называют ультраосновными и ультрамафи-ческими.

Выше поверхности Мохоровичича в пределах кон-тинентальной земной коры преобладают силикатныемагматические породы основного и кислого составов.Основные породы содержат 45—53 мас.% SiO2. Кромеоливина и пироксена в состав основных пород входитCa–Na полевой шпат — плагиоклаз CaAl2Si2O8 —NaAlSi3O8. Кислые магматические породы предельнообогащены кремнеземом, содержание которого возра-стает до 65—75 мас.%. Они состоят из кварца SiO2,плагиоклаза и K–Na полевого шпата (K,Na)AlSi3O8.Наиболее распространенной интрузивной породой ос-новного состава является габбро, а вулканической по-родой — базальт. Среди кислых интрузивных породчаще всего встречается гранит, a вулканическим ана-логом гранита является риолит.

Таким образом, верхняя мантия состоит из ультра-основных и ультрамафических пород, а земная кораобразована главным образом основными и кислымимагматическими породами: габбро, гранитами и ихвулканическими аналогами, которые по сравнению сперидотитами верхней мантии содержат меньше маг-ния и железа и вместе с тем обогащены кремнеземом,алюминием и щелочными металлами. Под континен-тами основные породы сосредоточены в нижней частикоры, а кислые породы — в верхней ее части. Под оке-анами тонкая земная кора почти целиком состоит изгаббро и базальтов.

Твердо установлено, что основные породы, которыепо разным оценкам составляют от 75 до 25% массыконтинентальной коры и почти всю океаническую ко-ру, были выплавлены из верхней мантии в процессемагматической деятельности. Кислые породы обычнорассматривают как продукт повторного частичногоплавления основных пород в пределах континенталь-ной земной коры. Перидотиты из самой верхней частимантии обеднены легкоплавкими компонентами, пере-мещенными в ходе магматических процессов в земнуюкору. Особенно “истощена” верхняя мантия под конти-нентами, где возникла наиболее толстая земная кора.

МЕХАНИЗМ ЗАРОЖДЕНИЯ МАГМ

Судя по распространению упругих волн и другимфизическим характеристикам, современная кора имантия Земли находятся в твердом состоянии. Жид-кие магматические расплавы возникают сейчас и воз-никали в не очень далеком геологическом прошломлишь эпизодически и на локальных участках. Извест-ные на Земле интрузивные и вулканические породысвязаны с источниками, которые расположены в ин-тервале глубин от 15 до 250 км. С самыми глубинны-ми мантийными источниками (150—250 км) сопряже-ны алмазоносные кимберлиты. Возможно, перидоти-


7 7

ты верхней мантии испытывают плавление и глубже,но возникающие при этом расплавы не достигают до-ступных для наблюдения глубин. Основные породы —базальты и габбро — также зарождаются в верхнеймантии. Под континентами источники этих пород на-ходятся на глубине 50—150 км, а под океанами — воз-можно, и выше.

Материал континентальной земной коры сам неод-нократно испытывал плавление с образованием разно-образных вторичных магм, главным образом кислых.Наименее глубинные коровые магматические очагинаходятся на глубине около 15 км; с ними связанымногие гранитные плутоны.

По сравнению с радиусом Земли (6371 км) интервалглубин, где происходит магмообразование (250—15 км),представляет тонкую приповерхностную пленку. Вы-сказаны гипотезы о возможности существования зна-чительно более глубоких источников магм вплоть дограницы мантии и ядра. Однако реальность подобныхпредположений сомнительна, так как на столь боль-ших глубинах температура плавления вещества ман-тии сильно превышает температуру природных магми, кроме того, неясен механизм перемещения магмати-ческих масс на тысячи километров в обстановке ог-ромного всестороннего сжатия.

Существуют три главных механизма зарождениямагм в верхней мантии и земной коре (рис. 1). Наибо-лее универсальным является нагревание выше темпе-ратуры плавления глубинного вещества, т.е. выше тем-пературы солидуса (см. рис. 1, а). Конкретные источ-ники тепла известны лишь для коровых магматиче-ских очагов, которые возникают под тепловым воздей-ствием мантийных магматических масс, нагретых довысокой температуры. Причины эпизодического и ло-кального нагрева самого мантийного вещества во мно-гом остаются неясными. Обычно нагрев связывают свыделением тепла при радиоактивном распаде U, Th,K; однако надо иметь в виду, что эти элементы сосре-доточены в коре, а мантия бедна ими. Рассчитаны фи-зические модели, связывающие нагрев глубинного ве-щества с выделением тепла от трения при пластиче-ских деформациях.

Другим возможным механизмом зарождения магмслужит адиабатический (почти изотермический) подъ-ем нагретого вещества, при котором на некоторой глу-бине достигается температура солидуса (см. рис. 1, б).Этот механизм реализуется при быстром (в геологиче-ском масштабе времени) перемещении крупных масснагретого и пластичного глубинного материала.

Третий механизм связан с дегидратацией гидро-ксилсодержащих минералов, имеющихся в горных по-родах. Распространенными минералами такого родаявляются, например, слюды, которые при нагреваниивыделяют до 4 мас.% воды. Если в магматическом ис-точнике имеется вода, то температура плавления сили-катного вещества понижается на десятки и сотни гра-

Рис. 1. Механизмы плавления, приводящие к образованиюмагм. Здесь Т — температура, р — давление; солидус — ли-ния, отделяющая условия существования твердого вещест-ва (слева от линии) и частично расплавленного вещества(справа от линии). Еще правее расположена параллельнаялиния ликвидуса (на чертеже не показана), которая отделя-ет частично расплавленное вещество (смесь расплава и кри-сталлов) от гомогенного расплава. (а) Плавление путем нагревания при постоянном давлении:1 — твердое вещество, 2 — частично расплавленное. (б) Плавление путем адиабатического (почти изотермиче-ского) подъема: 1 — твердое вещество, 2 — частично рас-плавленное. (в) Плавление при дегидратации гидроксилсодержащего ми-нерала: S1 — солидус при отсутствии воды, S2 — солидус на-сыщенного водой расплава; D — кривая дегидратации мине-рала. При нагревании на уровне р1 в точке d происходит раз-ложение минерала с выделением воды, которая растворяет-ся в насыщенном водой расплаве в точке 2. Если нагреваниеосуществляется на уровне р2, то дегидратация происходитв точке 2′, и при этой температуре образуется расплав, со-держащий растворенную воду, но не насыщенный ею. В обо-их случаях наличие воды значительно понижает темпера-туру плавления по сравнению с “сухим” солидусом S1.


7 8

дусов. Чем больше давление, тем больше воды можетраствориться в силикатном расплаве и тем ниже тем-пература, при которой расплав может оставаться вжидком состоянии. В отличие от “сухих” систем, несодержащих воды, насыщенные водой магматическиерасплавы характеризуются не положительным, а отри-цательным наклоном линии солидуса в рТ-координа-тах (см. рис. 1, в). Если в глубинном веществе имеют-ся гидроксилсодержащие минералы, то при нагрева-нии они разлагаются с выделением воды, которая рас-творяется в возникающем магматическом расплаве.

При любом способе плавления на начальной стадиипроцесса возникает очень мало магматической жидко-сти, и источник остается в эффективно твердом состо-янии, представляя пористую среду, состоящую из меж-зернового расплава и твердого каркаса, еще не подверг-шегося плавлению. В ходе дальнейшего плавления ко-личество жидкой фазы возрастает, и наступает такоймомент, когда источник превращается в эффективножидкую магматическую суспензию — расплав с за-ключенными в нем тугоплавкими кристаллами. Приэтом механическая устойчивость магматического очагарезко падает, и суспензия выжимается в область низко-го давления. Переход от твердого состояния к жидкомупроисходит при условии, что доля расплава достигаетпримерно 40 объемн.%.

В природных магматических очагах доля жидкойфазы обычно не превышает 20—30%, а во многихслучаях составляет всего несколько процентов и ме-нее. Другими словами, магмообразование почтивсегда сводится не к полному, а лишь к частичномуплавлению мантийного или корового вещества. За-метим, что даже при минимальных степенях плавле-ния система пор, заполненных расплавом, оказыва-ется связанной тончайшими межзерновыми канала-ми, и магматическая жидкость может быть выжата изтвердого каркаса.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГМИ МЕХАНИЗМ ИХ ПОДЪЕМА

Почти все магмы и возникающие при их затвердева-нии магматические горные породы имеют силикатныйсостав. Значительно реже и в несоизмеримо меньшем ко-личестве образуются несиликатные магмы, напримеркарбонатные. Последние являются продуктами частич-ного плавления карбонатизированных перидотитов верх-ней мантии, устойчивых на глубине более 80 км. Извест-ны интрузивные карбонатиты магматического проис-хождения, состоящие из CaCO3, CaMg(CO3)2, MgCO3,(Na,K)2CO3, а в Танзании один из современных вулкановизвергает лавы, близкие по составу к соде. Однако этипороды являются геологической экзотикой. Почти всевулканические и интрузивные породы состоят из силика-тов — кислородсодержащих соединений кремния.

Температура силикатных магм в момент зарожде-ния варьирует от 1800—1600 до 600—500 °C. Макси-мальные оценки относятся к наиболее глубинным уль-траосновным расплавам, возникающим при плавленииперидотитов верхней мантии, а минимальные — кнаименее глубинным кислым магмам, образованным вземной коре и обогащенным водой или фтором, кото-рые значительно понижают температуру плавления. Плотность жидких магм равна 2,2—3,0 г/см3 и

примерно на 10% ниже, чем плотность твердых породсоответствующего состава. Максимальная плотностьхарактерна для глубинных мантийных магм, которыеоказываются более плотными (тяжелыми), чем веще-ство континентальной земной коры (2,7—2,8 г/см3).

Важное значение имеет вязкость магм — свойство,определяющее их подвижность (текучесть). Вязкостьмагматических расплавов, которая зависит от составаи температуры, варьирует от 1 до 108 Па·с. Наимень-шей вязкостью (наибольшей подвижностью) обладаютвысокотемпературные магмы ультраосновного и ос-новного составов, а наибольшая вязкость характернадля кислых магм, возникающих при относительнонизкой температуре. Для сравнения заметим, что вяз-кость воды при комнатной температуре равна 10-3 Па·с,а эффективная вязкость твердого вещества коры и вер-хней мантии достигает 1018—1023 Па·с.

Поскольку расплав легче, чем твердые породы (раз-ность плотностей составляет около 0,5 г/см3), а еговязкость на 10—20 порядков ниже, магматическиеочаги механически неустойчивы, и расплав, возникаю-щий при частичном плавлении, выжимается из связ-ной системы межзерновых пор, наподобие того, каквыжимается вода из рыхлого осадка на дне моря илиозера. (В том и другом случае жидкость выталкиваетcяиз пор под действием силы тяжести.) В результате это-го расплав накапливается в верхней части области за-рождения магм, а твердый остаток — в нижней. Какпоказывают расчеты, магматический расплав просачи-вается вверх со скоростью, измеряемой несколькимисантиметрами или метрами в год.

Cкопления относительно легкой жидкости облада-ют некоторым избыточным давлением и начинаютпробивать путь наверх самостоятельно, раздвигаястенки ранее существовавших трещин и заполняя пло-ские и линзообразные трещинные каналы. При этомскорость подъема не очень вязких магм может дости-гать километров и даже десятков километров в час.

Глубина, до которой может подняться расплав, оп-ределяется общим его количеством, соотношениемплотностей расплава и вмещающих твердых пород, атакже соотношением между температурой и содержа-нием растворенной в расплаве воды.

Чем глубже зарождаются магмы, тем обычно мень-ше степень частичного плавления и меньше общаямасса возникшего расплава. По-видимому, многие ма-лые выплавки не достигают приповерхностной зоны и


7 9

затвердевают на относительно небольшом расстоянииот места зарождения.

Магмы, возникшие выше поверхности Мохорови-чича, легче, чем материал земной коры, и такие рас-плавы сохраняют шанс достичь дневной поверхности.Плотность расплавов мантийного происхождения мо-жет быть выше, чем плотность твердых пород, образу-ющих земную кору, и такие расплавы могут не дойтидо поверхности. Расплав остановится, когда положи-тельное избыточное давление, накопленное в столберасплава ниже поверхности Мохоровичича, будет ком-пенсировано отрицательным избыточным давлениемвыше этого уровня. Очевидно, что при прочих равныхусловиях магмы, связанные с более глубинными ман-тийными источниками, могут подняться выше, чемрасплавы, образованные непосредственно под нижнейкромкой земной коры (рис. 2).

Поскольку температура плавления силикатного ве-щества, не содержащего воды, уменьшается по мере

снятия давления, относительно легкий “сухой” рас-плав может достичь дневной поверхности. Если жерасплав содержит растворенную воду, то предельнаявысота подъема определяется линией солидуса для на-сыщенного водой расплава (рис. 3), и водосодержащиемагмы, не сильно перегретые относительно солидуса,затвердевают в виде интрузивных тел, не доходя додневной поверхности. Соотношения, показанные нарисунке 3, находят прямое геологическое подтвержде-ние: среди основных пород, образованных при затвер-девании практически безводных высокотемператур-ных (~1200 °C) расплавов, преобладают вулканиче-ские породы — базальты, а среди кислых пород, воз-никших при затвердевании водосодержащих магм, на-гретых не более чем на 800—900 °C, наиболее распро-странены интрузивные породы — граниты.

Рис. 2. Возможная высота подъема магматического расплавас плотностью ρ2, который возникает в верхней мантии(показана сиреневым цветом), имеющей плотность ρ1 > ρ2, ипроникает в земную кору (розовая) с плотностью ρ3 < ρ2.Если h1(ρ1 – ρ2) = h2(ρ3 – ρ2), то h2 = h1(ρ1 – ρ2)/(ρ3 – ρ2), т.е. чемглубже зарождается расплав в верхней мантии (больше h1),тем выше он может проникнуть в земную кору (больше h2).

Рис. 3. Возможная высота подъема расплава, не содержаще-го воды, и расплава, содержащего воду. Здесь Т — температу-ра, р — давление, S1 — солидус при отсутствии воды, S2 —солидус расплава, содержащего воду, S3 — солидус расплава,насыщенного водой. Если частично расплавленное вещест-во, не содержащее воды, нагрето выше температуры солиду-са (точка 1), то расплав всегда сохраняет шанс достичьдневной поверхности (без учета соотношения плотностей,показанных на рис.2). Если расплав в точке 2 содержит не-которое количество воды, то при подъеме до уровня С (точ-ка 2′) он становится насыщенным ею; при дальнейшемподъеме вода выделяется в виде пузырьков надкритическогофлюида (“пара”). В точке 2′′ расплав затвердевает, не дохо-дя до поверхности Земли.


8 0

ЗАТВЕРДЕВАНИЕ МАГМАТИЧЕСКИХРАСПЛАВОВ

Высокая скорость подъема является причиной того,что расплавы начинают затвердевать, лишь достигнувдневной поверхности или заполнив какую-либо про-межуточную камеру на глубине. Форма и размер воз-никающих при этом кристаллов определяется сте-пенью переохлаждения расплава относительно равно-весной температуры кристаллизации, что, в свою оче-редь, зависит от темпа охлаждения. При быстром ос-тывании магматических тел достигается высокая сте-пень переохлаждения, и в этих условиях вместо хоро-шо ограненных кристаллов появляются скелетныеформы причудливых очертаний. О том, что такое ске-летный кристалл, можно судить по форме снежинок,которые представляют скелетные кристаллики льда.

При кристаллизации магматических расплавов сна-чала возникают точечные зародыши кристаллов, кото-рые затем увеличиваются в размерах. Линейные раз-меры кристаллов определяются соотношением скоро-стей образования зародышей (количеством зародышейв единице объема в единицу времени) и их последую-щего роста (приращение длины или ширины кристал-ла в единицу времени). Обе скорости являются функ-циями переохлаждения расплава (∆Т) и достигают экс-тремума при определенных величинах ∆Т (рис. 4). Прималом переохлаждении скорость возникновения заро-дышей мала, а скорость их роста велика; в результатевозникают крупнозернистые кристаллические агрега-ты, состоящие из относительно небольшого числакрупных кристаллов. При значительном переохлажде-нии скорость образования зародышей достигает мак-симума, а скорость роста каждого зародыша падает;

как следствие этого формируются мелкозернистыемагматические породы. Максимальное переохлажде-ние достигается при затвердевании тонких лавовыхпотоков, а минимальное — при кристаллизации круп-ных интрузивных тел. Отсюда и разница в структуревулканических и интрузивных пород.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХПОРОД И ПРОЦЕССОВ

Живые проявления магматизма можно изучатьлишь при современных вулканических извержениях.Наблюдения активных вулканов на протяжении мно-гих лет ведутся на Камчатке, в Японии, на Гавайскихостровах и в других местах. Однако наибольший объ-ем информации о магматических процессах полученпутем изучения состава, строения и условий залеганиямагматических пород, образованных в геологическомпрошлом. Описательный раздел науки о магматиче-ских горных породах называется петрографией, а ге-нетический раздел, рассматривающий происхождениеизверженных пород, — петрологией.

Изучение магматических пород начинают в поле-вых условиях геологических экспедиций, когда выяс-няются условия залегания пород и устанавливаетсяпоследовательность их формирования. Результатомполевых наблюдений является геологическая карта,которая представляет собой топографическую основус нанесенными на нее выходами пород разного соста-ва и возраста. Для специалиста это очень важный до-кумент, содержащий большой объем геологическойинформации. Обзорные геологические карты мелкогомасштаба (в 1 см 10—100 км) охватывают огромныетерритории стран и материков, а карты более крупно-го масштаба (в 1 см 2,0—0,5 км и крупнее) составля-ются для локальных площадей. Геологические на-блюдения дополняются изучением физических полейи анализом распространения упругих волн в недрахЗемли.

Много нового стало известно благодаря междуна-родным и национальным программам глубокого исверхглубокого бурения в океанах и на континентах.Со специальных кораблей в океане пробурены сотнискважин. Самая глубокая из них, пройденная у береговКоста-Рики (Центральная Америка), углубилась в ба-зальты океанского дна на два километра. Самая глубо-кая скважина на континенте пробурена в России наКольском полуострове — ее глубина составляет 12,2 км.На базе этой скважины создана постоянно действую-щая лаборатория по изучению недр Земли.

При проведении полевых работ и бурении скважинотбираются образцы магматических и других горныхпород для исследования в специальных лабораториях.Комплекс исследований начинается с изготовления про-зрачных пластинок горных пород толщиной 0,03 мм,которые изучаются с помощью поляризационного

Рис. 4. Зависимость скорости (V) образования зародышейкристаллов (пунктир) и скорости роста зародышей (сплош-ная линия) от переохлаждения расплава относительнотемпературы равновесного ликвидуса (∆Т). В области 1, гдескорость образования зародышей невелика, а скорость ростамаксимальна, образуются редкие крупные кристаллы. В об-ласти 2 возникает множество мелких кристаллов, а в обла-сти 3 кристаллизация затруднена — здесь возможно появ-ление вулканического стекла (аморфной переохлажденнойжидкости).


8 1

микроскопа. Впервые этот прибор был применен в се-редине прошлого века и буквально произвел револю-цию в петрографии, поскольку под микроскопом уда-лось увидеть несравнимо больше, чем невооруженнымглазом или с помощью лупы. Так как большая частькристаллов оптически анизотропна и обладает свойст-вом двойного лучепреломления, то при прохожденииполяризованного света сквозь кристаллическое веще-ство возникают явления интерференции и другие оп-тические эффекты, которые используются для диагно-стики минералов. Под микроскопом очень хорошовидна структура кристаллических агрегатов.

Вторая революция в петрографии произошла в 60-хгодах ХХ века, когда стали применяться рентгено-спектральные микроанализаторы, которые иначе на-зывают электронными микрозондами. Тонкий лучэлектронов падает на полированную поверхность об-разца и вызывает рентгеновское излучение возбуж-денных атомов исследуемого минерала. По характерурентгеновских спектров можно за несколько минутузнать химический состав минерала на очень маломучастке — фактически в точке. Применение этогоприбора вывело изучение минералов и пород на каче-ственно новый уровень по сравнению с тем, что мо-жет быть получено только с использованием поляри-зационного микроскопа.

Круг лабораторных методов, применяемых в совре-менной петрографии и петрологии, весьма широк:электронные анализаторы микроскопических изобра-жений, разнообразные способы определения очень ма-лых концентраций элементов-примесей в минералах ипородах, изучение изотопного состава химическихэлементов, исследование микровключений затвердев-ших расплавов, захваченных во время роста кристал-лов, и многое другое.

Высокого уровня достигла экспериментальная пет-рология. Процессы зарождения, последующей эволю-ции и кристаллизации магматических расплавов вос-производятся в лабораториях при высоких температу-рах и давлениях. Современное оборудование позволя-ет ставить опыты при температуре до 2000 °С и придавлении около 20 ГПа, что позволяет судить о при-родных магматических процессах, протекающих наглубинах в сотни километров.

Используя результаты полевых и лабораторных на-блюдений, разнообразных анализов и опытов, можно спомощью компьютеров обосновывать и рассчитыватьмодели природных магматических процессов с такойопределенностью и надежностью, которые еще недав-но казались недостижимыми. Благодаря большомуобъему геологической информации, накопленной замногие десятилетия, и использованию новейшей аппа-ратуры и аналитических технологий, современноеучение о магматических горных породах превратилосьв точную науку, которая стала одной из наиболее раз-витых геологических дисциплин.


Вы познакомились с некоторыми характеристикамимагматизма — геологического процесса, который имелпервостепенное значение на протяжении миллиардовлет и во многом определяет современный лик Земли.Хотя геология знает достаточно много о магматиче-ских горных породах и процессах, приводящих к ихпоявлению, еще больше предстоит выяснить в буду-щем. Если вас заинтересовало введение в проблему,вы можете получить дополнительную информацию омагматизме из учебников по общей геологии [1–3] икниг, посвященных современному вулканизму [4–8].Знакомство с этой литературой не требует специаль-ной подготовки, и она вполне доступна для учителей ишкольников старших классов.

ЛИТЕРАТУРА 1. Аллисон А., Палмер Д. Геология. М.: Мир, 1984. 2. Ершов В.В., Попова Г.Б., Новиков А.А. Основы гео-логии. М.: Недра, 1994.

3. Короновский Н.В., Якушева А.Ф. Основы геологии.М.: Высшая школа, 1991.

4. Макдоналд Г.А. Вулканы. М.: Мир, 1975. 5. Мархинин Е.К. Вулканизм. М.: Недра, 1985. 6. Тазиев Г. Кратеры в огне. Вода и пламень. Встречис дьяволом. Этна и вулканологи. М.: Мысль, 1976.

7. Тазиев Г. Запах серы. М.: Мысль, 1980. 8. Тазиев Г. На вулканах: Суфриер, Эребус, Этна. М.:Мир, 1987.


Почему сложно делатьдолгосрочные прогно-зы погоды и предска-зывать изменения кли-мата Земли? Потомучто Земля представ-ляет собой весьмасложную самооргани-зующуюся системуприродных сред (океан,атмосфера, суша,льды, биосфера), меж-ду которыми действу-ет огромное количе-ство обратныхсвязей. Многие явле-ния самоорганизацииприродных сред ужеизучены, но процессывзаимодействия при-родных сред таят всебе еще много неоп-ределенностей, кото-рые и обсуждаются встатье.

Why is it so difficult to doa lengthy forecast of theweather and to predictpossible climate-ecologi-cal changes of theEarth? What processesdemonstrate variousuncertainties in the natu-ral system of the Earth?These and several otherproblems are consideredin this article.

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И САМООРГАНИЗАЦИЯПРИРОДНЫХ СРЕД

Едва освоив околоземное пространство и увидев из космоса гран-диозную картину перемещений воздушных и водных масс, человече-ство тут же вообразило, что теперь в его руках есть все необходимоедля долговременного прогнозирования погоды и предсказания кли-мато-экологических изменений. Последующее развитие исследова-ний Земли из космоса действительно подтвердило высокую эффек-тивность метеонаблюдений со спутников для краткосрочных прогно-зов погоды (до 3–7 дней). Однако надежды на быстрый прогресс в от-ношении долговременных прогнозов погоды (до 10–20 дней) и темболее в отношении прогноза климата в значительной мере оказалисьпреждевременными.

Теперь мы понимаем, что Земля – это чрезвычайно сложная са-моорганизующаяся система. Эволюция этой системы определяется,с одной стороны, взаимодействием составляющих ее природныхсред, к которым традиционно относят атмосферу, гидросферу, крио-сферу, биосферу и литосферу, а с другой стороны – непрерывнымвоздействием на нее человека. Сложность климато-экологическойсистемы заставляет искать нестандартные подходы к выявлениюэволюционных трендов. Основополагающая тенденция современ-ных исследований заключается в развитии целостного похода к про-блеме, когда различные природные явления выступают как состав-ные части единого климато-экологического процесса, в котором,как часто говорят, все влияет на все, поэтому отдельные явлениябывает трудно, а иногда даже невозможно понять вне целостногоподхода. Такой подход лишь недавно стал доминировать в анализеприродных систем. В качестве примеров укажем книгу [1] и концеп-туально важную книгу [2].

Разумеется, милый сердцу физиков альтернативный подход, осно-ванный на поиске упрощенных частных моделей, еще не исчерпал вгеофизике свой потенциал, но в сложных системах, подобных клима-ту Земли, подход “от частного к общему” не может рассчитывать набезусловный успех, как это неоднократно бывало в прошлом. Свое-образие нынешнего состояния в климатологии состоит в том, чтопростые модели уже не в состоянии описать наблюдаемые сложныеявления, в то время как сложные модели часто приводят к неустойчи-вым численным схемам и поэтому еще не могут вскрыть глубинныепроцессы, определяющие эволюцию климата. Недостаточная эффек-тивность численного анализа обычно связана не только с ограничен-ной мощностью компьютеров и неустойчивостью численных схем,но и с нехваткой экспериментальных данных, относящихся к гло-бальным процессам.

В этой статье автор не ставит перед собой задачу дать ретроспек-тивный критический обзор развития представлений о процессах само-организации климата на Земле. Наша задача более скромная и болееконкретная – проанализировать неопределенности в моделях клима-

Ю.А.КРАВЦОВ

ÇÅÌËß ÊÀÊ ÑÀÌÎÎÐÃÀÍÈÇÓÞÙÀßÑßÊËÈÌÀÒÎ-ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÀß ÑÈÑÒÅÌÀ

Московский педагогический государственный университет

S U M M A R Y


© Кравцов Ю

.А.,

1995

8 3

тических процессов, которые мешают понять характервзаимосвязей в единой климатической системе.

2. ОСНОВНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИВ ЗЕМНОЙ КЛИМАТОЭКОЛОГИЧЕСКОЙСИСТЕМЕКомплекс климато-экологических явлений, обус-

ловленных взаимодействием природных сред Земли,представляет собой, пожалуй, самый сложный и, дапростят мне коллеги из других областей физики, са-мый важный объект научных исследований, посколь-ку речь идет о среде обитания всего человечества.Сложность климато-экологического комплекса под-черкивается еще и тем, что он включает в себя такуюизменчивую и уязвимую подсистему, как биосфераЗемли.

К настоящему времени лучше всего изучены и опи-саны аэро- и гидродинамические процессы, порожда-емые солнечным облучением Земли. Фактически речьидет о работе гигантской тепловой машины, котораяприводит в движение огромные массы воздуха и водыза счет неравномерного нагрева поверхности Земли.Области, примыкающие к экватору, характеризуютсяположительным радиационным балансом: поверх-ность Земли получает здесь больше энергии в корот-коволновой части электромагнитного спектра (услов-но в диапазоне волн короче 4 мкм), чем теряют вдлинноволновой части (волны длиннее 4 мкм). В про-тивоположность этому приполярные районы излуча-ют в космическое пространство энергии больше, чемприобретают от Солнца, то есть характеризуются от-рицательным радиационным балансом. Выравнива-ние температур на экваторе и на полюсах порождаетциркуляционные потоки воздуха (рис.1), которые от-ражают процесс самоорганизации в атмосфере. Ре-зультатом этого процесса является установление ши-ротного профиля температур, согласованного как спритоком тепла от Солнца, так и с потерями энергиина излучение.

Скорость выравнивания температур по широте за-висит от скорости вращения Земли. Чем больше пере-пад температур, тем больше скорость циркуляцион-ных потоков и тем больше воздействие силы Корио-лиса, которая отклоняет потоки воздуха к востоку. Витоге устанавливается профиль температур, согласо-ванный со скоростью как меридионального, так и дол-готного движения воздуха.

Весьма общие свойства процессов самоорганиза-ции усредненных воздушных потоков в атмосфереЗемли и других планет солнечной системы были вы-явлены Г.С.Голицыным [3]. Модели стационарной ат-мосферной циркуляции служат основой всех последу-ющих усовершенствований.

Океанические циркуляционные потоки, индуциро-ванные поступающей на Землю солнечной энергией(см. рис.1), взаимодействуют с атмосферными потока-

ми и также способствуют выравниванию температурвоздушных масс благодаря высокой теплоемкости во-ды. В то время как воздушные массы свободно пере-мещаются по всем районам земного шара, движениеокеанической воды существенно ограничивается ма-териками, что усложняет проведение расчетов.

Следующие по важности факторы процессов само-регулирования – это облачность в атмосфере и соле-ность вод в океане. Испарение воды с поверхностиокеанов увеличивает концентрацию соли в океаниче-ской воде. Облака, образующиеся преимущественно вэкваториальной зоне, переносят влагу на высокие ши-роты, опресняют воду там, где выпадают осадки, итем самым образуют заметную разницу в соленостиокеанической воды на низких и высоких широтах. Со-леность же существенно влияет на характер океаниче-ской циркуляции, так как более соленая вода тяжелеепресной.

В результате образуются еще два взаимовлияющихциркуляционных процесса: перенос влаги атмосфер-ными потоками и перенос соли океаническими тече-ниями. Оба эти процесса непосредственно связаны сдинамикой континентальных льдов. Попадая в поляр-ные области, облака отдают свою влагу в виде снега,который аккумулируется на континентальных ледни-ках. Рост ледников сопровождается, таким образом,увеличением концентрации соли в океане. Противопо-ложный процесс таяния ледников, наоборот, поставля-ет в океан потоки пресной воды, которые уменьшаютконцентрацию солей. Тем самым ледники становятся

Рис.1. Простейшие процессы самоорганизации природныхсред: солнечное излучение порождает циркуляционные по-токи в атмосфере и в океане.

Кравцов Ю.А. Земля как самоорганизующаяся климато-экологическая система

8 4

активными участниками процесса самоорганизации вкругообороте тепла, воды, соли и атмосферной влаги.

Не менее важный эффект саморегуляции обуслов-лен увеличением альбедо при увеличении облачности –облачность выступает здесь в качестве фактора, за-трудняющего поступление солнечного тепла к поверх-ности океана. Таким образом, облака, возникшие в ре-зультате испарения океанической воды в тропиках, на-чинают препятствовать дальнейшему испарению во-ды. Как следствие этого, замедляется рост соленостивод в экваториальном океане, а это может изменить ха-рактер термохалинной океанической циркуляции.

3. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ В ЗЕМНОЙКЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Кроме упомянутых, имеется множество других,

возможно, более слабых и менее изученных, обрат-ных связей в климато-экологической системе. Взаи-мопереплетение таких связей делает климатическуюсистему Земли единым организмом, в котором изме-нение какого-либо одного звена отзывается пере-стройкой всех остальных звеньев.

К настоящему времени опубликовано множестводиаграмм, характеризующих взаимосвязи между от-дельными факторами и явлениями. К сожалению,каждая из диаграмм отражает лишь часть сущест-венных факторов. Кроме того, на диаграммах зача-стую отсутствуют надежные количественные харак-теристики взаимовлияния, подтвержденные наблю-дательными данными. Мы ограничимся здесь обоб-щенной схемой взаимосвязей (рис.2), включив в неетолько самые важные элементы. Одни элементы ужебыли упомянуты выше, другие (скажем, биосфера)будут обсуждены позже. Элементом X мы обозначи-ли факторы, которые тоже могут оказать заметноевлияние на характер климатических изменений, та-ких, например, как воздействие вод суши нахарактер глобального водообмена.

Приведенная схема требует, очевидно, детализа-ции, когда дело доходит до построения количествен-ных моделей климатических изменений. В этом слу-чае каждый элемент диаграммы расщепляется на от-дельные ячейки по географическим признакам и наотдельные физические составляющие (конкретные га-зовые компоненты в атмосфере, загрязнения на сушеи в океане), а каждая связь между элементами снабжа-ется количественными характеристиками, отражаю-щими нелинейные свойства этих связей.

Вся система взаимодействующих звеньев климато-экологической системы находится под воздействиемпервичного солнечного потока, а также многочислен-ных антропогенных и техногенных факторов, кото-рые также отражены на диаграмме. Для полноты кар-тины на схеме отмечено, что состояние климато-эко-логической системы тоже влияет на антропогенныевоздействия, скажем, через ограниченность природ-

ных ресурсов или через экономические и социальныефакторы.

Общее состояние наших знаний о функциониро-вании климатической системы Земли можно характе-ризовать следующим образом. С одной стороны, на-уки о Земле уже выработали достаточно полноепредставление об основных факторах, диктующихизменения земного климата. Эти представления ос-нованы как на наблюдательных данных, так и на те-оретических моделях. С другой стороны, количест-венные характеристики отдельных связей в природеи даже само существование некоторых связей ещенедостаточно определены, чтобы уверенно предска-зать климатические изменения. Причиной неопреде-ленности служит как нехватка наблюдательных дан-ных, так и высокая степень саморегулирования вприродной системе Земли. Эта система демонстри-рует нам гигантские потоки тепла, океанской воды,воздуха, атмосферной влаги, соли и т.п., но в то жевремя "скрывает" какие-то детали механизмов само-организации, малые по сравнению с наблюдаемымипотоками, но существенные для определения на-правлений процессов (трендов).

Рассмотрим некоторые процессы, которые демон-стрируют те или иные неопределенности в климати-ческой системе и одновременно трудности, с которы-ми сталкиваются исследователи.

Рис.2. Схема основных обратных связей в самоорганизую-щейся климато-экологической системе Земля.


X

8 5

4. УВЕЛИЧЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗАВ АТМОСФЕРЕ И ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА

Загадка углекислого газа (СO2) остается, пожалуй,самой интригующей среди многочисленных проблем, скоторыми сталкиваются специалисты в попытках по-нять поведение климата Земли. Исходные условия до-статочно просты. С одной стороны, концентрация СO2в атмосфере устойчиво повышается благодаря про-мышленной деятельности человечества, главным обра-зом из-за сжигания ископаемого топлива и уничтоже-ния лесов. Так, за последние три десятилетия(1960–1990 гг.) она выросла на 13%. С другой стороны,СO2 – это один из важнейших парниковых газов, и за-метное увеличение его концентрации должно согласнотеоретическим оценкам и археологическим даннымприводить к заметному повышению температуры ат-мосферы. Загадка заключается в том, что ничего подоб-ного в природе пока не наблюдается. Мало того, темпе-ратура в последнее время практически не увеличивает-ся.

Вопрос о причинах замедления роста темеперату-ры неоднократно обсуждался в литературе. По всейвидимости, в атмосфере действует какой-то механизм,конкурирующий с парниковым эффектом и замедляю-щий рост температуры. Претендентами на роль тако-го механизма могут служить, например, рост содержа-ния аэрозолей в атмосфере, скажем, выброс в атмо-сферу соединений серы при сжигании угля.

5. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПОТЕПЛЕНИЕМВ ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ЗОНЕИ ПОХОЛОДАНИЕМ В ПОЛЯРНЫХ ОБЛАСТЯХ

Один из возможных механизмов такого явления, от-носящийся, правда, только к северному полушарию,связан с увеличением стока сибирских рек, которыедополнительно опресняют воду Арктического океана,создают устойчивую стратификацию солености и бло-кируют процессы конвективного теплообмена верхне-го слоя океана с глубинными слоями. Результатом та-кого опреснения является дополнительное прираще-ние ледовой массы, сопровождающееся увеличениемальбедо в полярных областях и соответствующим по-нижением температуры.

Представления о механизмах блокировки обратныхсвязей в климатической системе, приводящих к замет-ному изменению температур, циркуляционных пото-ков и других характеристик климата, широко обсуж-даются в литературе.

6. ПОТЕПЛЕНИЕ, ОБЛАКООБРАЗОВАНИЕИ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ АЛЬБЕДО Изменение климата принято характеризовать преж-

де всего изменением температуры, которая принима-ется за ведущий элемент. Влажность в сильнейшейстепени зависит от температуры. Так, при нормаль-

ном атмосферном давлении на 1000 кг сухого воздухапри температуре −48 °С приходится 0,06 кг водяногопара, а при +42 °С –53 кг. Отсюда видно, что даже не-большое потепление вызовет заметное увеличениевлажности воздуха, а это, в свою очередь, приведет кувеличению облачности.

Однако дальнейшее развитие процессов прогнози-ровать весьма трудно из-за неопределенности реак-ции температуры приземного слоя на изменения плот-ности облаков, их высоты, водности, температуры,фазового состояния и распределения частиц по разме-рам. В этом заключается одна из важнейших неопре-деленностей современных моделей климата.

Облака оказывают двоякое температурное воздей-ствие на подстилающую поверхность и нижнюю тро-посферу. Они отражают солнечное коротковолновоеизлучение, не пропуская его вниз, и одновременно за-держивают длинноволновое инфракрасное излучениеподстилающей поверхности и нижней тропосферы,не давая ему ускользнуть в космос. Первый эффект –альбедо облаков – зависит от толщины слоя облаков иот природы составляющих их частиц, а второй – пар-никовый эффект облачности – определяется высотойоблаков. Наблюдения показывают, что в тропическомпоясе, в области проникающей конвекции, где образу-ются облака высотой до десяти километров и более,оба эффекта примерно компенсируют друг друга. Авот низкие облака, формирующиеся в умеренных ши-ротах, особенно над океаном, резко увеличивают аль-бедо, т.е. снижают уровень проходящей солнечной ра-диации, но почти не меняют поток инфракрасного из-лучения, уходящего в космос. В итоге в умеренныхширотах можно ожидать увеличения альбедо.

В целом взаимосвязь “потепление–облачность” от-личается очень высокой степенью неопределенности.Так, научное сообщество сегодня еще не в состояниидать недвусмысленную оценку гипотезы Симпсона,которая предполагает интегральное снижение темпе-ратуры полярной атмосферы при увеличении солнеч-ной постоянной. К сожалению, симпсоновская цепоч-ка взаимосвязанных явлений, а именно: увеличениеинсоляции (солнечной радиации) → рост испарения всубтропиках → увеличение облачности → увеличениеосадков в виде снега в полярных областях → пониже-ние температуры в полярных областях, содержит ещемного неясностей, для разрешения которых потребу-ется провести многочисленные детальные измерения.

В цепочки такого ряда вклиниваются и эффектыпарникового типа: начальное (затравочное) потепле-ние может иметь техногенное происхождение благо-даря выделению в атмосферу двуокиси углерода.


8 6

7. СКРЫТЫЕ МЕХАНИЗМЫПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА Механизмы переноса, связанные с первичной про-

дуктивностью растительного покрова суши и планк-тона Мирового океана, далеки от адекватного понима-ния. Современные оценки потоков углерода и другихважнейших элементов, а также значения энергетиче-ского потока и потока влаги во всех ее формах извест-ны с весьма низкой точностью. Расхождения в числаху разных авторов достигают двух и более раз даже впределах отдельных континентов.

8. ПРИЧИНЫ ПОВЫШЕНИЯУРОВНЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ Увеличение уровня Каспия в последние полтора−

два десятилетия явилось полной неожиданностью дляисcледователей. Оно последовало после длительногопроцесса обмеления, которое естественно связыва-лось с действием волжских плотин и оросительныхсистем. Высказывается мнение, что поднятие уровняКаспия наступило в результате перестройки системыветров в Европейской части России и к югу от Ураль-ских гор и соответствующего изменения влагопере-носа.

9. ПРОБЛЕМА ОБРАЗОВАНИЯ"ОЗОННОЙ ДЫРЫ" В АТМОСФЕРЕ Считается, что уменьшение содержания озона в

верхней атмосфере происходит из-за выделения в ат-мосферу хлоро- и фторосодержащих газов (фреонов).Между тем, против этой гипотезы имеются серьезныевозражения. Скажем, почему озоновая дыра выраженасильнее в Южном полушарии, хотя фреоны попадаютв атмосферу преимущественно в Северном полуша-рии. Скорее всего, механизм исчезновения озонавследствие фотодиссоциации фреонов и хлоросодер-жащих веществ не является единственным. Конкурен-тоспособными могут оказаться и иные механизмы.Один из них, возможно не главный, состоит в выделе-нии водорода в районах повышенной вулканическойактивности, которые расположены как раз вблизи Ан-тарктиды.

10. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИЮЖНЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ (ЯВЛЕНИЕ ЭЛЬНИНЬО) Южными осцилляциями называют значительные

колебания температуры воды и воздуха в южной час-ти Тихого океана, у берегов Южной Америки. Такиеколебания (осцилляции) происходят весьма нерегу-лярно – раз в три, четыре, а то и пять лет.

Максимальное развитие южных осцилляций про-исходит обычно в декабре, в канун Рождества Христо-ва, и сопровождается сильным увеличением улова ры-бы. Вот почему жители Южной Америки, в особенно-сти перуанцы, с нетерпением ожидают наступления

очередной осцилляции, ласково называя ее “Эль-Ниньо” (младенец) в честь Иисуса Христа.

Явление Эль-Ниньо, как уже говорилось, характе-ризуется высокой степенью неопределенности. Одна-ко в последние годы сложилось мнение, что предска-зывать явление Эль-Ниньо уже научились. Последниеслучаи Эль-Ниньо в 1986 и в 1991 годах были забла-говременно (за несколько месяцев) и с достаточнойточностью предсказаны С.Зебиаком (геологическаяобсерватория при Колумбийском университете). Со-вместно с М.Капелом С.Зебиак выработал прогноз, покоторому приход Эль-Ниньо в 1993 году не ожидался.Но события опровергли такую уверенность. Согласноданным Центра климатологического анализа США, кначалу 1992 года достигло апогея новое потепление,прекратившееся к середине того же года. Однако в но-ябре вместо ожидавшегося затишья возобновилисьвсе признаки ярко выраженного Эль-Ниньо, проявив-шегося следующей весной даже во многих районахСеверного полушария. В Андах прошли ливни, вы-звавшие катастрофические наводнения, от которых вапреле 1993 года только в Колумбии погибло около100 человек. Далее события развивались по вполнеобычной для Эль-Ниньо схеме.

Некоторые ученые признают, что таким ходом со-бытий нанесен серьезный удар математическому мо-делированию климата. Между тем, совсем недавнобыла предложена сравнительно простая модель нели-нейного взаимодействия вод Тихого океана с атмо-сферой, которая демонстрирует хаотичное поведениесезонных изменений, что и объясняет плохую пред-сказуемость явления.

11. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ УРОВНЯОКЕАНА И ЛЕДОВОГО ПОКРОВА Серьезные вопросы существуют в отношении

предсказания будущего уровня океана и ледового по-крытия. С одной стороны, допускается, что потепле-ние в экваториальной области приводит к похолода-нию в приполярных областях, к росту площади мор-ских льдов и к увеличению выпадения снега в высо-ких широтах. С другой стороны, на экваторе при по-теплении можно ожидать некоторого повышенияуровня океана (до нескольких десятков сантиметров)вследствие теплового расширения воды и таянья гор-ных ледников. Однако единого мнения о том, как этоможет отразиться на росте льдов Антарктики и Грен-ландии, еще не сформировалось.

В 1992 году в Гренландии был добыт ледяной керн(цилиндр) длиной 3029 м. Пока обработаны тольковерхние его 2320 метров, которые позволяют судить оклимате последних 40 тысяч лет. Согласно В.Дансга-арду из Копенгагенского университета, после оконча-ния последней эпохи оледенения – около 11500 летназад – в климате Земли наступали то холодные, тоумерененно теплые периоды длительностью от 500 до


8 7

2000 лет. Разница в температурах между ними состав-ляла около 7 °С. Между тем, ледяные керны Антарк-тиды за те же 11500 лет содержат лишь очень слабыенамеки на подобную смену периодов. Это позволяетговорить о том, что на Гренландское оледенение ока-зывали влияние региональные факторы – скорее все-го, это были колебания Северо-Атлантических тече-ний. Отсюда напрашивается вывод, что климатиче-ские изменения в Арктике слабо согласуются с изме-нениями в Антарктике и отражают лишь случайность(стохастичность) циркуляции атмосферы и океана вСеверном полушарии. По мнению членов исследова-тельской группы В.Дансгаарда, отсюда следует, чтопрогнозирование глобальных климатических переменнаталкивается на очень серьезные трудности.

12. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВВЗАИМОВЛИЯНИЯПРИРОДНЫХ СРЕД ПРИ НАЛИЧИИТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ Состояние земной экологической системы опреде-

ляется процессами взаимодействия природных сред,которые осуществляются посредством многочислен-ных нелинейных обратных связей, как уже известных,так и еще не выявленных. Эти связи в той или иноймере подвержены влиянию хозяйственной деятельно-сти человека, что, тем самым, оказывает не толькопрямое, но и косвенное воздействие на единую экоси-стему Земли и на ее климат.

Можно предвидеть, что изменения глобальногоклимата, обусловленные природными и антропоген-ными нарушениями в системе природных обратныхсвязей, могут оказаться гораздо более сильными,чем изменения, вызванные прямым воздействиемчеловека на природные среды. Вот почему деталь-ное изучение процессов взаимодействия природныхсред в самоорганизующейся земной экологическойсистеме имеет первостепенное значение для выявле-ния и предсказания глобальных климатических из-менений, для улучшения краткосрочных и долго-срочных прогнозов погоды, а также для установле-ния разумных ограничений на промышленную дея-тельность.

13. БИОСФЕРА Наиболее распространенные модели климата обыч-

но игнорируют биосферу в качестве активного климато-формирующего фактора. В большинстве исследованиймолчаливо предполагается, что в нынешних климатиче-ских условиях биосфера играет лишь пассивную рольсубъекта, испытывающего на себе воздействие как гло-бальных, так и локальных изменений в окружающейсреде, особенно техногенного происхождения. В то жевремя широко признается, что биосфера внесла решаю-щий вклад в формирование нынешнего состава атмо-сферы и нынешнего облика нашей планеты.

Устранение биосферы из числа активных участни-ков современного формирования климата обычно мо-тивируется тем, что характерные времена изменениясвойств биосферы значительно превышают соответст-вующие периоды, характерные для атмосферы, океанаи криосферы, уступая разве что геологическим харак-терным временам. Кроме того, современная наука нерасполагает надежными данными о потенциальнойскорости изменения биосферы в ответ на климатиче-ские изменения и тем более о скорости процессов об-ратного воздействия.

Однако вывод о медленности изменения биосферыпо сравнению с другими природными сферами нужда-ется в определенных оговорках. Во-первых, не следу-ет сбрасывать со счета опосредствованное влияниебиосферы на климат через антропогенные и техноген-ные факторы (исчезновение лесов, эрозия почв, увели-чение концентрации двуокиси углерода и др.). Темпытаких изменений вполне сопоставимы с темпами ис-торического развития человечества. Во-вторых, неследует забывать о достаточно быстром изменениихарактера растительного покрова в послеледниковыйпериод.

Наконец, нельзя исключить и прямое теплорегули-рующее воздействие биосферы на климат. Способ-ность земной биосферы смягчать колебания темпера-туры еще требует внимательного изучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Необыкновенно сложная и разветвленная система

обратных связей между природными средами позво-ляет говорить о климато-экологической системе Зем-ля как о едином живом организме. Исследователиуже выработали общее представление об основныхзакономерностях самоорганизации в этом тонко сба-лансированном организме. Дальнейшее продвиже-ние зависит от накопления новых эксперименталь-ных фактов, скрупулезное изучение которых и сос-тавляет сейчас предмет деятельности климатологови экологов.


1. Сеидов Д.Г. Синергетика океанических про-цессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

2. Peixoto J.B., Oort A.H. Physics of Climate. ARevolutionary View of Climate as an IntegratedPhysical System. N.Y. Amer.Inst. of Physics.(Пейксото Дж.П., Оорт А.Х. Физика климата.Революционный взгляд на климат как на ин-тегрированную физическую систему).

3. Голицын Г.С. Введение в динамику атмо-сферных планет. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.


ВВЕДЕНИЕ

Возникновение теории дифференциальных игр было связано сприложениями в военном деле, когда оказалось необходимым ма-тематически описать и исследовать взаимодействие во времениконфликтующих сторон. Первой монографией в этой области при-кладной математики является книга Р. Айзекcа “Дифференциаль-ные игры”, изданная в США в 1955 году (см. [1]). Однако основноесодержание монографии было опубликовано в период с 1951 по1954 год в закрытых публикациях корпорации “РАНД”. В нашейстране первые работы в этой области связаны с именами Л.С. Пон-трягина, Н.Н. Красовского, Л.А. Петросяна (см. [2], [3], [4], [5]). Впоследние годы значительно усилился интерес к теории дифферен-циальных игр со стороны экономистов, социологов, специалистовв области международных отношений (см. [6]). Это связано с тем,что любая сложная социально-экономическая, политическая систе-ма развивается в результате действий многочисленных отдельныхиндивидуумов, имеющих собственные цели, а также случайныхфакторов. Происходит типичный конфликтноуправляемый про-цесс, математической моделью которого является дифференциаль-ная игра N лиц. Основными проблемами в дифференциальных иг-рах N лиц являются выработка принципа оптимальности (опреде-ление того, что является оптимальным поведением), доказательст-во его существования и поиск аналитических методов или числен-ных алгоритмов нахождения оптимального решения. На сегодняш-нем этапе развития теория дифференциальных игр используетсложный математический аппарат теории дифференциальныхуравнений, теории оптимального управления, теории вероятно-стей, теории игр и функционального анализа. Поэтому может пока-заться невероятной сама постановка вопроса о преподавании основтеории дифференциальных игр в средней школе. Однако это не так.Имеется целый класс задач этой теории, а именно: задачи “просто-го преследования” на плоскости, которые могут быть математиче-ски точно сформулированы, не выходя за рамки программы 9−10кл. и содержащие в себе основные определения и понятия совре-менной теории дифференциальных игр. Здесь могут быть даже по-ставлены задачи для самостоятельной работы школьников, кото-рые при соответствующем усердии могут привести к новым науч-ным результатам.

ПРОСТОЕ ДВИЖЕНИЕ

Пусть точка P начинает движение на плоскости из начального со-стояния (положения) x0. Если отмечать ее текущие положения, то мыполучим на плоскости некоторую непрерывную кривую, которая на-зывается траекторией движения. Будем производить отсчет прой-денного пути вдоль траектории от начальной точки x0. Во всяком дви-жении длина пути s, пройденного точкой P, зависит от времени. Это

Л.А.ПЕТРОСЯН

ÄÈÔÔÅÐÅÍÖÈÀËÜÍÛÅ ÈÃÐÛÏÐÅÑËÅÄÎÂÀÍÈß

Приведены основныеопределения теориидифференциальныхигр преследования напримерах игр просто-го преследования наплоскости. Предложе-на структура опти-мальных стратегий вигре с “линией жизни”.Назван ряд нерешен-ных проблем.

The main definitions ofthe differential pursuitgame theory are given.They are illustratedthrough examples ofsimple pursuit games.The structure of the opti-mal strategies in“Lifeline Games” of sim-ple pursuit and a numberof unsolved problemsare noted. The paper isunderstandable for alarge circle of specialistsnot necessarily familiarwith game theory.

СанктПетербургский государственный университет

S U M M A R Y


© П

етро

сян

Л.А

., 1

995

8 9

обстоятельство позволяет записать s как функцию вре-мени: s = s(t). Если известен способ перемещения точкиP по этой траектории, то можно установить формулу,определяющую положения точки на траектории в лю-бой момент времени, т.е. закон движения точки.

Траектория движения точки P на плоскости можетпредставлять собой как прямую, так и кривую линию.Соответственно этому движения разделяются на пря-молинейные и криволинейные. Простым движением на-зывается такое движение, при котором расстояние,пройденное точкой P из начального состояния x,

s(t)=ρt,здесь t — время, в течение которого происходило дви-жение, s(t) — путь, пройденный точкой P из начально-го состояния x0 за время t, а величина ρ, представляю-щая собой путь, проходимый точкой P в единицу вре-мени, называется линейной скоростью точки. Припростом движении величина ρ является постоянной ине зависит от времени.

Таким образом, простое движение точки P из на-чального местоположения x0 на плоскости есть движе-ние по любой криволинейной траектории, исходящейиз этой точки, с постоянной линейной скоростью ρ.

Простое движение точки P может рассматриватьсяв выпуклом множестве S на плоскости, т.е. в процесседвижения точка P не покидает множество S. Напом-ним, что множество называется выпуклым, если отре-зок, соединяющий две любые его точки, целиком со-держится в этом множестве.

ПРОСТОЕ ДВИЖЕНИЕ ПО ЛОМАНЫМ

Всюду в дальнейшем мы будем рассматривать лишьподкласс простых движений, а именно всевозможные дви-жения по ломаным с конечным числом вершин. Это озна-чает, что мы будем предполагать в дальнейшем, что точкаP, двигаясь с постоянной линейной скоростью ρ из на-чального положения x0, может изменять направление сво-его движения лишь конечное число раз. Отметим, что лю-бое простое движение может с достаточной степенью точ-ности быть аппроксимировано (приближено) простымдвижением по ломаным с конечным числом вершин.

Изучим закон движения точки P по ломаным с ко-нечным числом вершин. Предположим, что на плоско-сти введена ортогональная система координат x0y и вмомент времени t = 0 точка P находится в положенииx0 = = (x01, x02). Пусть точка P в момент времени t = 0начинает движение в некотором фиксированном на-правлении с постоянной линейной скоростью ρ. Эторавносильно тому, что точка P, начиная с момента вре-мени t = 0, движется с некоторой постоянной вектор-скоростью ω0 = = (ω01, ω02), ω01

2 + ω022 = ρ2.

Точка Р, двигаясь с вектор-скоростью ω0 в проме-

жутке времени [0, t], пройдет путь, длина которогоравна

s = ρ t = (ω012 + ω02

2)1/2 t = |ω0|t = |t ω0|,где ω0 — длина вектора ω0. Если символом P(t) = (P1(t),P2(t)) обозначим положение точки P в момент t ≥ 0, P(0)== x0, то будем иметь

P(t) = x0 + tω0или в координатах

P(t) = (P1(t), P2(t)) = (x01 + t ω01, x02 + t ω02). (1)Таким образом, при движении точки P с вектор-

скоростью ω0 закон ее движения описывается урав-нением (1).

Пусть в момент времени t = t1 точка P изменяет на-правление своего движения и начинает перемещатьсяс постоянной вектор-скоростью ω1 = (ω11, ω12), ω11

2 ++ ω12

2 = ρ2. Точка P, продолжая движение с вектор-ско-ростью ω1 из начального положения P(t1), в промежут-ке времени [t1, t] t ≥ t1, пройдет путь, длина которогоравна s = (t − t1)ρ = |(t − t1) ω1|. Тогда при t ≥ t1 имеем

P(t) = P(t1) + (t − t1) ω1или в координатах

P(t) = (P1(t), P2(t)) == (P1(t1) + (t − t1) ω11, P2(t2) + (t − t1) ω12). (2)

Если в формуле (2) учесть, что P(t1) = (x01 + t1ω01, x02 ++ t1 ω02) (см. (1)), то для точки P(t) при t ≥ t1 получаем

P(t) = (P1(t), P2(t)) == (x01 + t ω01 + (t − t1) ω11, x02 + t1ω02) + (t − t1) ω12. (3)Таким образом, закон движения точки P на проме-

жутке времени [0, t1] (t1 — момент изменения направ-ления движения точки P) описывается уравнением (1),а при t ≥ t1, когда P двигается с вектор-скоростью ω1, —уравнением (3). Последующие изменения направле-ний движения точки P приводят нас к аналогичнымформулам. Однако по предположению точка P можетизменять направление своего движения лишь конеч-ное число раз, поэтому, начиная с некоторого моментавремени t = tk, где k — некоторое натуральное число,точка P при всех t ≥ tk будет перемещаться с некоторойпостоянной вектор-скоростью

ωk = (ωk1, ωk2), ωk12 + ωk2

2 = ρ22.

Аналогично формулам (1), (3) можем получить P(t) = P(tk) + (t − tk) ωk, t ≥ tk

или в координатах P(t) = (P1(t), P2(t)) == (P1(tk) + (t − tk) ωk1, P2(tk) + (t − tk) ωk2) == (x01 + t1 ω01 + (t2 − t1) ω11 + ... + (tk − tk−1) ωk−11 +

+ (t − tk) ωk1, x02 + t1 ω02 + (t2 − t1) ω12 + ... ...+ (tk − tk−1) ωk−12 + (t − tk) ωk2), (4)

Петросян Л.А. Дифференциальные игры преследования

9 0

где ω0 = (ω01, ω02), ω1 = (ω11, ω12), ... , ωk−1 = (ωk−11, ωk−12) —постоянные вектор-скорости, выбранные точкой P вмомент времени 0, t1, t2, ... , tk соответственно. Мыопределили закон движения точки P вдоль лома-ной с началом в точке P(0) и с вершинами в точкахP(t1), P(t2), ... , P(tk). Таким образом, закон движенияточки P по этой ломаной на отрезке времени [0, t1]описывается уравнением (1), где ω0 = (ω01, ω02), ω01

2 ++ ω02

2 = ρ2 — вектор-скорость, выбранная точкой P вмомент времени t = 0; на отрезке времени [t1, t2] —уравнением (3), где ω1 = (ω11, ω12), ω11

2 + ω122 = ρ2 —

вектор-скорость, выбранная точкой P в момент времениt = t1, и т. д.; начиная с некоторого номера t = tk — уравне-нием (4), где ωk = (ωk1, ωk2), ωk12 + ωk2

2 = ρ2 — вектор-скорость, выбранная точкой P в момент времени t = tk.

Отметим, что движение точки P по ломаным с ко-нечным числом вершин можно также рассматриватьна любом конечном отрезке времени [0, Θ].

ИГРА ПРЕСЛЕДОВАНИЯ С ПРОСТЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Пусть на плоскости задано выпуклое множество S.Точки P1, P2, ... , Pm и E перемещаются в S, обладаяпростым движением с постоянными линейными ско-ростями ρ1, ρ2, ... , ρm и σ соответственно (здесь и всю-ду в дальнейшем рассматриваются только простыедвижения по ломаным с конечным числом вершин).Используя терминологию теории игр, совокупностьточек P1, P2, ... , Pm назовем преследующим игрокомили нарядом преследователей, а E — убегающим игро-ком. Движение наряда P и игрока E начинается в мо-мент времени t = 0 из начальных положений P1(0),P2(0), ... , Pm(0), E(0). Положения игроков P1, P2, ... , Pm,E в момент t ≥ 0 обозначим соответственно P1(t), P2(t),... , Pm(t) и E(t).

Мы будем говорить, что наряд P осуществил встречус E, если хотя бы один из преследователей Pi наряда Pосуществил встречу с E, т.е. когда впервые положение Eсовпадает с положением хотя бы одного преследователяPi из наряда P. Преследование нарядом P убегающего Eначинается в момент времени t = 0 и завершается, когданаряд P осуществляет встречу с E. Потребуем, чтобы впроцессе движения все преследователи из наряда P иубегающий E не покидали множества S. Целью наряда Pявляется встреча с убегающим E за минимальное время,а цель убегающего E — оттянуть момент встречи или из-бежать ее, если это возможно.

В каждый момент времени t ≥ 0 игроку E известно своеположение и положение всех преследователей в этот жемомент времени. Каждый преследователь Pi из наряда P вмомент времени t ≥ 0 знает положения всех членов наря-да, включая себя, положение игрока E и направление его дви-жения в этот же момент времени t, однако ему неизвестны

будущие маневры E, т.е. Pi не знает, когда и как будет из-менять игрок E направление своего движения в будущем.

Такую задачу преследования будем называть игройпреследования с простым движением и обозначатьΓ (m, 1; S), подчеркивая при этом зависимость от числапреследователей и вида множества S. В случае, ког-да S совпадает с плоскостью, такую игру обозначимΓ (m, 1). При необходимости также будем использоватьзапись Γ (P1, P2, ... , Pm, E; S) или Γ (P1, P2, ... , Pm, E).

Конечное число Θ назовем оптимальным временемпреследования в игре Γ (m, 1; S) относительно началь-ных положений P1(0), P2(0), ... , Pm(0) и E(0), если вы-полнены следующие условия:

а) для любых движений игрока E существует спо-соб поведения наряда P, гарантирующий ему встречус E не позже, чем за время Θ;

б) существует такой способ поведения игрока E, чтонаряд P не может осуществить встречу с E до момента Θ.

Если для конечного числа Θ выполнено только ус-ловие а), то число Θ назовем гарантированным време-нем преследования относительно начальных положе-ний P1(0), P2(0), ... , Pm(0) и E(0), а если для конечногочисла Θ выполнено только условие б), то число Θ на-зовем гарантированным временем избежания встречиотносительно начальных положений P1(0), P2(0), ... ,Pm(0) и E(0).

Пусть Θ — оптимальное время преследования от-носительно начальных положений P1(0), P2(0), ... ,Pm(0) и E(0). Тогда любой способ поведения убегаю-щего E, при котором наряд P не может осуществить сним встречу до момента Θ (условие б)), назовем опти-мальной стратегией игрока E. Способ поведения на-ряда P, при котором гарантируется встреча с E за вре-мя не позже, чем за время Θ (условие а)), назовем оп-тимальной стратегией наряда P.

Под решением игры Γ (m, 1; S) мы будем пониматьнахождение оптимальной стратегии наряда P, опти-мальной стратегии игрока E и оптимального временипреследования.

Мы будем говорить, что в игре Γ (m, 1; S) из началь-ных положений P1(0), P2(0), ... , Pm(0) и E(0) возможноубегание, если существует такой способ поведенияубегающего E, что наряд P не может осуществить сним встречу на любом конечном отрезке времени[0, Θ]. Это означает, что если перед началом игры Eпоставил перед собой задачу избежать встречи с наря-дом P в течение любого конечного, но фиксированно-го заранее времени Θ, то у него существует способ по-ведения, гарантирующий выполнение этой задачи прилюбых действиях наряда P.

ИГРА С “ЛИНИЕЙ ЖИЗНИ”

Пусть на плоскости задано выпуклое множество S,


9 1

не совпадающее с плоскостью. Границу S обозначимбуквой L и назовем линией жизни. Точки P1, P2, ... , Pmи E, т.е. наряд преследователей P и убегающий E, пе-ремещаются в S, обладая простым движением с посто-янными линейными скоростями ρ1, ρ2, ... ρm и σ соот-ветственно. Так же, как и в игре Γ (m, 1; S), движениенаряда P и убегающего E начинается в момент t = 0 изположений P1(0), P2(0), ... , Pm(0) и E(0); предполагает-ся, что игроки P и E в каждый момент времени t ≥ 0 об-ладают той же информацией, что и в игре Γ (m, 1; S).Цель наряда P — не допустить достижения границы —линии жизни L — игроком E до встречи с нарядом P.Цель убегающего E — достижение линии жизни L, приэтом избегая встречи с P до момента достижения L. Та-кую задачу преследования с простым движением назо-вем игрой с линией жизни и будем обозначать Γ (m, 1; S).Если из начальных положений P1(0), P2(0), ... , Pm(0) иE(0) существует способ поведения наряда P, гаранти-рующий достижение его цели при любых движенияхE, то способ поведения назовем оптимальной страте-гией наряда P и будем говорить, что в игре Γ (m, 1; S)из начальных положений P1(0), P2(0), ... , Pm(0) и E(0)выживание невозможно. Это означает, что если в игреΓ (m, 1; S) из начальных положений P1(0), P2(0), ... ,Pm(0) и E(0) выживание невозможно, то оптимальнаястратегия наряда P гарантирует встречу с убегающимE до достижения им линии жизни L.

Если для начальных положений P1(0), P2(0), ... ,Pm(0) и E(0) существует способ поведения убегающе-го E, гарантирующий достижение его цели, то этотспособ назовем оптимальной стратегией E и будемговорить, что в игре Γ (m, 1; S) из начальных положе-ний P1(0), P2(0), ... , Pm(0) и E(0) возможно выжива-ние. Это означает, что если в игре Γ (m, 1; S) из началь-ных положений P1(0), P2(0), ..., Pm(0) и E(0) выживаниевозможно, то оптимальная стратегия E гарантируетему достижение линии жизни L до встречи с P.

Таким образом, на элементарном уровне нам удалосьматематически точно сформулировать основные поня-тия дифференциальных игр преследования: “оптималь-ное время преследования”, “гарантированное времяпреследования”, “гарантированное время избежаниявстречи”, “оптимальная стратегия игрока” и “решениеигры”. Оказывается, и это можно доказать элементар-ными методами, что в ряде случаев оптимальной стра-тегией для преследователя является стратегия парал-лельного сближения, т. е. такой способ поведения, ког-да преследователь P сближается с E таким образом, чтоотрезок, соединяющий их текущие местоположения,остается параллельным самому себе. Эта стратегия на-зывается П-стратегией. Для описания движения пресле-дователя при использовании П-стратегии достаточноматематических знаний в объеме 9—10 класса среднейшколы. Интересной задачей на геометрические места

может служить задача определения множества точеквстречи при условии, когда преследователь используетП-стратегию, а движение убегающего произвольно. Этазадача решается также на элементарном уровне и этомножество оказывается кругом Аполлония. Это обстоя-тельство дает решение игры с линией жизни с однимпреследователем и одним убегающим: если круг Апол-лония относительно начальных состояний P(0), E(0) це-ликом содержится в множестве S, не пересекаясь с егограницей, то преследователь, используя П-стратегию,гарантирует встречу с убегающим игроком внутри Sпри всех движениях последнего; если же круг Аполло-ния пересекается с границей множества S, то у убегаю-щего существует стратегия, гарантирующая ему дости-жение границы множества S (линии жизни) до его по-имки преследователем. П-стратегия является оптималь-ной и в других задачах преследования.


В указанных терминах возможна также точная фор-мулировка неантaгонистических игр преследования исвязанных с этим новых, достаточно сложных принци-пов оптимальности: равновесия по Нэшу и оптималь-ности по Парето. Соответствующие примеры приведе-ны в популярных книгах [7], [8]. Особенно привлека-тельной для творчески мыслящих школьников являет-ся возможность получения новых математических ре-зультатов элементарными методами. В частности, досих пор является открытой проблема нахождения оп-тимальных стратегий в игре с одним преследователеми двумя убегающими, одним преследователем и однимубегающим при условии, что один из них или оба немогут выходить за пределы некоторого заданного мно-жества и необъятный класс задач преследования, ког-да игроки могут не знать точно местоположение другдруга на определенных этапах игры.

Игры преследования на плоскости могут лечь в ос-нову создания широкого класса интеллектуальныхкомпьютерных игр.

ЛИТЕРАТУРА1. Айзекс Р. Дифференциальные игры. М.: Мир, 1967.

480 с.2. Понтрягин Л. С. О линейных дифференнциальныхиграх. 1. ДАН, 1967, т. 174, 6, с. 1278—1280.

3. Понтрягин Л. С. О линейных дифференциальныхиграх. 2. ДАН, 1967, т. 175, 4, с. 764—766.

4. Красовский Н. Н., Субботин А. И. Позиционныедифференциальные игры. М.: Наука, 1974. 455 с.

5. Петросян Л. А. Дифференциальные игры преследо-вания. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1977. 224 с.

6. Basar T., Olsder G. Dynamic Noncooperative GameTheory. N. Y., Ac. Press, 1982.

7. Петросян Л. А., Рихсиев Б. Б. Преследование наплоскости. М.: Наука, 1991, серия "Популярныелекции по математике", выпуск 61.

8. Петросян Л. А., Томский Г. В. Через игры — к твор-честву. М.: Наука, 1991.

Петросян Л.А. Дифференциальные игры преследования

ПОЛУЧЕНИЕ ЭКЗОТИЧЕСКИХ ЯДЕР Фундаментальная проблема ядерной физики — по-

лучение и изучение свойств ядер, находящихся вэкстрeмальном состоянии — экзотических ядер. Это яд-ра, имеющие большой угловой момент (“бешено” вра-щающиеся ядра), высокую энергию возбуждения (“го-рячие” ядра), сильнодеформированные ядра (супер- игипердеформация, ядра с необычной конфигурацией),ядра с аномально высоким числом нейтронов или про-тонов (нейтроноизбыточные и протоноизбыточные яд-ра), сверхтяжёлые ядра с числом протонов Z > 110 . Изу-чение свойств ядерной материи в экстремальных состо-яниях дает информацию о свойствах микромира и по-зволяет моделировать различные процессы, происходя-щие во Вселенной. На рис.1 cхематично показаны со-стояния ядерной материи. Первое состояние — симмет-ричная ядерная материя (1). Оно определяется свойст-вами стабильных ядер — их энергией (Е), плотностьюраспределения нейтронов (N) и протонов (Z), массой (m)и др. Второе состояние — это чисто нейтронная мате-рия, аналогом которой могут быть нейтронные звезды.Оно достигается увеличением нейтронного избытка вядрах, которые искусственно синтезируются в лабора-торных условиях на мощных ускорителях. И наконецматерия, соответствующая состоянию вещества в сверх-новых космических образованиях, характеризующаясячерезвычайно высокой плотностью (~1012 г/cм3 ) и тем-пературой (~109 градуса). Это состояние материи такжемоделируется искусственно в ядерных реакциях с уско-ренными до высоких энергий ядрами (несколько гига-электронвольт на нуклон).

Таким образом, синтезируя и изучая экзотическиесостояния ядер, мы продвигаемся в понимании не толь-ко фундаментальных свойств самого ядра, но и окружа-ющей нас Вселенной.

Однако искуственный синтез экзотических ядер —сложная задача, требующая нетрадиционных методоврешения. Для этого используются ускорители тяжелыхионов с энергиями от десятков мегаэлектронвольт досотен гигаэлектронвольт. Для того чтобы началасьядерная реакция, энергия ускоренного ядра должнапревышать кулоновскую энергию отталкивания двухположительно заряженных ядер, которая обычно со-ставляет несколько десятков мегаэлектронвольт. Приэнергиях выше кулоновского барьера возможны раз-личные каналы реакции, вероятность которых зависитот энергии ядра-снаряда, от свойств самих взаимодей-ствующих ядер, а также от расстояния, на котором

Ю.Э.ПЕНИОНЖКЕВИЧ

ÔÈÇÈÊÀ ÝÊÇÎÒÈ×ÅÑÊÈÕ ßÄÅÐ

В статье рассказанооб одном из важнейшихнаправлений современ-ной ядерной физики —получении и исследо-вании свойств экзоти-ческих ядер. Представ-лены методы получе-ния таких ядер с по-мощью ускорителей ирассмотрены необыч-ные свойства новыхсинтезированных ис-кусственно легчайшихи сверхтяжелых ядер.

Flerov Laboratory ofNuclear Reactions workson the generation ofexotic nuclei and theanalysis of their proper-ties are discussed. Themethods of producingsuch nuclei with the helpof accelerators, whichalso reveal unusual cha-racteristics of new artifi-cially synthesized super-light and super-heavynuclei, are described.

Московский инженернофизический институт

S U M M A R Y


© П

енио

нжке

вич

Ю.Э

., 1

995

9 3

сталкиваются два ядра (радиус взаимодействия). Нарис.2 схематически представлены различные процес-сы, происходящие с двумя сталкивающимися ядрами,в зависимости от радиуса взаимодействия (централь-ные столкновения — радиус взаимодействия мини-мальный и периферические столкновения — радиусвзаимодействия равен или больше суммы радиусовдвух взаимодействующих ядер).

При лобовых столкновениях с энергиями ниже поро-га фрагментации двух ядер (~ 30 МэВ/ нуклон), когдапроисходит полный развал, фрагментация ядер частицыи мишени, в основном протекают реакции полного сли-яния ядер мишени и бомбардирующего иона с образова-нием нового составного ядра, имеющего заряд и массу,близкую к сумме зарядов и масс двух взаимодействую-щих ядер. Это новое составное ядро имеет очень высо-кую температуру, так как вся кинетическая энергия бом-бардирующей частицы переходит во внутреннюю энер-гию возбуждения нового ядра, и большой угловой мо-мент, то есть большую скорость вращения. В таком со-стоянии это экзотическое ядро существует всего лишь 10-16 cекунды и затем переходит в менее экзотическоесостояние, “остывая” и уменьшая скорость вращения.Релаксация может происходить по-разному. Тепловаяэнергия кипящего ядра сбрасывается в основном из-заиспарения нейтронов и заряженных частиц (по аналогиис горячей водяной каплей), а энергия вращения благода-ря испусканию гамма-квантов. После этого ядро перехо-дит в основное состояние, уменьшая массу на число ис-парившихся нейтронов, которое может достигать значи-тельной величины (до 18—22 нейтронов).

Таким образом, масса конечного ядра может бытьменьше начального составного ядра на 18—22 единицы,то есть возникает новое нейтронодефицитное экзотиче-ское ядро, расположенное на границе ядерной стабиль-ности. Это один из способов получения экзотическихядер. Хотя горячее начальное составное ядро и живет 10-16 секунды, испаряющиеся из него нуклоны сообща-ют экспериментаторам информацию о состоянии этогоядра — его температуре (ядерный термометр), угловоммоменте, плотности нуклонов в этом ядре. Следователь-но, измеряя характеристики испущенных из составногоядра нуклонов, можно также делать выводы о свойствах

ядерной материи в этом экзотическом ядре, имеющемвысокую температуру.

В ядро, как и в любое другое вещество, нельзя за-качать любую энергию. При определенном ее значе-нии наступает фазовый переход: твердое тело — жид-кость — газ, а при некоторой критической температу-ре ядро превращается в плазму — четвертое состоя-ние вещества. В космических масштабах это приво-дит к взрыву звезд. В ядрах к этому состоянию пыта-ются приблизиться, используя ускорители тяжелыхионов высоких энергий. Вопрос о значении макси-мальной критической температуры ядра является од-ним из фундаментальных вопросов ядерной физики.

Кроме реакций слияния, при большом радиусе вза-имодействия двух ядер могут протекать и другие про-цессы, например реакции передачи нуклонов, разва-лы бомбардирующего ядра с захватом его части яд-ром мишени. С увеличением энергии бомбардирую-щего ядра при ее определенном пороговом значении(~30 МэВ/нуклон) ядра начинают фрагментировать, тоесть раскалываться на множество более легких ядер вшироком диапазоне масс, зарядов и температур.

В этом случае основной задачей экспериментато-ров становится выделение ядер в определенном со-стоянии на фоне во много раз большего числа другихядер. Для этого используются различные прецизион-ные детекторы частиц, позволяющие определять с вы-сокой точностью заряд, массу, импульс, координаты(точки возникновения ядра), а также его температуру,угловой момент и время жизни, которое часто дости-

Состояния ядерной материи

Взрыв сверхновойНейтроннаязвезда

Материя всверхновой

Симметричнаяядернаяматерия

Ассимметричнаяядернаяматерия

Нестабильноеядро

Стабильноеядро

Холодноеядро

Горячееядро

Z/(N + Z)0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рис.1. Схематическое представление состояний ядерной ма-терии в зависимости от соотношения числа протонов (Z) кобщему числу нуклонов (N + Z) в ядре.

Рис.2. Различные ядерные реакции между двумя сложнымиядрами для центральных и периферических столкновений.Стрелками показаны каналы “охлаждения” образующихся“горячих” ядер: прямыми — испарение протонов и нейтро-нов, извилистыми — вылет гамма-квантов.

Пенионжкевич Ю.Э. Физика экзотических ядер

Упругоерассеяние

Реакцияпередачи

Последовательныйразвал

Конечнаяохлажденная

система

Периферическиереакции

Центральные

Периферическиереакции

ПрямойразвалКулоновское

возбуждение

Слияние=испарение

nМишени

n

pγn

γ γ

γ

γ

γ

γ

Ядра

γ

Неупругоеядерное

возбуждение

9 4

гает 10-20—10-21 секунды. В таких детекторах исполь-зуется измерение степени ионизации вещества детек-тора. Степень ионизации зависит от массы, заряда иэнергии ядра, проходящего через детектор. Из отдель-ных детекторов создают сложные спектрометры, со-стоящие из нескольких сотен детекторов, располо-женных вокруг мишени и перекрывающих практиче-ски все углы (4π-геометрия).

Оказалось, что в реакциях фрагментации ядер вбольших количествах могут образовываться как силь-но нейтроноизбыточные, так и сильно нейтронодефи-цитные ядра. Избыток и дефицит нейтронов в конеч-ных ядрах зависит от соотношения нейтронов и про-тонов в бомбардирующем ядре. В совместных экспе-риментах, проведенных учеными из Лабораторииядерных реакций Объединенного института ядерныхисследований в Дубне и Института ядерной физикиво Франции, был использован пучок редкого изотопакальция-48, содержащегося в природе в ничтожныхколичествах и полученного в российских институтахна специальных электромагнитных разделительныхустановках. Это самый нейтронообогащенный изотоп(20 протонов и 28 нейтронов), встречающийся в при-роде. В этих экспериментах было синтезировано бо-лее 30 новых нейтроноизбыточных ядер, располо-женных у самой границы ядерной стабильности —бор-18, углерод-22, азот-23, кислород-24, фтор-29 и

др. На рисунке 3 представлена (N — Z)-карта изото-пов. Видно, что для легких элементов границы ядер-ной стабильности практически достигнуты и за неюначинается море нестабильных ядер, хотя и среди нихпоявляются относительные островки стабильности,которые и пытаются обнаружить физики.

ЛЕГЧАЙШИЕ ЭКЗОТИЧЕСКИЕ ЯДРА Напомним основные сведения о стабильности ядер.

Ядерные силы черезвычайно сильны, но действуюттолько на коротких расстояниях. Стабильность ядеропределяется балансом притягивающих ядерных силмежду нуклонами: нейтронами (n) и протонами (p), иотталкивающих кулоновских сил, которые действуютмежду заряженными протонами. Таким образом, в яд-ре осуществляются разного типа взаимодействия —(n−p), (n−n), (p−p). Наиболее сильными являются (n−p)-взаимодействия. Поэтому наиболее стабильными яв-ляются ядра с близким числом нейтронов и протонов,так как в них осуществляется максимальное число (n−p)-взаимодействий. Чистые (n−n)-системы являются не-стабильными (за исключением нейтронных звезд, гдестабилизирующими силами являются гравитационныесилы). Нестабильны и системы, состоящие из малогочисла протонов и большого числа нейтронов, и наобо-рот. Это наглядно иллюстрирует карта ядер, представ-ленная на рис.3. Стабильные ядра, существующие вприроде, — их 273 — на ней представлены чернымиквадратами. Из рисунка видно, что для ядер с массойбольше 40 (N = Z = 20) кулоновские силы сдвигают ли-нию стабильности в сторону нейтроноизбыточныхядер (больших N). Кулоновские силы также ограничи-вают область существования тяжелых ядер, для кото-рых короткодействующие ядерные силы не могут ком-пенсировать кулоновские силы отталкивания, и тяже-лые ядра с числом протонов Z > 90 распадаются путемспонтанного деления с образованием двух более ста-бильных кусков — осколков деления. Этим же объяс-няется и то, что ядра тяжелее урана (Z > 92) в природепока не обнаружены.

На рис.3 также показана рассчитанная теоретикаминейтронная и протонная линия стабильности. Ядра,перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные)или протонами (протоноизбыточные), расположенныеза линией стабильности, являются несвязанными яд-рами (нет баланса между кулоновскими и ядернымисилами) и распадаются за время 10-22 секунды и менее.Нахождение линии стабильности является само по се-бе важной и достаточно сложной задачей, так как ееположение зависит от многих параметров, определяю-щих свойства ядер. Радиоактивные ядра, находящиесямежду линиями стабильности, а их около 7000, могутбыть синтезированы только искусственно. Число ещенеизвестных ядер составляет около 4000 (заштрихо-ванные области на карте изотопов). Физикам предсто-ит еще много работы, чтобы приблизиться к линии

Рис.3. Нейтронно-протонная карта изотопов. Чернымиквадратами представлены ядра стабильные или долгоживу-щие. Ломаной сплошной кривой представлена область изве-стных ядер, испытывающих электронный распад (β– и β+-распады). Двумя сплошными линиями вблизи области β-рас-пада показаны границы известных в настоящее время ядер.Внешние сплошные кривые ограничивают предполагаемуюобласть стабильных ядер. За этими линиями начинается“море” нестабильности. Нижняя линия определяет нейт-ронную границу стабильности (n-распад), верхняя — про-тонную (р-распад). Штрихпунктирной линией ограниченаожидаемая область стабильности сверхтяжелых ядер. Награнице области стабильности обозначены последние ста-бильные, еще не синтезированные, изотопы.


9 5

стабильности особенно в области средних и большихмасс ядер (N > 30). Что касается ядер легчайших эле-ментов (изотопов водорода, гелия, лития, бериллия),то здесь граница стабильности уже достигнута, то естьсинтезированы все стабильные ядра.

Между тем даже нестабильные ядра (с отрицатель-ной энергией связи) могут существовать в виде ядер-ных систем, в которых взаимодействие нуклонов при-водит к появлению некоторых ядерных состояний, хо-тя и чрезвычайно короткоживущих (~10-21 секунды).Исследование таких короткоживущих ядерных состоя-ний дает важнейшую информацию о возможностидальнейшего продвижения к островкам стабильности,которые предположительно существуют в “море” не-стабильности. Первый такой островок может сущест-вовать для чисто нейтронных ядер с числом нейтроновоколо 20. Однако в настоящее время эксперименталь-но синтезировать такие нейтронные ядра невозможно.Пока удалось исследовать стабильность динейтрона(2 n), тринейтрона (3 n), тетранейтрона (4 n). Они ока-зались нестабильными, однако динейтрон оказался“почти стабилен”.

Интригующая ситуация существует со свойствамисверхтяжелых изотопов водорода и гелия. Сначала бы-ла обнаружена так называемая “гелиевая аномалия”,когда стабильность ядер с увеличением числа нейтро-нов при приближении к линии стабильности не умень-шалась, а даже увеличивалась (ядро 8He оказалось бо-лее стабильным, чем ядро 6He). Такую же зависимостьобнаружили и для несвязанных изотопов гелия: гелия-5,гелия-7, гелия-9, гелия-10. В системе гелия-10 (двапротона и восемь нейтронов) был обнаружен резо-нанс, который свидетельствовал, что это ядро не связа-но всего лишь на 1 мегаэлектронвольт. Впоследствиитакая же аномалия наблюдалась и для тяжелых несвя-занных изотопов водорода (водород-6 оказался болеестабильным, чем водород-4), проявляющихся также ввиде резонансных состояний. Эти закономерности вповедении энергии связи тяжелых изотопов позволилиболее оптимистически взглянуть на проблему сущест-вования острова стабильных легких элементов.

Исследование свойств ядер, сильнообогащенныхнейтронами, позволило обнаружить еще одно интерес-ное явление — существование так называемых “нейт-ронных гало”. Это явление появляется у ядер, находя-щихся у границы стабильности, таких, как 8He,11Li,14Be, 17B. В этих ядрах было экспериментально обна-руженно высокое значение нуклонного радиуса. Ока-залось, что у 11Li два слабосвязанных нейтрона нахо-дятся на большом удалении от основного остова, пред-ставляющего из себя ядро 9Li. Радиусы этих ядер в не-сколько раз превышают радиусы соседних ядер. Ради-усы ядер обычно выражают в фемтометрах (фм) (1 фмравен 10-13 см).Так вот, у ядра 11Li радиус оказался рав-ным 12 фм, тогда как для 9Li он равен 2,5 фм. Необыч-ная структура этих ядер проявляется в увеличении ве-

роятности протекания ядерных реакций с такими яд-рами, поскольку она пропорциональна радиусу взаи-модействующих ядер. Эта особенность ядер с галосыграла немаловажную роль в развитии нового на-правления ядерной физики — физики пучков ускорен-ных экзотических ядер.

ПУЧКИ УСКОРЕННЫХЭКЗОТИЧЕСКИХ ЯДЕР

Для исследования свойств экзотических ядер вомногих случаях нужны их пучки, ускоренные до энер-гий выше кулоновского барьера взаимодействия. Этонеобходимо для того, чтобы могла протекать соответ-ствующая ядерная реакция между экзотическим ядроми ядром мишени. Тогда, исследуя продукты таких ре-акций, можно делать выводы о свойствах самих взаи-модействующих ядер. Проблема использования пуч-ков экзотических ядер для физических исследованийсводится, в основном, к трем задачам: получение пуч-ков экзотических ядер нужной интенсивности, ускоре-ние их до необходимой энергии и регистрация продук-тов ядерных реакций.

При бомбардировке ядрами, ускоренными до энер-гий более чем 30 МэВ на нуклон (выше порога фраг-ментации ядра), образуется много новых ядер, летя-щих под передними углами (в том же направлении, чтои первоначальные бомбардирующие ядра) и имеющиеэнергии, близкие к энергии бомбардирующих ядер.Таким образом, отпадает проблема последующего ус-корения этих ядер, если только научиться каким-тоспособом выделять из всего потока образующихсяядер моноизотопный пучок. Для этого надо произве-сти селекцию продуктов ядерных реакций по массе(А) и заряду (Z) и сформировать из выделенных про-дуктов пучок с необходимыми для его дальнейшегоисследования параметрами (диаметром, расходимо-стью, энергией и др.).

Эта проблема была решена с использованием маг-нитных фрагмент-сепараторов, в которых несколькопоследовательных магнитных систем позволяют про-вести многократную селекцию продуктов с одинако-вым соотношением импульса (Р) к заряду (q). В ре-зультате использования фрагмент-сепаратора, распо-ложенного после производящей экзотические ядрамишени, появилась возможность получения пучковкороткоживущих ядер, расположенных у границ ста-бильности с временами жизни до нескольких сотенмикросекунд (10-6 секунды). Следующая задача, сто-ящая перед экспериментаторами после полученияпучков экзотических ядер, — использование их дляизучения свойств этих ядер. Интенсивность пучка та-ких ядер относительно мала. Она на 5—6 порядковменьше интенсивности первичного пучка ядер, ихпроизводящего. В лучшем случае эта интенсивностьсоставляет 106 ядер в секунду. Поэтому для экспери-мента нужны очень чувствительные методики, кото-


9 6

рые позволяли бы исследовать такие редкие процес-сы. Располагая соответствующими спектрометрами,физики могут использовать уже вторичные реакциивзаимодействия экзотических ядер с ядрами мишени.Какие же данные удается извлечь из таких экспери-ментов? В первую очередь это информация о новыхвидах радиоактивного распада. Как известно, все ра-диоактивные ядра испускают электроны (β−−распад),позитроны (β+-распад), протоны, α-частицы (α-рас-пад) или гамма-лучи (γ-распад), переходя в основноенерадиоактивное состояние. Исследования пучковэкзотических ядер, сильно удаленных от линии ста-бильности, позволило обнаружить новые виды ра-диоактивного распада — кластерный распад, сопро-вождающийся вылетом тяжелых частиц, таких, какуглерод, магний, а также более тяжелых фрагментов.У ядер, сильно обогащенных нейтронами, таких, как11Li, 17B, наблюдается распад с вылетом 2, 3 и даже4-х нейтронов. Такие экзотические распады исследу-ют в поисках систем из связанных 2, 3 и 4-х нейтро-нов. Для протонообогащенных ядер наблюдается рас-пад с вылетом нескольких протонов и более тяжелыхзаряженных частиц.

Задача исследования свойств распада экзотиче-ских ядер является важной не только для полученияинформации о состояниях ядерной материи, но и слу-жит основой для современной ядерной астрофизики —науки, занимающейся моделированием процессов,происходящих во Вселенной с помощью ядерных ре-акций. Наибольший интерес для ядерной астрофизи-ки представляют процессы выделения энергии приобразовании и взрыве звезд, а также образования раз-личных химических элементов (нуклеосинтез) воВселенной. Обе эти проблемы непосредственно свя-заны с исследованиями, основанными на методахядерной физики. Для моделирования процессов обра-зования и распада звезд изучаются ядерные реакции:измеряются вероятности взаимодействия двух ядер,вероятности распада образующихся при этом слож-ных ядерных систем, различного вида излучения, со-провождающие распады таких систем. Отправляя наспутниках в Космос специальные телескопы, позво-ляющие направленно измерять, например, гамма-из-лучение от космических объектов и определять егоэнергию. Если известно, в каком ядерном процессегенерируется гамма-излучение с этой энергией, мож-но определить, какой процесс происходит в звезде.

Основную роль в астрофизических процессах иг-рают термоядерные реакции, идущие с захватом яд-рами протонов, альфа-частиц или нейтронов. Опре-деление скорости протекания таких реакций являет-ся сложной экспериментальной задачей. Кроме это-го, вероятность таких реакций зависит от температу-ры объекта. В процессе невзрывной эволюции звез-ды ее температура относительно низка, и вероят-ность протекания реакции невелика. При взрыве

звезды температура достигает 108—109 К и вероят-ность реакции увеличивается на много порядков.Для моделирования этих процессов необходимоиметь широкий диапазон радиоактивных ядер, кото-рые играют основную роль при взрыве звезд. В этомслучае физики используют прямой метод исследова-ния характерных реакций с пучками радиоактивных(экзотических) ядер, используя при этом мишень изводорода или гелия.

Непрямой способ определения скорости реакций,а также относительного содержания элементов воВселенной состоит в получении данных о свойствахядер, удаленных от линии стабильности. Эти данныеиспользуются для описания процессов медленногозахвата нейтронов и быстрого захвата нейтронов. По-следовательный медленный захват нейтронов ядра-ми, сопровождающийся конкурирующим позитрон-ным (β+-распадом) этих ядер, ведет к образованиюразличных изотопов в области нейтронодефицитныхядер (см. рис.3) и определяет их содержание в приро-де. Быстрый же процесс захвата нейтронов ответст-вен за образование нейтроноизбыточных изотопов.Скорость захвата нейтронов также зависит от темпе-ратуры объекта. Зная, например, содержание элемен-тов в нашей галактике, а также получив эксперимен-тальную информацию о времени жизни тех или иныхизотопов, входящих в цепочку процесса, можно до-статочно точно определить температуру объекта,явившегося источником образования элементов (тем-пературу звезды). Таким образом, реакции с пучкамирадиоактивных (экзотических) ядер дают важную ин-формацию о процессах, происходящих во Вселенной.

Физики научились также использовать необычныесвойства экзотических ядер для получения в своюочередь не менее экзотических ядерных систем. Впервой главе уже говорилось об интересе к синтезусупернейтроноизбыточных ядер легчайших элемен-тов, таких, как водород-6, гелий-10 и др. Реакции спучками стабильных ядер для этих целей уже оказы-ваются слабоэффективными из-за низкой вероятно-сти образования в них этих экзотических ядер. С по-явлением пучков радиоактивных ядер возможностиисследований в этой области существенно расшири-лись. Так, используя пучок ядер лития-11, японскимисследователям удалось получить информацию о ста-бильности ядра гелия-10, которое, как уже отмеча-лось в первой главе, является недосвязанным лишь наодин мегаэлектронвольт, то есть является более ста-бильным, чем ожидалось из теоретических расчетов.Сейчас в реакциях с радиоактивными пучками дела-ется попытка получения более тяжелых изотопов во-дорода-7, 8, гелия-12 и др.

Неожиданный результат был получен при изученииреакции слияния двух ядер, одно из которых являетсяэкзотическим, например 6Не (ядро с нейтронным га-ло). Как уже отмечалось в первой главе, для того, что-


9 7

бы произошла ядерная реакция между двумя заряжен-ными ядрами, их кинетическая энергия должна превы-сить некоторую энергию, определяемую кулоновскойэнергией расталкивания. Величина этой энергии опре-деляется достаточно точно, и она зависит от зарядовдвух взаимодействующих ядер — чем больше их заря-ды, тем большую энергию надо сообщить этим ядрамдля того, чтобы началась ядерная реакция. Этим опре-деляется минимальная энергия ускорителей, на кото-рых и ускоряются заряженные ядра. Однако экспери-менты, проведенные в Дубне с пучками некоторых эк-зотических ядер, показали, что энергетический порогих взаимодействия существенно меньше кулоновскогобарьера. Это явление еще до конца не понято; видимо,большую роль играют структурные особенности экзо-тических ядер.

СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ ЯДРАПоследний элемент, существующий в природе, —

это уран, заряд которого или порядковый номер в пе-риодической таблице Д.И.Менделеева составляет 92.Все элементы с Z > 92 синтезированы искусственно сиспользованием интенсивных потоков нейтронов илипучков ускоренных тяжелых ионов. Нейтронный ме-тод синтеза новых элементов, использующий потокинейтронов из реакторов или ядерных взрывов, дал воз-можность синтезировать новые элементы вплоть дофермия (Z = 100). Метод этот основан на последова-тельном захвате нейтронов ядрами урана. Например,ядро урана-238 поглощает нейтроны, превращается вядро урана-239, которое испытывает электронный рас-пад и превращается в ядро 93-го элемента — непту-ния-239. Если облучение в реакторе проводится доста-точно длительное время (год или более), то за это вре-мя в образце накопятся ядра не только нептуния, но иследующих за ним элементов. Например, нептуний-239может в результате электронного распада превратить-ся в 94-й элемент — плутоний-239. Затем ядро этогоэлемента захватывает два нейтрона, после чего плуто-ний-241 испытывает электронный распад и превраща-ется в ядро 96-го элемента — америция и т.д. Однакоядра тяжелее 100-го элемента — фермия нейтроннымметодом синтезировать не удалось. Принципиальноеограничение на синтез новых элементов таким спосо-бом связано с существованием других типов распада вцепочке образующихся ядер, например, спонтанногоделения, которое разрывает цепочку ядер, образую-щихся после захвата нейтронов. Восемь элементов, за-вершающих первую сотню периодической таблицы,были открыты американскими учеными с использова-нием нейтронного метода.

Дальнейшее продвижение в область трансфермие-вых элементов стало возможным лишь с появлениемускорителей тяжелых ионов. При слиянии двух ядерможет образоваться новое ядро с зарядом, равнымсумме зарядов двух ядер. Эти так называемые реакции

полного слияния, о которых говорилось выше, былиуспешно реализованы на ускорителях тяжелых ионов.И почти одновременно в России (в Дубне) и в Амери-ке (в Беркли) в пятидесятые годы был начат синтез но-вых трансфермиевых элементов в реакциях с тяжелы-ми ионами. Позднее в эти работы включились немец-кие исследователи из Дармштадта. Построенный вДубне в 1961 году в Лаборатории ядерных реакций,возглавляемой академиком Г.Н.Флеровым, циклотронявлялся по своим характеристикам рекордным ускори-телем. На этом циклотроне были получены самые ин-тенсивные в мире пучки ускоренных тяжелых ионов.Уже позже, в восьмидесятые годы в этой же Лаборато-рии был построен более мощный циклотрон У-400.Таким образом, три лаборатории мира — в Дубне, Берк-ли и Дармштадте активно занялись синтезом элемен-тов “второй сотни” с использованием реакций с тяже-лыми ионами. Эксперименты были чрезвычайно слож-ными. Из миллиардов образующихся ядер нового эле-мента выживало лишь одно. Все остальные быстрораспадались путем деления на два осколка, испуска-ния нейтронов и заряженных частиц. Кроме этого, но-вые трансфермиевые ядра имели время жизни порядкасекунд (для Z = 101—103) и оно катастрофическиуменьшалось с увеличением порядкового номера эле-мента (см. рис. 4). История открытия каждого элемен-та хорошо описана в книге “Популярная библиотечкахимических элементов”. Поэтому не останавливаясьна описании этих захватывающих, а порой и драмати-ческих исследований, хотелось бы рассказать лишь опоследних работах в этой области, давших существен-ный толчок для дальнейшего продвижения в областьсверхтяжелых элементов с Z = 110—114.

Еще в 1966 году советским теоретиком В.М.Струтин-ским было предсказано сильное увеличение стабильно-сти (времени жизни) ядер вблизи магических чисел 114для протонов и 184 для нейтронов (114-й элемент с чис-лом нейтронов 184). Эти предсказания основывались наоболочечной модели, в которой ядро рассматриваетсякак ряд последовательно заполняемых протонных и ней-тронных оболочек. Ядра с замкнутыми оболочками,имеющими число протонов или нейтронов 2, 8, 20, 50,82, 126, отличаются от своих соседей повышенной ста-бильностью. Последним известным дважды магическимядром является изотоп свинца-208 (82 протона и 126нейтронов). Как показали теоретические расчеты, маги-ческими числами являются также 114 для протонов и184 для нейтронов. Изотопы вблизи следующего засвинцом-208 дважды магического ядра 114—298 долж-ны обладать повышенной стабильностью и именноздесь можно ожидать нового увеличения времени жиз-ни сверхтяжелых элементов.

Поиски сверхтяжелых элементов велись более де-сятка лет. Их искали даже в природных и космическихобъектах, надеясь, что их время жизни составляетмиллионы лет (теоретические расчеты не отрицают


9 8

существования столь долгоживущих ядер). Однакотолько в 1994 году был сделан значительный шаг, даю-щий физикам надежду, что они близки к открытию но-вой области стабильности сверхтяжелых ядер. Почтиодновременно в Дубне и Дармштадте были проведеныэксперименты по синтезу 110-го элемента. В Дармш-тадте использовалась реакция так называемого “хо-лодного синтеза”. Этот метод синтеза был предложенв Дубне в 1973 году чл. кор. РАН Ю.Ц. Оганесяном изаключался в том, что для получения новых ядер в ка-честве ядер мишени и бомбардирующих ядер исполь-зуют магические ядра. Эти ядра обладают повышен-ной стабильностью, потому что нуклоны в них связа-ны особенно прочно. При слиянии таких ядер большаячасть избыточной энергии бомбардирующего ядрарасходуется на “распаковку” составного ядра, а на егонагревание идет лишь малая часть. В реакции образу-ются “холодные” составные ядра. В отличие от “горя-чих”, “холодные” ядра “остывают” путем испаренияне четырех или пяти, а только одного или двух нейтро-нов. В этом случае количество ядер, “выживших” вконкуренции с делением образовавшегося тяжелогоядра, увеличивается в 100—1000 раз.

В Дармштадте мишень из свинца-208 облучаласьядрами никеля-62, что приводило к образованию 110элемента с числом нейтронов — 159. В Дубне исполь-зовалась реакция “горячего” слияния, в которой ми-шень из плутония-244 облучалась ядрами серы-34.Этот эксперимент проводился на ускорителе в Дубнесовместно с Ливерморской лабораторией (США), ко-торая предоставила для экспериментов плутониевуюмишень высокого качества. В экспериментах было за-регистрировано несколько атомов 110 элемента с чис-лом нейтронов 163. Оцененный по этим несколькимнаблюдениям период полураспада показал, что он го-раздо выше того, что можно было ожидать из экстра-поляции свойств ядер с Z = 100—104. На рис.4 эти зна-чения представлены в общей систематике времени

жизни для спонтанного деления. Видно значительноеувеличение стабильности тяжелых изотопов 106, 108 и110-го элементов вблизи числа нейтронов, равного162. Физики считают, что это обусловлено существо-ванием еще одной нейтронной оболочки, связанной сдеформацией ядра. Таким образом, был осуществленвыход на новую область стабильности и окончатель-ным ответом на вопрос о ее существовании будет син-тез 114 элемента. Эксперименты в этом направленииготовятся в Дубне и Дармштадте.

Между тем Международный Союз чистой и при-кладной химии три года назад создал специальнуюмеждународную комиссию, которая рассмотрела воп-рос о приоритете в открытии трансфермиевых элемен-тов и сделала предложения относительно их наимено-ваний. До этого каждая группа физиков давала своиназвания вновь открытым химическим элементам. Ко-миссия предложила следующие названия и символы:

Элемент Название Символ

101 Менделеевий Md102 Нобелий No103 Лоуренсий Lr104 Дубний Db105 Жолиотий Jl106 Резерфордий Rf107 Борий Bh108 Ганий Hn109 Майтнерий Mt

Эти названия еще подлежат утверждению генеральнойассамблеей Международного союза чистой и приклад-ной химии. Но уже сейчас ясно, что заслуги физиковДубны в открытии новых элементов признаны — 104-йэлемент предлагается назвать Дубнием.

ЛИТЕРАТУРАПопулярная библиотека химических элементов. Кни-га вторая. Издание второе. М.: Наука, 1977.

Ю.П.Конюшная. Открытия советских ученых. ЧастьI. Физико-технические науки. М.: ИздательствоМГУ, 1988.

А.И.Базь, В.И.Гольданский, В.З.Гольдберг, Я.Б.Зель-дович. Легкие и средние ядра вблизи границы ста-бильности. М.: Наука, 1972.

Г.Н.Флеров и др. История трансфермиевых элемен-тов. Препринт ОИЯИ. Д7-89-820. Дубна, 1989.

Г.Н.Флеров, А.С.Ильинов. На пути к сверхэлементам.Библиотечка детской энциклопедии. М.: Педагоги-ка, 1977.

Л.Валентэн. Субатомная физика: ядра и частицы. Т.2.М.: Мир, 1986.

Ю.Э.Пенионжкевич. Пучки радиоактивных ядер.“Физика элементарных частиц и атомного ядра”.1994. Т.25, вып.4, с.931.

Рис.4. Зависимость времени жизни изотопов различных эле-ментов по отношению к спонтанному делению (Тсд) от чис-ла нейтронов. Пунктиром показаны расчетные кривые для106, 108 и 110 элементов.


ВВЕДЕНИЕ

Сегодня мы “вступим” с вами на поверхность твер-дого тела. То есть на поверхность полупроводников,металлов и изоляторов. Заметим, что наука о поверх-ности — это наука очень молодая — ей только чутьболее 30 лет. Именно столько (с 1963 г.) выходит наи-более известный журнал “Surface Science” и в про-шлом году мы праздновали выход юбилейного 300-гономера журнала. Почему же поверхность вызываетвсе возрастающий интерес исследователей, инжене-ров и технологов?

Во-первых, это связано с исследованием адсорб-ции и катализа, так как поверхность — именно та аре-на, на которой и происходят эти явления. Значитель-ное увеличение скоростей определенных химическихвзаимодействий на поверхности, происходящее в при-сутствии катализаторов, обычно порошков, реализу-ется вследствие модификации, по крайней мере, одно-го из реагентов и возрастающей его способности вза-имодействовать с другими реагентами в этом состоя-нии. Здесь же следует упомянуть о формировании уп-рочняющих покрытий, т.е. покрытий, способных про-тивостоять воздействию коррозионных сред, механи-ческих нагрузок, высоких температур и т.д.

Однако главное направление науки о поверхности —это физика полупроводников и создание полупровод-никовых приборов. Действительно:

а) именно от состояния поверхности зависит каче-ство полупроводниковых приборов. Неустойчивостьсвойств поверхности, их неконтролируемые измене-ния с температурой и под влиянием окружающей сре-ды и вызывают их нестабильность, а зачастую и выходиз строя. Поэтому очень важно понимание процессов,происходящих на поверхности полупроводников;

б) наиболее важно то, что поверхность — это всег-да граница раздела двух фаз. Следовательно, поверх-ность полупроводника находится во взаимодействии собеими фазами, находящимися по обе стороны от нее.Поэтому задача о поверхности по своей природе — недвумерная задача, а трехмерная, и в этой статье этоположение будет проиллюстрировано. Пока можносказать, что поверхность представляет собой новыйтонкий полупроводниковый материал, представляю-щий большой интерес в условиях все возрастающихтребований к микроминиатюризации полупроводни-ковых приборов. Если в начале 70-х годов характер-ным было исследование физических процессов в

S U M M A R Y


В.Г.ЛИФШИЦ

ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÜ ÒÂÅÐÄÎÃÎ ÒÅËÀÈ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÍÛÅ ÔÀÇÛ

Современная физика поверх-ности связана с адсорбцией,катализом, ростом тонкихпленок и т.д. в сверхвысо-ком вакууме. Достижения ввакуумной технологии да-ют возможность прово-дить эксперименты с ато-марно-чистой кристалличе-ской поверхностью. Обнаружено, что многие ад-сорбаты, толщиной от до-лей до нескольких атомныхслоев, образуют упорядо-ченные сверхтонкие слои соспецифической структурой,составом и свойствами, от-личными от таковых в мас-сивных материалах.Поверхностные фазы про-являются во многих поверх-ностных явлениях. Объяс-няется роль формированияповерхностных фаз в про-цессах десорбции и поверх-ностной диффузии.

Modern physics of surfacesdeals with surface adsorption,catalysis, the growth of thinfilms and so on in a super-highvacuum. The achievements ofvacuum technology give anopportunity to conduct experi-ments with atomic pure crys-talline surfaces. It was found that many adsor-bats with a thickness in therange of a portion of an atomiclayer to several atomic layersform super thin layers withspecific structure, compositionand characteristics which differfrom the surface ones. The role of the formation of sur-face phases in the processesof desorption and surface diffu-sion is explained.

Дальневосточный государственный университет

© Ли

фшиц

В.Г.

, 199

5

1 0 0

пленках толщиной 50—1000 ангстрем, находящихсяна полупроводниковой подложке, то в конце 70-х го-дов основные задачи микроэлектроники изменились.Наиболее перспективным направлением повышенияинтеграции стало создание многослойных микро-структур, в том числе схемных слоев с задаваемым впроцессе наращивания микрораспределением приме-сей в едином технологическом цикле в условияхсверхвысокого вакуума. В таких процессах уже необ-ходимо рассматривать явления в поверхностных слояхвыращенных структур и исследовать поведение грани-цы раздела полупроводник—очень тонкая (меньше 50ангстрем) пленка металла или диэлектрика.

1. ПОВЕРХНОСТЬИ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ФАЗЫВ этом разделе будет рассмотрена терминология и

изложены физические идеи о том, что следует назы-вать поверхностью, а что — поверхностной фазой.

Обычно при определении поверхности используютподход Гиббса, основанный на следующей идее: вся-кая величина, характеризующая поверхностные свой-ства, определяется как разность макроскопическихвеличин для реального твердого тела, обладающегоповерхностями, и гипотетического твердого тела безповерхностей. На практике последняя из величинпредставляет произведение объемного значенияудельной величины на меру протяженности системы.Так, если Ψ — некая термодинамическая величина, аψ — объемное значение этой величины, приходящее-ся на один атом, то поверхностная величина ΨP опре-деляется как разность (Ψ−Nψ), где N — число атомовв системе. Поясним сказанное на примерах. Атомы наповерхности имеют энергию иную, чем в объеметвердого тела. Если реальная энергия куска твердоготела Ψ, а энергия одного атома (объемного) — ψ, тоэнергия этого же куска твердого тела, состоящеготолько из объемных атомов, была бы Nψ. Разностьэтих величин “реальной” и “только объемной” и отно-сится к поверхности. Другой пример. У атомов на по-верхности меньше соседей, чем в объеме. Следова-тельно, по-другому происходит межатомное взаимо-действие, а значит, устанавливаются другие межатом-ные расстояния между атомами, чем в объеме. А какбыть со вторым атомным слоем под поверхностью —ведь и в нем должно быть несколько иное взаимодей-ствие между атомами, другие расстояния и т.д.? И воттот слой, в котором эти расстояния еще другие, чем вобъеме, и следует называть “поверхностью”. Но приэтом надо помнить следующее. Если межатомные рас-стояния в каком-то твердом теле перестают отличать-ся от объемных, например, на глубине 3-го слоя, то ка-кие-то другие характеристики, например, подвиж-ность электронов, перестает отличаться от объемнойлишь, допустим, на глубине 10-го слоя. Таким обра-зом, с одной стороны “толщина” поверхности 3 атом-

ных слоя, а с другой — 10 слоев. Что же правильно?И то, и то. То есть, когда Вас спрашивают о толщинеповерхностного слоя, следует уточнить — по отноше-нию к какому свойству, параметру и т.д.

Понятие “поверхность” не следует путать с поня-тием “поверхностная фаза”. Теперь рассмотримпредставления о поверхностных фазах [1]. Если, на-пример, рассматриваемая система состоит из двухсоприкасающихся объемных однородных частей вразличных состояниях, находящихся в равновесиидруг с другом, то говорят о двух фазах вещества. Наповерхности, как и в объеме твердого тела, процессыпротекают в сторону установления термодинамиче-ского равновесия, в котором направленное переме-щение атомов отсутствует, то есть в сторону образо-вания фазы, в данном случае — поверхностной, на-ходящейся в состоянии равновесия с объемной фа-зой. Таким образом, можно сказать, что поверхност-ная фаза: 1) чрезвычайно тонкий слой (порядка атом-ных толщин), 2) существует в состоянии термодина-мической устойчивости с объемом и обладает своейэлектронной и кристаллической структурами и свой-ствами. Поверхностной фазе, как и объемной, прису-щи области температурной и концентрационной ус-тойчивости. В целом можно сказать, что поверхност-ная фаза — это новое вещество, хотя и состоящее изтех же атомов, что и объемное, но обладающее со-всем другими характеристиками. Иногда даже ока-зывается так, что у полупроводниковой подложкиповерхностная фаза обладает металлическими свой-ствами. На рис.1 приведена в качестве примера по-верхностная фаза на пластинке кремния, вырезаннойс ориентацией (111). Это так называемая поверхно-стная фаза Si(111)7×7. Здесь обозначение 7×7 пока-зывает, во сколько раз период решетки поверхност-ной фазы больше, чем период решетки кремниевой


Рис.1. Поверхностная фаза Si(111)7×7.

Вид сверху

Вид сбоку

1 0 1

подложки. Видно, что вид решетки достаточно сло-жен. Вот именно так сместились поверхностные ато-мы кремния, чтобы образовать новое поверхностноевещество.

2. ДЛЯ ЧЕГО И КАК ПОЛУЧАТЬ“ЧИСТУЮ ПОВЕРХНОСТЬ”Оказывается, что на воздухе поверхность твердых

тел покрывается тонким слоем окисла (до несколь-ких десятков ¯ ). Это, конечно, меняет все свойстваповерхности. Так, например, очень часто металл, по-крытый тонкой пленкой окисла на поверхности при-обретает полупроводниковые свойства. Поэтому, ес-ли нам предстоит изучать свойства поверхности “чи-стого” вещества, то понятно, что это следует делатьв таком вакууме, в котором скорость подвода частициз окружающей поверхность газовой фазы была не-велика. Эту скорость легко оценить из кинетическойтеории газов. Оказывается, она составляет

N = 3,51·1022P(T/M)1/2, (1)где N — имеет размерность см-2с-1, P — выражается вмиллиметрах ртутного столба, Т— в кельвинах, а М —молекулярная масса.

Если речь идет о молекулах воздуха, то время ад-сорбции одного монослоя газа (примерно 1015 атом/см2)в случае, если все молекулы прилипают к поверхно-сти, составит примерно 3 сек при 10-6 мм рт.ст. и поч-ти 1 час при 10-9 мм рт.ст. То есть для загрязнения внесколько процентов монослоя в процессе экспери-мента порядка часа необходим вакуум, равный (илилучший чем) 10-10 мм рт.ст. Такой вакуум называютсверхвысоким и получают его теперь, как правило, всверхвысоковакуумных установках.

3. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫСВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЙ УСТАНОВКИОсновным элементом сверхвысоковакуумной уста-

новки является собственно камера, соединенная, какправило, через вентиль шиберного типа со сверхвысо-ковакуумным (например, магниторазрядным) насосом.Непосредственно к камере, через соответствующиетрубопроводы, снабженные вентилями, подсоединя-ются насосы, необходимые для предварительной от-качки (как правило, цеолитовые).

Цеолитовые насосы снижают давление от атмос-ферного до давления — 10-3 мм рт.ст., после чеговключается магниторазрядный насос, откачивающийсистему до 10-8—10-10 мм рт.ст.

3.1. Цеолитовые насосыДействие сорбционных насосов основано на связы-

вании газов на поверхностях и в материалах, специ-ально для этого подготовленных. Такие материалыдолжны обладать хорошим (≈1) коэффициентом при-липания, для чего используют элементы с хорошо раз-витой поверхностью, большой энергией связи, низкой

температурой сорбирующей поверхности. Для улуч-шения прилипания активируют газы, сообщают моле-кулам большие скорости, покрывают адсорбирован-ный слой металлом и т.д. Скорость откачки сорбцион-ных насосов пропорциональна площади сорбирующейповерхности. В цеолитовых насосах связывание газовпроисходит на сильно развитых поверхностях пори-стых материалов при температуре окружающей средыили при пониженной температуре.

Цеолиты — это природные минералы (гидрирован-ные алюмосиликаты щелочных или щелочно-земель-ных металлов). Решетка цеолитов образована тетраэд-рами AlO4- и SiO4- и имеет полости и каналы размера-ми ~1 нм, заполненные молекулами воды. После ееудаления получается пористое вещество с очень раз-витой поверхностью (1000 м2 на 1 г цеолита), способ-ное сорбировать воду и газы. Молекулы воды и газовмогут мигрировать по внутренним поверхностям цео-литов, оседая в полостях.

Оказывается, что при понижении температуры уве-личивается проницаемость каналов кристаллическойструктуры, с одной стороны, и эффективность адсорб-ции — с другой. При P = 10-1 Тор и Т = 78 К 1 г цео-лита поглощает ~100 Тор·л азота. При повышениитемпературы до 293 К при P = 10-1 Тор выделитсябольшое количество газа, а в цеолите останется лишь10-3 Тор · л.

Отсюда следует возможность регенерации насыщен-ного газами цеолита, для чего цеолит следует прогретьв вакууме и хранить в вакууме до следующего примене-ния. Простейший цеолитовый насос представляет со-бой цилиндрический резервуар, внутри которого разме-щают цеолит. Внутри резервуара — медные перегород-ки, разделяющие цеолит. Перегородки из материала свысокой теплопроводностью (медь) быстро нагреваютили охлаждают цеолит. Схема цеолитового насоса при-ведена на рис.2. Трубопровод, ведущий к цеолитовомунасосу, снабжен вентилями, позволяющими либо отсе-

Лифшиц В.Г. Поверхность твердого тела и поверхностные фазы

Рис.2. Цеолитовый насос.

Жидкий азот Перегородки

Сетка

Цеолит

1 0 2

кать объем от цеолита (режим регенерации), либо при-соединить откачной объем (режим откачки). Предохра-нительный клапан 3 защищает резервуар от разрушенияв случае десорбции газов из цеолита. Подсоединитель-ный патрубок от насоса к системе должен быть выпол-нен из материала с малой теплопроводностью. Цеолитхорошо откачивает водяной пар, азот, кислород, дву-окись углерода, хуже — аргон, и вовсе не откачивает не-он, гелий, водород. На рис. 3 приведены характеристи-ки откачки цеолитовым насосом разных газов. Видно,что за одно и то же время, например, порядка часа, дав-ление, которое удается получить при откачке азота, на1—2 порядка ниже, чем при откачке аргона и воздуха.

3.2. Магнитные электроразрядные насосыМагнитные электроразрядные насосы относят к

ионным насосам с холодным катодом. В них под дейст-вием высокого напряжения, в разреженном газе междудвумя электродами появляется электрический тлею-щий разряд. При этом происходит ионизация газа, об-разуются ионы и электроны. Разряд поддерживаетсяблагодаря тому, что ионы, ударяясь о поверхность като-да, вызывают эмиссию из него электронов. Эмиссияэлектронов приводит к дальнейшей ионизации газа, ко-торая, в свою очередь, способствует эмиссии электро-

нов. Проходящий через насос электрический ток обра-зован главным образом электронами (из-за их высокойподвижности) и приблизительно пропорционален дав-лению газа. В процессе разряда материал катода распы-ляется, оседая на стенках насоса и электродах, т.е. дей-ствует как чистая сорбирующая поверхность (рис.4).

Распыление металла в условиях ионизации молекулгаза обеспечивает их хорошую откачку. В определен-ной степени и неактивные газы удаляются в результа-те их внедрения в поверхность и замуровывания рас-пыляемым веществом. Количество распыляемого ве-щества примерно пропорционально току, т.е. давле-нию газов. Это означает, что процесс распыления ме-талла — саморегулирующийся и зависит от степениполученного вакуума.

Эффект откачки значительно улучшается, если раз-ряд происходит в магнитном поле. При этом путь элек-тронов от катода к аноду значительно увеличивается,увеличивается количество столкновений электронов смолекулами, а значит, и число ионов, образованныхэлектронами.

Обычно магнитные электроразрядные насосы рабо-тают в области давлений ниже 10-4 Тор. Заметим, что об-разец попадает в сверхвысокий вакуум из атмосферы,т.е. “грязный”, и его надо очистить. Как правило, дляэтого используют один из способов: скол, нагрев, ион-ную бомбардировку, химическую обработку. При сколев вакууме можно получить очень чистую поверхность.Однако часто при этом на поверхности реализуетсяструктура, отличная от таковой, получаемой при прогре-ве. Кроме того, неудачный скол может привести к высо-кой плотности ступеней на поверхности, существованиекоторых определяет множество разнообразных поверх-ностных процессов. Нагрев — хороший метод для уда-ления десорбцией множества чужеродных частиц. Кро-ме, конечно, тех, температура десорбции которых вышетемпературы плавления образца. Метод распыления эф-фективен при удалении большого числа слоев, но не сле-дует забывать, что при этом частично разрушается самаповерхность изучаемого образца. Метод химическойочистки состоит в напуске в камеру газов, реагирующихс примесью с образованием слабосвязанных адсорбатов,которые могут быть термически десорбированы. Этотметод используют реже, чем остальные.

4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯПОВЕРХНОСТИРассмотрим, какими же методами можно изучать

поверхность. Обычно нас интересует структура поверх-ности (имеется в виду реальная и кристаллическая, т.е.дефекты на поверхности и кристаллическая решетка),химический состав и электронная структура. Именнотак и разделяются методы исследования, взаимно до-полняя друг друга, хотя некоторыми из них можнопроводить анализ поверхности с получением совокуп-ности приведенных выше характеристик. Мы рассмот-


N2

Ar

Воздух

Цеолит 5Т = 77K

А

Да

вле

ни

е, Т

ор

100

101

102

103

104

1 10 100 t, мин

Рис.3. Характеристики откачки разных газов.

Рис.4. Магнитный электроразрядный насос.

+

+ èîí

àòîì(ìîëåêóëà) ãàçà

ýëåêòðîí

àòîì òèòàíà

òèòàíîâûåêàòîäû

öèëèíäðè÷åñêèéàíîä

íàïðàâ-ëåíèå

ìàãíèò-íîãîïîëÿ

1 0 3

рим здесь только несколько часто используемых мето-дов, помня о том, что всего сейчас существует не-сколько десятков разнообразных методов исследова-ния поверхности.

4.1. Оже0электронная спектроскопия (ОЭС)Суть метода в том, что атом, имеющий вакансию

на внутреннем уровне, может перейти в невозбуж-денное состояние безрадиационным путем — с испу-сканием электрона. Такой процесс впервые 70 лет на-зад обнаружил французский ученый Пьер Оже, одна-ко сам метод начал использоваться лишь в 70-х годах.Схема оже-перехода представлена на рис.5. Послеионизации К-уровня первичным электроном и запол-нения образовавшейся вакансии электроном, напри-мер, с уровня L1, высвободившаяся энергия можетбыть передана другим электронам, например, находя-щимся на уровнях L2,3. Если эта энергия достаточна,электрон может вылететь из кристалла в вакуум. Этои есть оже-электрон, а такой переход называетсяKL1L2,3-переход.

Оже-спектроскопия построена на анализе распреде-ления вылетевших оже-электронов по энергиям. По-скольку большая часть электронных уровней носитдискретный характер, метод дает информацию обэнергетическом расположении уровней, а следователь-но, о химическом составе вещества. Измерение вели-чины тока испускаемых оже-электронов позволяет, впринципе, производить не только качественные, но иколичественные исследования, что делает метод ОЭСпригодным для анализа элементного состава. Низко-энергетические оже-электроны сильно поглощаютсяуже в одном монослое вещества и могут испускатьсятолько из нескольких поверхностных слоев. Таким об-разом, метод оже-спектроскопии является методоманализа элементного состава тонкой приповерхност-ной области толщиной 0,5—2,0 нм. Это свойство, атакже быстрота получения информации, высокая чув-ствительность, возможность получения сведений обовсех элементах на поверхности при z > 2, о состояниии количестве этих элементов делают метод ОЭС весь-ма эффективным методом исследования.

4.2. Дифракция медленных электронов (ДМЭ)

Это один из наиболее известных методов анализа,тесно связанный с методом ОЭС и прекрасно его до-полняющий. Если ОЭС отвечает на вопросы: что на-ходится на поверхности, где и в каком состоянии, тометод ДМЭ позволяет ответить на вопросы: есть лина поверхности упорядоченные структуры и что с ни-ми происходит во время эксперимента. Метод ДМЭ,благодаря низким значениям энергии электронов, ихмалого проникновения в кристалл, несет информа-цию о самом поверхностном слое и поэтому весьмаудобен для анализа поверхности. Любая регулярнаяповерхность с дальним порядком действует как атом-

ная решетка, вынуждая медленные электроны дифра-гировать. В результате появляется дифракционнаякартина. Яркие рефлексы соответствуют наличию наповерхности периодичности с периодом, равныммежатомному расстоянию в массивном кремнии. Нона поверхности атомы кремния образуют поверхно-стную фазу, период решетки которой в 7 раз большерасстояний между атомами кремния в объеме. Появ-ляется дополнительная периодичность, что и отража-ется на картине ДМЭ в виде появления суперрефлек-сов меньшей интенсивности с расстояниями междуними в 7 раз меньшими, чем между яркими (основ-ными) рефлексами. Так как картина ДМЭ дает обрат-ную решетку рассматриваемой поверхности, наличиетаких суперрефлексов означает существование на ре-альной поверхности монокристаллического кремниядополнительной структуры (сверхрешетки) с перио-дом в 7 раз большим, чем в объемном кремнии, чтомы и видели на рис.1. Разумеется, если на поверхно-сти монокристаллического кремния упорядоченнорасположатся чужеродные атомы, это сразу же отра-зится на картине ДМЭ. На рис.6 мы видим результатнанесения в равновесных условиях одного монослоязолота на эту же поверхность Si(111)7×7 в сверхвысо-ком вакууме. Образуется уже другая структура, с пе-риодичностью в корень из трех раз большей, чем уобъемного кремния. К тому же новая решетка повер-нута относительно основной на 30 градусов. Вот такрасполагаются атомы золота на монокристалле крем-ния, если их нанести один монослой, а подложку на-греть! И метод ДМЭ “видит” это!


Рис.5. Схема Оже-перехода KL1L2,3.

âàêóóì

ïåðâè÷íûéýëåêòðîí

âòîðè÷íûéýëåêòðîí

Îæå-ýëåêòðîíKLL

θ φ

E 2-3 keVpr≈

çîíàïðîâîäèìîñòè

Åñ

Åñâàëåíòíàÿ

çîíà

ýëåêòðîííûåóðîâíè MN

óðîâíè L (2p )2,3

6

óðîâåíü L (1s )1

2

óðîâåíü K(1s )2

EK

EL1

EL2 , 3

EF

1 0 4

4.3. Характеристические потери энергииэлектронами (ХПЭ)

Характеристические потери энергии электронами —это те энергетические потери, которые испытываетэлектрон, отражаясь от поверхности кристалла илипроходя через тонкую пленку вещества. Потери назы-ваются характеристическими, так как энергия потери впервом приближении не зависит от энергии первично-го пучка, а ее величина характерна для данного веще-ства. Рассмотрим положение пиков ХПЭ в общем рас-пределении вторичных электронов по энергиям, рис.7.

Первая группа — группа истинно вторичных элект-ронов, группа 2 — оже-электроны, 3 — электроны, ис-пытавшие характеристические потери энергии, 4 —упруго отраженные электроны. Характеристическиепотери могут быть вызваны межзонными переходами иплазменными колебаниями. Последние представляютзначительный интерес, так как несут информацию о ча-стоте плазменных колебаний, на которые и расходуетсячасть энергии электронов, посылаемых на твердое те-ло. Часть этих электронов (потерявших на возбуждениеплазменных колебаний квант энергии — плазмон) инаблюдаются в группе 3. Из эксперимента можно опре-делить энергию этой потери, а следовательно, и кон-центрацию электронов, учавствующих в плазменныхколебаниях, т.к. частота плазменных колебаний равна

(12.56Ne2/m )1/2, (2)где N — концентрация электронов, а e и m — их заряди масса соответственно.

Понятно, что это очень заманчиво: получать сведе-ния об электронной концентрации на поверхности, ее

изменении по глубине в приповерхностном слое. Од-нако до полного понимания природы спектров ХПЭпока еще далеко.

4.4. Рентгеновская фотоэлектроннаяспектроскопия (РФЭС)

Процесс фотоэлектронной эмиссии состоит в пере-воде связанного электрона в незаполненную зону с по-мощью рентгеновского или ультрафиолетового кванта.Метод оказывается пригодным для анализа приповерх-ностного слоя, а при уменьшении угла вылета электро-нов — и для анализа самого поверхностного слоя. Приэтом оказывается возможным определять химическийсостав поверхности, а в ряде случаев и ее электроннуюструктуру. В упрощенных выражениях можно сказать,что метод РФЭС просто отражает плотность заселен-ных электронных состояний на поверхности, смещен-ную вверх по шкале энергий на энергию кванта.

4.5. Метод электронной микроскопии —анализ угольных реплик

Здесь мы остановимся только на методе угольныхреплик, позволяющих получать “слепок” с поверхно-сти. В этом методе на поверхность образца напыляет-ся тонкий слой углерода, на который затем наноситсяслой желатины. В ряде случаев, после высушивания,удается отделить угольную реплику с желатиной отподложки, после чего обычно реплика оттеняется ка-ким-либо тяжелым металлом (это значит, что несколь-ко монослоев металла наносится на эту реплику состороны углерода под углом). Затем растворяется же-латина, а пленка анализируется в электронном микро-скопе на просвет. Число прошедших через пленкуэлектронов определяется рельефом поверхности, что ипозволяет наблюдать за рельефом поверхности.

4.6. Метод ионной спектроскопии

В большинстве случаев в этом методе в качествебомбардирующих ионов используются ионы инерт-ных газов гелия, неона, аргона с энергиями от несколь-ких сот электрон-вольт до нескольких килоэлектрон-вольт. При этом изучается передача кинетическойэнергии этих ионов атомам поверхности. Несмотря нато, что атомы в твердом теле связаны между собой, ки-нетика первичного столкновения иона с атомом поверх-ности достаточно точно описывается как простое дву-частичное соударение свободных атомов. Длитель-ность соударения мала, энергия взаимодействия вели-ка, а локальные связывающие силы малы. Поэтому наоснове законов сохранения энергии и импульса можноопределить массу рассеивающих атомов, т.е. произве-сти анализ поверхности. При этом, конечно, надо учи-тывать, что в таком взаимодействии возможны каскад-ные явления, эффекты распыления, частичной амор-физации поверхности и пр. Другим способом анализаявляется получение атомов отдачи, вызывающих кас-


..

....

....

...

...

.

...

.

Рис.6. Si(111)+3x+3—Au. Кристаллическая структура.

Рис.7. Спектр вторичных электронов.

2 3

4

E, eV

N(E)

1

1 0 5

кадные явления, т.е. столкновения, при которых частьмишени движется. Если эти движущиеся атомы нахо-дятся близко от поверхности, а векторы их скоростинаправлены наружу — они вылетают из поверхности.Причем прямое выбивание ионом — явление редкое.Чем выше энергия атомов отдачи, тем больше глубина,где они раньше были. Ясно, что чем тяжелей мишень,тем глубина выхода ионов меньше.4.7. Сканирующая туннельная микроскопия

Этот метод был предложен в 1982 г. Биннигом и Ро-рером и теперь стал одним из мощнейших и чувстви-тельнейших методов исследования поверхности. Вэтом методе металлическая игла подводится к образцуна такое близкое расстояние, когда уже волновые фун-кции атомов иглы и подложки начинают перекрывать-ся. Между иглой и образцом прикладывается неболь-шое напряжение и ток, протекающий между иглой иобразцом, фиксируется. Сканирование иглы вдоль по-верхности образца позволяет получить сведения обатомной структуре поверхности, а также судить и об ееэлектронной структуре. Этот метод хорош для опреде-ления локальных позиций атомов верхнего слоя, одна-ко довольно трудно при этом разобраться, к какомуименно материалу относится зафиксированное изо-бражение. Можно сказать, что у этого метода еще всевпереди.

5. ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИИ РОЛЬ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ФАЗВ ЭТИХ ПРОЦЕССАХ

Мы рассмотрим здесь только два поверхностныхпроцесса — десорбцию и диффузию и увидим, какоказывается, что формирование поверхностных фазопределяет эти процессы.

5.1. Десорбция

Обычно считается, что процесс покидания поверх-ности атомами адсорбата при отжиге подчиняетсяэкспоненциальному закону. Посмотрим, так ли это?Проведем эксперимент с пленкой индия, напыленнойна поверхность чистого кремния в сверхвысоком ва-кууме. Для анализа процессов на поверхности будемиспользовать методы ДМЭ и ОЭС. На рис.8 приведе-ны результаты измерения концентрации индия и ана-лиз поверхностных структур, формирующихся приотжиге образца при 450°C. При необходимости будемнаблюдать за поверхностью образца в оптическиймикроскоп.

В процессе отжига в первые несколько секунд всяповерхность покрывается поверхностной упорядочен-ной фазой Si(111)1×1—In с концентрацией In — 50%.На поверхности также находятся островки In, в кото-рые собрались все остальные атомы, не вошедшие всостав фазы. Эти островки покрывают всего лишь 5%

площади, а пространство между ними покрыто поверх-ностной фазой Si(111)1×1—In. Из рисунка видно, чтов первые 6 минут отжига концентрация индия не меня-ется. В это время десорбция атомов In из поверхност-ной фазы компенсируется притоком атомов индия изостровков. Картина ДМЭ при этом, естественно, оста-ется той же. Далее все островки индия истощились —и мы видим, как начинает спадать концентрация ато-мов In на поверхности. При этом картина ДМЭ опять-таки остается прежней! Это значит, что на поверхно-сти остается поверхностная фаза 1×1—In, но часть ин-диевых атомов из нее десорбировались, не нарушиврешетки. Когда же концентрация атомов In достигаеткритической величины и уже поверхностная фазаSi(111)1×1—In существовать не может — происходитее резкое преобразование в менее плотную фазуSi(111)4×1—In с концентрацией 25%, а избыточныеатомы легко десорбируются, т.к. слабо связаны с под-ложкой (а атомы, входящие в состав поверхностныхфаз, крепко связаны с подложкой и не слетают с повер-хности). На рис.8 это сопровождается скачкообразнымизменением концентрации. После того, как с поверх-ности слетели все атомы In, не входящие в состав по-верхностной фазы, начинается более медленная десор-бция атомов, входящих в состав поверхностной фазы4×1. И так далее. Таким образом, мы видим, что десор-бционная кривая — это не простая экспонента. Придесорбции тонких пленок следует различать десорб-цию атомов, входящих в состав поверхностных фаз ине входящих в них. Следовательно, формирование по-верхностных фаз определяет процесс десорбции.

Где же это важно? Например, при формированииповерхностной фазы на подложке со строгим стехио-метрическим (т.е. формульным) содержанием чуже-родных атомов. Ясно, что при этом следует напылитьна поверхность этих атомов несколько больше, чемследует, а затем отжечь при температуре активной де-сорбции атомов, не входящих в состав поверхност-ной фазы. На поверхности останется только искомаяповерхностная фаза. А вот зачем нужна такая повер-


Рис.8. Десорбция индия с поверхности Si(111).

Si(111)4 1 − In

0,4

0,5

0,3

Si(111)1 1R30°− In

×

×

Si(111) 31−In√

0 20 40

450°C

500°C

0,2

0,1

Время отжига, мин

Ко

нц

етр

ац

ия

In

1 0 6

хностная фаза, мы рассмотрим в нашей следующейстатье.

5.2. Гетеродиффузия и формированиеповерхностных фаз

Мы не будем здесь останавливаться подробно наявлении диффузии вообще и поверхностной диффу-зии в частности. Об этом написаны многие и многиемонографии. Видимо, нет нужды и в неких теоретиче-ских описаниях процесса диффузии, ибо всегда сле-дует помнить, что знания — это то, что мы помним,когда забываем, чему нас учили. А уравнения, увы, за-бываются быстро. Здесь хотелось бы рассказать толь-ко о некоторых физических идеях гетеродиффузии,т.е. как и почему диффундируют чужеродные атомыпо поверхности.

Все же одно простое уравнение приведем:I = −D dc/dx, (3)

где I — диффузионный поток, D — коэффициент диф-фузии, характерный для данного материала, состава исостояния поверхности, dc/dx — градиент концентра-ции диффундирующих атомов. Т.е. поток диффунди-рующих атомов тем больший, чем больше отличие ввеличинах концентраций в соседних точках по направ-лению диффузии. Знак “−” показывает, что процессидет в сторону уменьшения концентраций, т.е. в на-правлении их выравнивания.

В последнее десятилетие диффузия на поверхностикремния привлекает большое внимание исследовате-лей в связи с практической значимостью процессов,определяемых поверхностной миграцией. С диффузи-онными процессами связаны представления о ста-бильности работы полупроводниковых приборов.Диффузия по поверхности кремния лежит в основемногих технологических приемов в микроэлектрони-ке, например, таких, как создание гомо- и гетероэпи-таксиальных слоев, легирование и др. Особо важнуюроль играют процессы поверхностной гетеродиффу-зии при разработке физико-технических основ трех-мерных интегральных схем. Хорошо известно, что дляосуществления эпитаксии (т.е. наращивания монокри-сталлической пленки кремния) поверхность образцадолжна быть нагрета до довольно высоких температур(873—1273 К). При таких температурах могут бытьзначительными эффекты, связанные с поверхностнойдиффузией. Рассмотрим простой пример. Пусть пре-дельно допустимая величина области размытия (диф-фузионная зона) λ≈1 мкм (ориентировочное расстоя-ние между элементами микросхемы); время, за кото-рое происходит диффузионное размытие, −10-3 с (вре-мя выращивания одного монослоя при скорости роста~10 мкм/мин, после чего диффузия становится припо-верхностной, а затем объемной). Значение коэффици-ента поверхностной диффузии, при котором поверхно-стная топография будет нарушена, составит (при усло-вии, что λ≈(Dt)1/2 ≈10-5 см2/с, то есть вполне разумную

величину. Таким образом, для решения вопроса о со-хранении топографии поверхности необходимо выяс-нение принципиальной возможности поверхностнойдиффузии различных элементов по кремнию, опреде-ление диффузионных констант, выяснение закономер-ностей, определяющих характер миграционных про-цессов.

Процесс диффузионного перемещения атомоввдоль кристаллической поверхности является в высо-кой степени чувствительным к ее структуре и ориента-ции. Кроме того, при диффузии в условиях субмо-нослойных покрытий, когда система подложка—диф-фузант имеет сложную фазовую диаграмму поверхно-сти, должен проявиться процесс формирования повер-хностных фаз. С увеличением степени покрытия ато-мы металла, совместно с поверхностными атомамикремния, последовательно формируют все более плот-ные поверхностные фазы. Структурные превращенияприводят к изменению электронных свойств поверх-ности. Это, в свою очередь, может сказаться на харак-тере поверхностной миграции атомов.

А теперь рассмотрим процесс поверхностной гете-родиффузии на примере диффузии атомов золота поповерхности кремния. В эксперименте напылим на по-верхность кремния в условиях сверхвысокого вакуумаполоску золота толщиной 10 монослоев и шириной1 мм. После этого произведем отжиг образца. В ре-зультате отжига атомы золота диффундируют в об-ласть поверхности чистого кремния. Но там, где ихконцентрация оказывается достаточной с образуетсяповерхностная фаза и уже эти атомы золота перестаютпринимать участие в процессе диффузии. Однако про-цесс диффузии продолжается (диффундируют ужеатомы, не входящие в состав поверхностной фазы).Ситуация сходна со случаем присутствия горки пескана поверхности смолы. Если подует ветер, песчинкиначнут двигаться, но прилипнут к смоле, а следующиеуже будут двигаться по прилипшим песчинкам. Здесь,конечно, ситуация более сложная, потому что, если наповерхности уже образовавшейся поверхностной фа-зы набралось достаточное количество атомов золота— происходит преобразование этой фазы в болееплотную (вспомним, в десорбции было наоборот). Та-ким образом, на поверхности оказываются две различ-ные поверхностные фазы: более плотная возле поло-ски и более редкая следом за ней. Значит, атомам золо-та из полоски приходится диффундировать то по болееплотной фазе, то по менее плотной. Это разные повер-хностные фазы, а следовательно, атомы золота бегутпо ним с разной скоростью, см. рис.9, чему соответст-вуют разные наклоны на диффузионных кривых.

Ну и для чего это все? А для того, чтобы, понимаяпроисходящее, управлять диффузионным процессом.Например, можно создать такие температурные усло-вия, что диффузия по более плотной фазе будет намно-го быстрее, чем по менее плотной. Это приведет к то-


1 0 7

му, что на поверхности будет распространяться толькоболее плотная фаза. А это значит, можно наноситьстрого фиксированную концентрацию поверхностныхатомов методом диффузионной разгонки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕКонечно, в этой статье не было возможности под-

робно описать все поверхностные процессы, где суще-ствование поверхностных фаз проявлялось бы со всейочевидностью. Пришлось остановиться и на том, чтотакое поверхность и поверхностная фаза, как получитьчистую поверхность и как ее исследовать. Однако, по-видимому, и приведенных данных достаточно, чтобыпонять необходимость учета образования поверхност-ных фаз в самых различных процессах на поверхно-сти. По сути дела, на поверхности разыгрываютсяпрактически те же события, что и в объеме вещества:образуются различные фазы, обладающие своими ха-рактеристиками, определяющими характер процессов.Особенно наглядно это проявляется в процессах гете-родиффузии. Так как вдоль поверхности свойства по-верхности близки к объемным, процессы гетеродиф-фузии протекают аналогично гетеродиффузии в объемс образованием объемных фаз. Отличие состоит в са-мих фазах (на поверхности — поверхностных, а в объ-еме — объемных), а также в величинах диффузионныхкоэффициентов, естественно, больших на поверхно-

сти. В направлении, перпендикулярном поверхности,происходит, например, процесс адсорбции. Этот про-цесс аналогичен добавлению малого количества ато-мов в объем. При некотором, достаточно большом ко-личестве таких атомов, в объеме формируются новыефазы. Этот процесс аналогичен смене поверхностныхфаз при адсорбции на поверхности. Объемные процес-сы изучались уже многие десятки лет. С другой сторо-ны, поверхностные процессы сейчас изучать уже лег-че. Представляется, что на пути сравнения характери-стик объемных и поверхностных процессов и будетдостигнут прогресс в понимании происходящего вобъеме твердого тела и на его поверхности.

ЛИТЕРАТУРАLifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V. Surface phases on

Silicon. Preparation, Structures and properties. JohnWiley and Sons, 1994.

Бинниг Б., Рорер Г. Растровый туннельный микро-скоп. “В мире науки”, 1985, 10, с. 26—33.

Карлсон Т.А. Фотоэлектронная и Оже-спектроскопия.М.: Машиностроение, 1981.

Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума. М.: Мир,1988.

Ашкинази Л.А. Вакуум для науки и техники. М.: Нау-ка, 1987, Библиотечка “Квант”, вып. 58.


0 0,4

0,2

0,4

CAu а

I

0 0,4

б

II

0 0,4

в

II

0 0,4

0,2

0,4

г

II

III

III IV

0,8 0 0,4

0,2

д

II III IV

0,8

V VI

CAu

x, мм

x, мм

C2

ξ1

C1

ξ2

Рис.9. Поверхностная диффузия золота на Si(111): а — 500 °C, 60 мин; б — 660 °C, 40 мин; в — 700 °C, 22 мин; г — 800 °C, 10 мин;д — 900 °C, 8 мин. Области существования структур: I — (6×6)+3x+3; II — +3x+3; III — +3x+3+(5×1); IV — (5×1);V — (5×1)+(7×7); VI — (7×7).

ВВЕДЕНИЕ

Почти сто лет назад, в 1896 году, английский металлург Уильям Ро-бертс-Аустен проделал такой опыт. Он крепко прижал золотой диск котшлифованному торцу цилиндра из чистого свинца, убедился, что кон-такт достаточно плотный, и поместил эту пару на десять дней в печьпри температуре 200 °С. Когда отжиг окончился, оказалось, что метал-лы разъединить уже невозможно. Тогда экспериментатор разрезал со-ставной цилиндр пополам, вдоль оси и, посмотрев на плоскость разре-за под микроскопом, убедился, что золото и свинец остались на концах,а в зоне вблизи границы контакта произошло перемешивание — золотои свинец проникли друг в друга. Такое взаимное проникновение и на-зывается диффузией. Сэру Робертс-Аустену (а он был удостоен этогопочетного в Англии звания за научные заслуги), по-видимому, впервыеудалось наблюдать и зафиксировать диффузию в твердых телах.

Диффузия в газах и жидкостях известна давно. Все обычно представ-ляют, что если в сосуд последовательно впустить разные газы, то черезкороткое время все они перемешаются: число частиц каждого сорта вединице объема сосуда станет постоянным, концентрации выравняются.Вы можете легко убедится в этом сами. Нажмите на головку аэрозольно-го баллончика: запах, очень сильный в первый момент, через короткоевремя становится почти незаметным, потому что молекулы газа, ответ-ственного за запах, распределяются равномерно по всему помещению.

Если в середину блюдца с водой капнуть фиолетовые чернила и не пе-ремешивать воду, то мы увидим, что поверхность раздела, очень четкаяв первый момент, сама по себе начнет постепенно расплываться. Поя-вится переходная зона, которая будет увеличиваться в размере до техпор, пока вся жидкость не станет однородной по составу (мы увидим этопо однородной, бледно-сиреневой окраске). Процесс перемешивания(выравнивания состава) протекает гораздо медленнее, чем в газе, но вконце концов жидкость станет однородной по цвету (и составу).

Внимательный читатель, конечно, заметил оговорку “не перемешиватьводу”. Действительно, если поболтать в воде ложечкой, то процесс пере-мешивания ускорится во много раз. Это — пример внешнего воздействия.Можно дуть на воду, поднимать и опускать край блюдца и т.д. Внешниевоздействия очень важны, но пока о них речи нет. Жидкости (как и газы)перемешиваются, и состав выравнивается без нашей помощи.

Таким образом, мы приходим к новому определению. Диффузия —это самопроизвольное выравнивание концентрации. Атомы (или моле-кулы) сорта А перемещаются оттуда, где их больше, туда, где их мень-ше и где больше атомов сорта В, и наоборот. В результате происходитперемешивание и выравнивание концентрации.

Обратим внимание на то, что диффузию (перемешивание, выравни-вание концентрации) в газах и жидкостях наблюдали очень давно, а втвердых телах — только 100 лет назад. Опыт Робертс-Аустена был

В школьном учебникефизики диффузия рас-сматривается в разде-ле “Атомная и молеку-лярная физика” какпроцесс перемешива-ния молекул в газах ижидкостях. В этой статье рас-сказано о том, почемуи как движутся атомыв твердых телах, ка-кие законы описываютэто движение, в какихслучаях и почему онинарушаются. Чита-тель узнает о путяхразвития и последнихдостижениях науки одиффузии.

In the school textbook ofphysics diffusion is trea-ted under the heading ofatomic and molecularphysics as the processof mixing of molecules ingases and liquids.In the paper it will be dis-cussed why and howatoms are moving in thesolids, how their move-ment is managed, bywhat laws, in what casesand why these laws maybe broken. The readerwill be aware of the latestadvances in diffusionscience.

S U M M A R Y


© Бо

кштейн

Б.С

., 19

95

Б.С.БОКШТЕЙН

ÏÎ×ÅÌÓ È ÊÀÊ ÄÂÈÆÓÒÑßÀÒÎÌÛ Â ÒÂÅÐÄÛÕ ÒÅËÀÕ

Московский государственный институт стали и сплавов

Бокштейн Б.С. Почему и как движутся атомы в твердых телах 1 0 9

первым научным наблюдением диффузии в твердыхтелах. Люди постоянно имеют дело с твердыми тела-ми. Почему же никто не замечал их перемешивания?Попробуем в этом разобраться.

1. ПОЧЕМУ ПРОИСХОДИТДИФФУЗИОННОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Что заставляет молекулы газов, жидкостей, вообщечастицы разных сортов, перемешиваться? Ответ пред-ставляется очевидным: перемешивание — результаттеплового движения частиц. Но за этим "очевидным"ответом стоит законный вопрос: а почему в результатетеплового движения частицы перемешиваются, а не на-оборот, разделяются по сортам? Возьмем пустой сосуди впустим в него порцию азота и порцию кислорода.Газы перемешаются. Подождем: может быть, через не-которое время они разделятся — в одной половине со-суда будет азот, в другой — кислород? Не тут-то было.

Многие другие — да почти все — процессы одно-сторонни. Легко смешать воду и чернила — мы ужевидели, что они и сами смешиваются, и что этот про-цесс можно ускорить, например, поболтав в воде ло-жечкой, но нелепо ждать, чтобы чернила снова собра-лись в каплю. Точно так же легко смешать воду и твер-дое тело — сахар (мы ежедневно делаем это, когдапьем сладкий чай), или два твердых тела — соль и са-хар, если их потрясти. Но безнадежно ждать, пока изсладкой воды выделится кусочек сахара, и можно тря-сти соль и сахар до скончания века — они не разделят-ся. Это относится, кстати, не только к перемешива-нию. Известно, например, что если подсоединить ме-таллическую проволочку к аккумулятору, то она на-греется, но безнадежно ждать, чтобы аккумулятор за-рядился от раскаленной проволочки. Хотя закону со-хранения энергии это не противоречит.

Причины, по которым частицы перемешиваются, свя-заны со вторым законом термодинамики. Термодинами-ка — наука о тепловом движении частиц. Этот закон по-зволяет предсказать направление процессов в зависимо-сти от условий, в которых они происходят. Общая идеявторого закона заключается в том, что любая система, со-стоящая из большого числа частиц, если предоставить еесамой себе, не трогать, стремится к наибольшему беспо-рядку, случайному, хаотическому расположению частиц.Очевидно, что состояние, когда частицы азота и кислоро-да перемешаны, соответствует большей степени беспо-рядка, чем когда весь азот — слева, а кислород — справа.

Стремление к беспорядку одинаково проявляется ив газах, и в жидкостях, и в твердых телах, вызывая слу-чайные, хаотические перемещения частиц, которыеприводят к беспорядку. В этом смысле нет ничего уди-вительного в том, что твердые золото и свинец взаим-

но проникают друг в друга. И тем не менее этот ре-зультат удивителен.

2. КАК ЭТО ПРОИСХОДИТВ ГАЗАХ И ЖИДКОСТЯХ

Вспомним, какие тепловые движения совершают час-тицы в различных агрегатных состояниях вещества. В га-зах частица (атом, молекула) до столкновения с другойчастицей движется прямолинейно, совершает свободныйпробег. После столкновения частица летит по новому на-правлению и с новой скоростью — до следующего столк-новения. Ясно, что промежутки времени между последо-вательными столкновениями разные, так что можно гово-рить только о среднем времени между столкновениями ио средней длине свободного пробега. При комнатной тем-пературе и давлении в одну атмосферу средняя длина сво-бодного пробега молекулы любого газа составляет при-мерно 0,1 мкм, а при давлении 10-6 атм увеличивается до0,1 м. Ясно, что тепловое движение приводит к переме-шиванию, к взаимному проникновению, к диффузии.

В жидкости смещения частиц при тепловом движе-нии сопоставимы с их размерами. Однако положениячастиц, как и в газе, не фиксированны. Частицы все вре-мя смещаются и в результате за достаточно продолжи-тельное время уходят далеко от начального положения.

Движение частиц в жидкости получило название бро-уновского — по имени английского ботаника РобертаБроуна, который в 1827 году наблюдал в микроскоп дви-жение взвеси цветочной пыльцы. Броун отметил, чтовзвешенные частицы двигались непрерывно, описываясамые причудливые траектории; их движение носило ха-отический характер. В конце 70-х годов XIX века былопонято, что причина такой хаотичности — удары молекулжидкости о поверхность взвешенной в ней частицы.Взвешенной — это значит, что плотность пыльцы при-мерно равна плотности жидкости. Если бы частица былабольшой по сравнению с молекулами жидкости, то моле-кулы в среднем одинаково толкали бы ее со всех сторон,и взвешенная частица оставалась бы на месте. Но для ма-ленькой частицы толчки с разных сторон не уравновеши-вают друг друга, и равнодействующая их не равна нулю,а все время меняется по величине и направлению.

Хаотичность броуновского движения хорошо виднана рис.1, где изображены результаты опытов, прове-денных через 80 лет после Броуна, в 1906 году фран-цузским физиком Жаном Перреном. Перрен изучалдвижение частиц гуммигута в глицерине с добавкой12 % воды. Траектории трех частиц гуммигута и пока-заны на рисунке. Кружочки отвечают положениям ча-стиц через равные промежутки времени (одно делениесетки соответствует 3 мкм).

Видно, что движения частиц совершенно случайны:протяженность каждого смещения произвольна, все

1 1 0

направления движения непредсказуемы. Движущиесячастицы не имеют “памяти”: направление каждого по-следующего смещения совершенно не зависит отпредыдущего. Частицы совершают хаотические дви-жения, которые А. Эйнштейн назвал случайнымиблужданиями (random walks). Сами же частицы онуподобил “абсолютно пьяному человеку”, каждый сле-дующий шаг которого непредвидим и абсолютно независит от того, каким был предыдущий.

Эйнштейн был автором первой количественнойтеории броуновского движения (“О движении взве-шенных в покоящейся жидкости частиц, требуемоммолекулярно-кинетической теорией теплоты”, 1905год), а работы Перрена были ее экспериментальнымподтверждением. Ясно, что предсказать смещение от-дельной частицы за время t нельзя: одни частицы поч-ти не сдвинутся с места, другие уйдут довольно дале-ко. Речь может идти только о смещении, усредненномпо всем частицам. Из рис.1 легко видеть, что смеще-ния частиц за достаточно большие промежутки време-ни велики по сравнению с расстоянием между части-цами (в жидкости оно составляет несколько десятыхдолей нанометра). Следовательно, броуновское движе-ние приводит к перемешиванию, к диффузии.

Таким образом, и в газе, и в жидкости основной видтеплового движения частиц приводит к перемешива-нию. Совсем не так обстоит дело в кристаллическихтвердых телах. Для кристалла характерно упорядочен-ное расположение атомов в строго определенных мес-тах — в узлах кристаллической решетки. Кристалли-ческая решетка построена из совершенно одинаковых“кирпичиков”, так называемых элементарных ячеек. Исколько бы мы, если бы могли, ни “гуляли” по кри-сталлу, в любом его месте все устроено одинаково.

Основной вид теплового движения атомов в кри-сталле — это малые колебания в узле решетки. Под-черкнем — МАЛЫЕ. Амплитуда этих колебаний мно-го меньше расстояния между узлами, периода решет-ки. У атома, совершающего такие колебания, нет ника-ких шансов попасть в соседний узел.

Вот почему взаимное проникновение атомов золотаи свинца в опыте Робертс-Аустена, да и вообще пере-

мешивание, диффузия в твердых телах, — факт удиви-тельный и таинственный.

3. КАК ЭТО ПРОИСХОДИТ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ.МОДЕЛЬ СЛУЧАЙНЫХ БЛУЖДАНИЙ

В 1906 году коллега Эйнштейна, работавший с нимпольский физик Мариан Смолуховский предположил,что атомы в кристалле также совершают случайныеблуждания.

Рассмотрим упрощенный вариант теории Смолу-ховского.

Пусть в произвольной плоскости пространства(рис. 2, x = 0) находится группа частиц, которые в неко-торый момент времени (t = 0) начинают двигаться.Предположим, что частицы могут двигаться (совершатьскачки) только по нормали к исходной плоскости, тоесть вдоль оси x, как влево, так и вправо, и что длинакаждого скачка одна и та же и равна ∆ (кстати, для кри-сталла постоянство длины скачка — хорошее прибли-жение, поскольку атом, если уж он перескакивает, товряд ли дальше ближайшего узла, так что ∆ равна меж-атомному расстоянию). Движения частиц совершеннослучайны. Это значит, что вероятность частице совер-шить очередной скачок влево или вправо — одинакова,равна 0,5 и не зависит ни от того, каким был предыду-щий скачок, ни от того, что делают другие частицы.

Зададимся вопросом, что произойдет с частицамиза время t, как далеко уйдут они от исходной плоско-сти. Примем для простоты, что каждый очереднойскачок частица делает через равные промежутки вре-мени τ (“время оседлой жизни”) и, следовательно, завремя t она сделает n = t/τ скачков.

На рис. 2 изображен результат такого мысленногоэксперимента для 10 частиц после n скачков. И из рис.2видно, что предсказать местонахождение любой от-дельной частицы невозможно: одни (N4 и N8, еслисчитать сверху) почти не сдвинутся с места, другие


Рис.1. Броуновское движение трех частиц гуммигута в гли-цериновой эмульсии (по Перрену).

Рис.2. Схема, иллюстрирующая модель случайных блужданий 10частиц. Одномерная задача: частицы движутся вдоль оси х, со-вершая скачки влево или вправо на длину ∆, с вероятностью 1/2.

#12 #8 #4x=0

4 8 x, мм


(NN 2,5,9) уйдут довольно далеко. Речь может идтитолько о смещении, усредненном по всем частицам.Мы будем называть его “путь диффузии” (Xдиф).

Поскольку для каждой частицы вероятность шаг-нуть влево или вправо одна и та же, очевидно, что сред-нее смещение частиц от начального положения (суммасмещений всех частиц с учетом знака, деленная на чис-ло частиц) равно нулю. Поэтому смещение всей груп-пы частиц Смолуховский охарактеризовал среднимквадратом смещения. Как известно, в квадрате и поло-жительные, и отрицательные числа положительны.

Итак, нам надо найти , где черта над xn2

означает операцию усреднения по всем частицам.Смещения частицы после n-го и (n+1)-го скачков

связаны очевидным соотношением:xn+1 = xn ± ∆, (1)

где плюс соответствует движению вправо, а минус —влево.

Возведем обе части равенства (1) в квадрат:x2

n+1 = x2n + ∆2 ± 2xn∆. (2)

Усредним этот результат по всем частицам:

(3)Третье слагаемое справа в равенстве (2) исчезло,

т.к. . Поскольку мы приняли, что ∆ − постоян-ная величина, то .

Равенство (3) справедливо для любого n; значит,и т.д. Таким образом,

. (4)Вспомним, что n = t/τ. Следовательно,

(5)или, если ввести частоту скачков, то есть число скач-ков в единицу времени, Γ = τ-1, то

. (6)

Потренируемся в применении этих уравнений.100 шариков, расположенных вдоль одной линии,начали двигаться одновременно, в направлении,перпендикулярном этой линии, каждый — вдольсвоего желобка, влево или вправо. Вдоль каждогожелобка на расстоянии 0,5 мм расположены ямки, икаждый шарик перескакивает из ямки в ямку. Через10 часов были измерены расстояния всех шариковот исходной линии, и оказалось, что сумма квадра-тов этих расстояний составляет 90 см2. Рассчитаемсреднюю частоту скачков шариков, среднее времяих оседлой жизни и “коэффициент диффузии” ша-риков.

Решим задачу. Из уравнения (6) следует, что

Таким образом, атомы в среднем совершают одинскачок в секунду, а среднее время их оседлой жизниτ = Γ-1 = 1 секунде.

Из уравнения (6) следует, что путь диффузии

. (7)Полученный результат очень важен. Мы знаем, что ес-

ли тело движется с постоянной скоростью V, то пройден-ный им путь пропорционален времени: x = Vt. Теперь мывидим, что если частица совершает случайные блужда-ния, то ее “диффузионный” путь пропорционален корнюквадратному из времени. Такая связь — Xдиф ~ (t)1/2— ха-рактерная особенность диффузии в твердых телах.

Заметим, однако, что хотя полученный результат иважен, но на основной вопрос — как движутся атомыв кристалле, где очень тесно, и где основной вид теп-лового движения, малые колебания, не приводит кдиффузии, — мы пока так и не ответили. Прежде чемотвечать на него, введем несколько новых понятий.

4. ДИФФУЗИОННЫЙ ПОТОКИ КОЭФФИЦИЕНТ ДИФФУЗИИ

Мы уже говорили, что диффузия — это процесс вы-равнивания концентрации. Частицы сорта А переходятиз той части пространства, где их больше, туда, где ихменьше. Следовательно, существует направленноедвижение частиц. Количественной характеристикойэтого движения служит величина, называемая диффу-зионным потоком. Диффузионный поток — это числочастиц, проходящих за единицу времени через пло-щадку S, перпендикулярную направлению потока. На-пример, если частицы движутся только вдоль оси x(такое движение называется одномерным), то потокнаправлен в положительном направлении оси x, есликонцентрация (с) частиц в этом направлении убывает,и в отрицательном — в обратном случае (рис.3).

Выражение для диффузионного потока было впервыенаписано в 1855 году швейцарским физиком АдольфомФиком. Ему пришло в голову, что движение частиц (про-никновение вещества) при диффузии аналогично рас-пространению тепла от горячего тела к холодному. Этотпроцесс называется теплопроводностью. Поэтому дляописания диффузии можно использовать уравнения, ко-торые еще в 1822 году были выведены французским ма-тематиком и физиком Жаном Фурье для теплопроводно-сти. “Достаточно, — писал Фик, — заменить в законеФурье слова “количество тепла” словами “количество ве-щества” и слово “температура” словом “концентрация”.

Согласно Фурье, тепловой поток Jт, то есть количе-ство тепла, переносимого из горячего участка в холод-

∆Γ

= ∆Γ

= ∆τ

= ∆

= ∆= + ∆= ∆= ∆

∆∆

∆

Γ∆ × ×

1 1 2

ный через площадь S за единицу времени, пропорцио-нален величине площади и РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР(∆Т) между этими участками, деленной на расстояниемежду ними (∆x). Правильнее сказать, что поток в каж-дой точке пропорционален градиенту температуры, нонам важен физический смысл, и мы не будем гнаться заматематической чистотой описания. Тем не менее сле-дующее равенство будет приближенным. Итак:

(7)Коэффициент пропорциональности κ — это тепло-

проводность, а знак минус означает, что тепло перено-сится из области с более высокой температурой, болеенагретой — в менее нагретую.

Согласно Фику, диффузионный поток Jдиф направлениз области с большей в область с меньшей концентра-цией, пропорционален величине площади (S), через ко-торую он проходит, и РАЗНОСТИ КОНЦЕНТРАЦИЙ(∆С), деленной на ∆х:

(8)Коэффициент пропорциональности D — это коэффи-циент диффузии.

Таким образом, диффузионный поток зависит отдвух факторов. Первый — это разница концентраций,стимул для перемешивания, движущая сила диффу-зии. Если концентрация всюду одинакова, то переносавещества в определенном направлении, направленногоперемещения вещества, уже не происходит. Частицыпо-прежнему совершают случайные блуждания, одна-ко число частиц, движущихся в разных направлениях,одинаково, и суммарный поток равен нулю.

Второй фактор — это коэффициент диффузии, важ-нейшая характеристика, связанная с интенсивностьютеплового движения. Разница концентраций можетбыть велика, но если коэффициент диффузии равен ну-лю, то диффузионного переноса нет, диффузионный по-ток равен нулю. В этом случае, в отличие от предыду-щего, частицы не совершают и случайных блужданий.

Ситуация эта является достаточно общей. Норвеж-ский физик Ларс Онзагер указал, что любой поток, втом числе и диффузионный, определяется двумя фак-торами: термодинамическим (разница температур,разница концентраций и т.д.) и кинетическим (тепло-проводность, коэффициент диффузии и т.д.). Если вы

любите жизненные аналогии, то представьте, что вамочень нужно или вы очень хотите попасть из Москвыв Париж (большой термодинамический стимул), но са-молеты не летают, поезда не ходят и машины не ездят,а пешком — далеко. Таким образом, кинетической воз-можности добраться до Парижа нет, и вы остаетесь вМоскве. Обратная ситуация: все летает, ходит и ездит,но вы совершенно не хотите в Париж. (Как у Высоцко-го: “Открыт Париж, но мне туда не надо”.) Результаттот же, вы остаетесь в Москве.

5. СВЯЗЬ МЕЖДУ КОЭФФИЦИЕНТОМДИФФУЗИИ И ХАРАКТЕРИСТИКАМИСЛУЧАЙНЫХ БЛУЖДАНИЙ

Связь между коэффициентом диффузии (D) и ха-рактеристиками случайных блужданий: ∆ — длинойскачка и τ — средним временем между двумя скачка-ми, или средним временем оседлой жизни атома, лег-ко найти из соображений размерности.

Если имеется любое соотношение между какими-тофизическими величинами, например, D = f(∆, τ), то раз-мерности левой и правой частей этого равенства должнысовпадать. Выражение 5 м = 5 кг лишено всякого физиче-ского смысла. Если размерность левой части некоторогоравенства отличается от размерности его правой части,то это равенство неверно, сколь хитрыми методами нибыло оно получено. Размерность коэффициента диффу-зии [D] = м2/c. Ясно, что из двух величин: длины скачкаD, измеряемой в метрах, и времени оседлой жизни τ, из-меряемой в секундах, можно устроить только одну ком-бинацию, имеющую размерность м2/c, это – ∆2/τ. Такимобразом, из соображений размерности следует, что

D ~ ∆2/τ. (9)Чего теория размерности, конечно, дать не может, —

это численных коэффициентов. Численный множительв уравнении (9) зависит от геометрии задачи. Если ча-стицы смещаются только вдоль оси х, то

. (10)

Последнее следует из того, что Γ = τ−1.Если атом движется в обычной трехмерной решет-

ке и может совершать скачки вдоль любой из трех де-картовых осей (x, y, z), то

. (11)

Сравнивая уравнения (6) и (10), мы получим связьмежду путем диффузии, коэффициентом диффузии ивременем:

Xдиф = (2Dt)1/2. (12)Мы опять получили очень важные результаты. Ко-

эффициент диффузии пропорционален квадрату дли-ны скачка и частоте скачков и обратно пропорциона-лен среднему времени оседлой жизни атома. Диффу-

∆

τ ∆ Γ

∆

τ ∆ Γ

−κ∆∆


a

c

J

xá

c

J

x

Рис.3. Схема возникновения диффузионного потока. Нарис.3а видно, что частиц слева больше, чем справа. Концен-трация (с) убывает в положительном направлении оси х. Ту-да же направлен поток частиц (слева направо через площад-ку S, перпендикулярную оси х). На рис. 3б – все наоборот.


зионный путь равен корню квадратному из произведе-ния коэффициента диффузии на время.

Интересно сделать некоторые численные оценки.Как вы думаете, часто ли атомы в металле совершаютскачки? Довольно ясно, что в общем виде на такойвопрос не ответить — ответ зависит от природы ме-талла, наверняка — от температуры, то есть интенсив-ности теплового движения атомов, может быть, и ещеот чего-то. Тем не менее ответ существует. Оказывает-ся, почти для всех металлов коэффициенты диффузиивблизи температуры плавления (но еще в твердом со-стоянии) приблизительно одинаковы и равны 10–12 м2/с.Для разных металлов температуры эти, конечно, раз-ные: для свинца — чуть ниже 327 °С, для золота —1063 °С, для железа — 1539 °С, для вольфрама —3387 °С. Пренебрегая в уравнении (11) численным ко-эффициентом (мы делаем оценки и нам важны поряд-ки величины) и принимая длину скачка ∆ = 0,3 нм (по-рядок величины расстояния между атомами в кри-сталлической решетке), так что ∆2 ~ 10–19 м2, находим,что Γ ~ 107 с–1. Следовательно, вблизи температурыплавления атом совершает скачки в металле в среднемдесять миллионов раз в секунду.

Много это или мало? Вроде бы много. На самом делетак даже вопрос ставить нельзя. Сто долларов — этомного или мало? По сравнению с ценой мороженого —много, автомобиля — мало. С чем же сравнивать частотускачков атома? Наиболее естественно — со средней час-тотой колебаний атомов в кристалле η, так как колеба-ния — основной вид теплового движения атомов в кри-сталле. В металлах порядок величины η = 1012—1013 c–1

и почти не зависит от температуры. Таким образом, атомперескакивает в соседний узел сравнительно редко. Дажене семь раз отмеряет, как в пословице, а почти что мил-лион раз “поколеблется” и только потом перескочит. Ещеболее домовитым атом становится при охлаждении ме-талла. У меди, например, температура плавления1083 °С, и при температуре 1075 °С атом меди скачет по-ложенные десять миллионов раз в секунду, а вот при ком-натной температуре время его оседлой жизни составляетни много, ни мало 3 × 1012 лет, то есть он просто сидит наместе. Вот, кстати, и ответ на вопрос, почему так долго ненаблюдали диффузию в твердых телах. Она очень мед-ленная, и заметить ее (а тем более измерить) можнотолько при достаточно высоких температурах. Харак-терные порядки величин коэффициентов диффузии вгазах 10–5 м2/с, в жидкостях 10–9 м2/с (причем и те, идругие слабо зависят от температуры), а в твердых те-лах –10-12 м2/с при температуре, близкой к плавлению, игораздо меньше — при более низких температурах.

Еще одна любопытная оценка. Сравним смещениеатома при диффузии (Хдиф) с общим расстоянием, ко-торое он проходит за то же время (ХΣ). Согласно

уравнению (6) Хдиф = ∆ (Γ t)1/2, а общее расстояниеравно, очевидно, ХΣ = ∆ × Γ × t. Принимая ∆ = 0,3 нм,Γ = 107 с-1 (при Т = Тпл) и t = 100 часов = 3,6 × 105 с,получим Хдиф ~ 6 × 10-4 м = 0,6 мм и ХΣ = 1080 мили более одного километра. Таким образом, прой-дя целый километр, атомы смещаются в среднемменьше, чем на 1 мм. Вот сколь мала эффектив-ность случайных блужданий по сравнению с целе-направленным движением в одном направлении.

Кстати, эту оценку можно рассматривать и как убе-дительное свидетельство вреда алкоголя: пьяный че-ловек далеко не уйдет, его движение совершенно неэф-фективно.

Итак, диффузия в твердых телах, пусть медленно,гораздо медленнее, чем в газах и жидкостях, но проис-ходит, а мы до сих пор не ответили на вопрос, как этопроисходит, если малые колебания не приводят к пере-мешиванию, к диффузии. Каков механизм случайныхблужданий атомов в кристаллах? Как им удается пере-скакивать из одного узла в другой, хоть и редко посравнению с частотой колебаний?

6. КАК ЖЕ ВСЕТАКИ ЭТО ПРОИСХОДИТ.СЛУЧАЙНЫЕ БЛУЖДАНИЯ В КРИСТАЛЛАХ

Ответ на этот вопрос дал русский физик-теоретикЯков Френкель. В своих воспоминаниях, посвященныхФренкелю, английский физик Невилл Мотт, много летвозглавлявший знаменитую Кавендишскую лаборато-рию, писал, что в Англии каждый студент-физик знаето “дефектах по Френкелю”. Что же это такое?

Вот как описывал это сам Френкель в статье “О теп-ловом движении в твердых и жидких телах”, опубли-кованной в 1926 году в немецком журнале “Zeitschriftfur Physik”. Прошу прощения за длинную цитату (смоими комментариями в квадратных скобках), но ужбольно красиво.

“Предположим, что какой-нибудь атом, набравшийслучайно избыточную энергию, вырывается из клетки,образованной его соседями, как бы раздвигая “прутья”этой клетки, и вылетает в какую-то внутреннюю по-лость [пространство между узлами, междоузлие]. Мывидим, таким образом, что один из узлов окажется ва-кантным, зато одно из междоузлий окажется занятым.Переходя из одного междоузлия в соседнее, атом мо-жет странствовать по всему внутреннему пространст-ву кристалла.

Так как эти нарушения правильности обусловленытепловым движением, количество вакансий должнобыть тем больше, чем выше температура. Около темпе-ратуры плавления число вакансий может достигать при-мерно одного процента по отношению к числу атомов.[Тут Френкель ошибся почти в 100 раз: около температу-ры плавления доля вакансий несколько превышает

1 1 4

0,01%, т.е. один простой узел приходится на несколько(до десяти) тысяч занятых.]L

Не обязательно, чтобы число свободных вакансий вточности равнялось числу междоузельных атомов. Ва-кансия может возникнуть и проникать внутрь кристал-ла путем перехода одного из атомов на поверхность.[Последовательные этапы такого процесса изображе-ны на рис. 4.] Этот механизм [образование вакансий]можно рассматривать как растворение в кристалле ок-ружающей пустоты. Наличие в кристалле вакансийобеспечивает его атомам подвижность, возможностьперемещаться по всему его объему...”

Процитированные строки — ярчайший образец аб-страктного мышления и предвидения. Заметьте, что в1926 году никто этих вакансий и в глаза не видел. По-сле появления работы Френкеля их вначале “увидели”на пузырьковой модели, в которой двумерный кри-сталл моделировали пленкой из мыльных пузырей,лопнувший пузырек — это вакансия (рис. 5). Многопозже их действительно увидели с помощью прибо-ров, дающих большое увеличение и позволяющих раз-личить отдельные атомы и вакансии. Например, нарис.6 вы видите “фотографию” вакансии, сделаную спомощью автоионного микроскопа.

Таким образом, Френкель придумал два основныхмеханизма диффузии в твердых телах: вакансионный(рис. 7а: атом перемещается, обмениваясь местами свакансией) и междоузельный (рис. 7б: атом перемеща-ется по междоузлиям). Вторым способом перемеща-ются маленькие (по размеру) атомы, например, угле-род в железе, а вакансионным — все остальные; это —самый распространенный механизм.

Вот мы и ответили на вопрос, как это происходит,каков механизм случайных блужданий атомов в кри-сталлах. Чтобы атом в кристалле перескочил в сосед-ний узел, нужно, чтобы одновременно произошли двасобытия: этот соседний узел оказался вакантным, пус-тым, и атом поменялся местами с соседкой-вакансией.Эти два события независимы, а вероятность одновре-менного наступления двух независимых событий рав-на произведению вероятностей каждого из этих собы-тий. Первого события атому приходится ждать доста-точно долго, поскольку даже вблизи температуры

плавления вакансий в несколько тысяч раз меньше,чем атомов, а при более низких температурах вакансийвсе меньше и меньше. Но и второе событие требует за-трат энергии, хотя бы на то, чтобы раздвинуть соседей,и происходит не слишком часто. Вот почему диффузияв твердых телах — процесс медленный, и частотаскачков даже вблизи температуры плавления в десятьмиллионов раз меньше частоты колебаний.


Итак, мы уже выяснили несколько простых и важ-ных закономерностей.

а. Диффузия есть результат случайных блужданий.


Рис.4. Последовательные стадии образования "атома пустоты" —вакансии и ее перемещения с поверхности внутрь кристалла.

Рис.5. Лопнувший пузырек — вакансия в двумерной моделикристалла.

Рис.6. Вакансия (указана стрелкой) сфотографирована с по-мощью ионного микроскопа (увеличение 2 000 000).

Рис.7. Два основных механизма диффузии в твердых телах:вакансионный (а) – атом меняется местами с вакансией имеждоузельный (б).

a á â

а б

1 1 5

б. Диффузионный путь, или глубина проникнове-ния вещества при диффузии, или ширина области пе-ремешивания, пропорционален корню квадратному изпроизведения коэффициента диффузии на время.

в. Коэффициент диффузии — это коэффициент про-порциональности между плотностью потока вещества(количеством вещества, проходящим в единицу време-ни через единицу площади) и разностью концентра-ций этого вещества в двух близких точках, деленнойна расстояние между ними (градиентом концентра-ции).

г. Коэффициент диффузии пропорционален квадра-ту длины скачка и частоте скачков атомов или обратнопропорционален среднему времени их оседлой жизни.

д. Основной механизм диффузии в кристаллах —вакансионный: атом движется, обмениваясь местами ссоседками-вакансиями. Маленькие примесные атомыдвижутся по междоузельному механизму, перескаки-вая из одного междоузлия в соседнее.

е. Коэффициент диффузии (как и частота скачковатомов, как и концентрация вакансий) растет с ростомтемпературы.

Об этом стоит поговорить подробнее.По-видимому, это — прямое следствие увеличения

интенсивности теплового движения атомов с ростомтемпературы. Уравнение, описывающее температур-ную зависимость коэффициента диффузии, называет-ся уравнением Аррениуса. Оно названо так по именишведского физико-химика Сванте Аррениуса, которыйвпервые написал его, правда, не для диффузии, а дляскорости химических реакций. Вот оно:

D = Doexp(−E/RT), (13)здесь Do — предэкспоненциальный множитель, Е —энергия активации процесса диффузии. Обе величиныне зависят от температуры и Е > 0. Поэтому коэффици-ент диффузии растет с ростом температуры вплоть дотемпературы плавления и тем сильнее, чем больше

энергия активации. Зависимость D(T) в уравнении (13)называется экспоненциальной. Это — сильная зависи-мость, значительно более сильная, чем линейная. Онаизображена на рис.8. Для оценки энергии активации су-ществует много полезных, так называемых корреляци-онных, соотношений. Наиболее полезны корреляциимежду энергией активации и теплотой плавления (λ)

Е ~ 15 × λ. (14)и энергией активации и температурой плавления (Тпл)

Е ~ 18 RTпл (15)В уравнении (15), как и в (13), R — газовая постоян-ная; R = 8,314 Дж/моль К.

Предэкспоненциальный множитель Dо ≈ 10-4 м2/с,во всяком случае, близок к этому значению для боль-шинства металлов.

Пользуясь уравнениями (13) и (15), легко оценитьпорядок величины коэффициента диффузии при раз-личных, так называемых сходственных температу-рах, т.е. при различных отношениях Т/Тпл. Так, еслиТ/Тпл ≈ 1, то D = Doexp(−E/RT)= Doexp(−18RТпл/RТпл)≈≈ 10−4 exp(−18) ≈ 10-12 м2/с. Мы уже говорили об этомкак об экспериментальном факте, и оценивали со-ответствующий путь диффузии за 100 часов Хдиф ≈≈0.6 мм. Точно так же легко показать, что при Т/Тпл = 0.7(для меди это, например, 0,7 × 1356 = 949 К = 676 °С)D ≈10−4 exp(−18/0,7) ≈ 10−15 м2/с и за 100 часов Хдиф == (2Dt)1/2 ≈ 25 мкм, а при Т/Тпл = 0.5 (для меди это 543 Кили 270 °С) D ≈ 10−24 м2/с и Хдиф ≈ 1 нм, т.е. близок кмежатомному расстоянию.

Таким образом, пока что мы приходим к выводу, чтопри температурах ниже 0,4 Тпл диффузия не имеет ни-какого практического значения. Это — высокотемпе-ратурный процесс.

Как же быть с опытом Робертс-Аустена, с которого мыначали? Он изучал диффузию в системе свинец—золотопри 200 °С. Правда, для свинца с его Тпл = 327 °С = 660 Кэта температура составляет примерно 0,7 Тпл (хотя и приэтой температуре диффузионный путь не слишком ве-лик), но для золота (Тпл = 1063 °С) это всего 0,35 Тпл.

Какую же диффузию наблюдал Робертс-Аустен?Чего-то мы, видимо, пока не знаем, и это, равно как

и сегодняшняя ситуация в науке о диффузии, — темадругой статьи.

ЛИТЕРАТУРАШьюмон П. Диффузия в твердых телах. Пер. с англ. М.:Металлургия, 1966.

Гегузин Я.Е. Очерки о диффузии в кристаллах. М: Нау-ка, 1970.

Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М: Металлургия,1978.

Бокштейн Б.С. Атомы блуждают по кристаллу. М: Нау-ка, 1983, Библиотека "Квант", вып.28.

Бокштейн Б.С. Почему и как движутся атомы в твердых телах

Рис.8. Экспоненциальная зависимость коэффициента диф-фузии от температуры.

0,5Тпл 0,6Тпл 0,7Тпл0,8Тпл0,9Тпл

10 16

10 15

5 . 10 16

Т

D, м2/с

ВВЕДЕНИЕ

Сто десять лет назад, в 1885 году, И.Я.Бальмер положил начало атом-ной спектроскопии. Сведения о строении атомов — модель Резерфор-да—Бора и квантово-механическая интерпретация его устройства —сложились окончательно в 20-х годах нашего столетия, однако исследо-вания атомов проводят и теперь. Выяснен ряд важных деталей их спек-тров излучения и поглощения, особенностей заполнения электронныхслоев, возбужденных состояний, взаимодействия атомов, воздействияна них электрического и магнитного полей и другое. Проведение такихизмерений стало возможным благодаря развитию теории и техники экс-перимента, в частности — увеличению чувствительности и разрешаю-щей способности спектральных приборов различных диапазонов элект-ромагнитных волн. Особую роль сыграло создание и усовершенствова-ние лазеров, позволяющих установить тонкую структуру спектральныхлиний, причины их уширения, определить времена жизни электроноватомов в различных состояниях, изучать многофотонные и нелинейныепроцессы. Спектроскопия и сейчас является основным средством изуче-ния атомов, но, как будет видно из дальнейшего изложения, оптически-ми диапазонами электромагнитных волн уже не ограничиваются.

Термин “одиночный атом” можно понимать двояко. Во-первых, этодействительное наблюдение одиночных частиц. Таков теоретическийпредел чувствительности определения свойств вещества. Во-вторых,это наблюдение пусть и множества атомов, но настолько слабо взаи-модействующих между собой и с другими объектами, что они ведутсебя как изолированные от воздействий одиночные атомы. Именно овторой возможности, в основном, и будет идти речь, но для начала,тем не менее, остановимся на первой.

Как известно, атом имеет размер ≥ 10-10 м = 0,1 нм. Это соответст-вует разрешению современных электронных микроскопов. Но де-тальное изучение атомов позволяет провести лазерная спектроско-пия, основанная на применении монохроматических оптических ге-нераторов-лазеров.

Один из самых впечатляющих примеров — фотоионизационныйметод [1], в котором последовательное поглощение атомом двух (илинескольких) резонансных фотонов из двух- или многочастотного ла-зерного луча приводит к фотоионизации атома и появлению пары за-ряженных частиц — фотоиона и фотоэлектрона, которые легко регист-рируются, например, электронным умножителем. Эффективность та-кого способа связана с тем, что в процессе эксперимента в конечномитоге наблюдают заряженные частицы вместо изучаемых обычнымиоптическими средствами нейтральных атомов, а регистрация заряжен-ных частиц всегда намного проще и метод оказался чувствительнее.

Рис. 1 иллюстрирует сказанное. Здесь первый из лазеров освещаетатомы А на частоте излучения ν1, соответствующей поглощению, врезультате которого атом переходит в возбужденное состояние, а вто-


Е.М.ГЕРШЕНЗОН

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅÎÄÈÍÎ×ÍÛÕ ÀÒÎÌÎÂ

Излагаются резуль-таты исследованияатомов в таких ус-ловиях, когда в пол-ной мере проявля-ются квантовыеособенности ихспектров в отсут-ствие внешних воз-действий.

This article presentsresults on theresearch of atomsunder conditionswhen the quantumpeculiarities of theatomic spectra in theabsence of externalinfluences are pre-dominantly revealed.

Московский педагогический государственный университет

© Герш

ензон Е.М

., 19

95

S U M M A R Y

1 1 7Гершензон Е.М. Исследование одиночных атомов

рой вызывает его фотоионизацию и, тем самым, появ-ление пары регистрируемых заряженных частиц.

С помощью этого способа детектируют только воз-бужденные первым лазером атомы на фоне невозбуж-денных. Их ионизация осуществляется дополнитель-ным лазерным импульсом с энергией фотонов, котораядостаточна, чтобы ионизовать возбужденные атомы,но мала для ионизации невозбужденных атомов. Еслиинтенсивности возбуждающего и ионизирующего ла-зерных импульсов высоки, то такую двуступенчатуюселективную фотоионизацию можно осуществлять за10-7—10-9 сек со 100%-ной вероятностью. Образую-щийся “фотоион” регистрируется также со 100%-нойэффективностью. Естественно, что в случае необходи-мости можно применить трехступенчатую схему фото-ионизации и другие методы.

Отметим, однако, что в рассмотренном методе мыимеем дело хоть и с “одиночным” атомом, но подвер-гающимся, как правило, существенным внешним воз-действиям. Рассмотрим другую ранее упомянутуювозможность — изучение совокупности атомов, кото-рые ведут себя как изолированные. Приведем два до-статочно экзотичных и парадоксальных примера из со-вершенно различных разделов физики.

1. ГИГАНТСКИЕ АТОМЫ В КОСМОСЕ [2]

Простейшим является атом водорода Н, состоящийиз одного протона и одного электрона. Поэтому выяс-нение его особенностей представляет особый интерес.

Линейные размеры атомов водорода в обычных, зем-ных условиях составляют порядка 10-10 м и растут припереходе электрона в возбужденные состояния пропор-ционально квадрату главного квантового числа n:

а энергия ионизации атома в соответствующих состоя-ниях уменьшается пропорционально n2:

До каких значений n может существовать атом и,тем самым, каковы могут быть его максимальные раз-меры и сколь малые кванты энергии могут испускать-ся или поглощаться при переходах электронов междувысокими возбужденными состояниями?

Никаких запретов принципиального характера здесьнет — в силу принципа соответствия должен наблю-

даться плавный переход от линейчатого к сплошномуспектру электрона — от дискретных уровней и порцийэнергии при переходах между различными энергетиче-скими состояниями к непрерывному (континууму).

Иначе говоря, возможен переход электрона на всеболее высокие уровни, вплоть до отрыва электрона отядра — ионизации атома, в результате чего атом пре-вращается из нейтральной частицы в положительнозаряженный ион. Так же возможен, как и обратныйпроцесс — захват ионом свободного электрона (его ре-комбинация) на любой уровень со сколь угодно боль-шим квантовым числом n.

Но есть ряд причин, ограничивающих возможностьсуществования сколь угодно высоких возбужденныхсостояний атома и их наблюдения. Перечислим важ-нейшие из них.

Первая заключается в том, что неверно представле-ние о бесконечной узости любого энергетическогоуровня атома, а значит, о бесконечно малой ширинелиний излучения или поглощения при переходах элек-трона с одного уровня на другой. В силу соотношениянеопределенностей Гейзенберга каждый уровень обла-дает шириной ∆Е ≈ h/τ, τ — время жизни атома в соот-ветствующем состоянии. В обычных условиях време-на жизни электронов в высоких возбужденных состоя-ниях атомов очень малы (≈ 10-11 с и короче), что при-водит к значительной естественной ширине линий и,кстати, резкому падению интенсивности наблюдаемыхпереходов между уровнями со значительными n.

Время жизни атомов в тех или иных состоянияхограничивается воздействием на них излучений,столкновений атомов между собой и другими части-цами. Чем плотнее газ, чем выше в нем давление,температура, тем меньше время жизни и большеуширение линий.

Второе ограничение связано с движением атома какцелого — из-за разброса по скоростям атомов ∆v, на-пример — в исследуемом газе, возникают различныесмещения частоты регистрируемых линий поглоще-ния или излучения (эффект Доплера); это уширениелиний тем больше, чем выше температура, определяю-щая тепловую скорость хаотического движения ато-мов: ∆ν/ν ~ ∆v/c, где с — скорость света.

В сильно разреженном газе становится существен-ным, что возбужденные атомы, вернее, их заряженныекомпоненты, взаимодействуют с оказавшимися вблизизаряженными частицами. При этом энергетическиеуровни атомов расщепляются (эффект Штарка), и прихаотическом движении атомов тоже возникает ушире-ние линий. Важно, что штарковское уширение должноувеличиваться с ростом n, так как возрастает вероят-ность прохождения заряженных частиц рядом с увели-чившимся в размерах атомом.

Отсюда ясно, что наблюдение спектральных линий

Рис.1. Двухфотонная фотоионизация атомов с помощью ла-зеров.

e−

A+

Ahν1 hν2

A+ + e−

hν2

hν1

2

1

фотоионизация

A

r = n2 = n2 · 0,5 · 1010м,ћ2

me2

E = = 13,6 · эВ [3].2ћ2

me4

n2

1

n2

1·

(1)

(2)

1 1 8

высоковозбужденных атомов — задача сложная. Каж-дому ni соответствует своя серия линий. Для водорода

где R = 3,288·1015 Гц; первая линия серии (k = i+1), со-ответствующая переходу между соседними состояния-ми, называется головной. Чем выше ni, тем меньшимчастотам, и, следовательно, более длинным волнам,соответствуют наблюдаемые головные линии серий.Трудности продвижения экспериментальных исследо-ваний в этой области спектроскопии иллюстрируютсяхотя бы тем, что, вслед за сериями Лаймана, Бальмераи Пашена, исследования которых предшествовали тео-рии атома Бора, линия в серии Пфунда (ni = 5 → nk = 6)на волне 7,46 мкм (инфракрасный диапазон волн) бы-ла обнаружена в спектре водорода через 11 лет послеопубликования постулатов Бора, а линия в серии Хам-фри (ni = 6 → nk = 7) на волне 12,3 мкм — лишь через40 лет (см.рис. 2). Тогда же стало ясно, что классиче-ская лабораторная спектроскопия высоковозбужден-ных атомов практически себя исчерпала.

Подставляя в (3) все большие значения ni, nk, легкоубедиться, что при n > 30 должен наблюдаться переходот инфракрасной области излучения к коротковолно-вым участкам радиоволн — миллиметровым волнам, апри n > 60 — к сантиметровым и более длинным ра-диоволнам. Поэтому попытки исследовать высоковоз-бужденные атомы, во-первых, необходимо вести вовсене в привычном для атомной спектроскопии оптиче-

ском диапазоне, а в радиодиапазонах, и, во-вторых, не в обычных лабораторных услови-ях, когда время жизни в возбужденных со-стояниях мало, а линии уширены, а в некихэкзотических условиях. Такие исследованиябыли проведены с помощью наземных ра-диотелескопов; объектами были атомы в глу-боком космосе — эмиссионные туманности— галактические образования ионизирован-ного водорода (в туманностях Омега, Ориони других). В 1959 году Н.С.Кардашевым было теорети-чески показано, что в разреженной межзвезд-ной среде реально наблюдение высоковоз-бужденных атомов с n ~ 100, образующихсяв результате рекомбинации имеющихся в нейзаряженных частиц — электронов и ионов.Во время каскадных захватов в основное со-стояние электроны с некоторой вероятно-стью должны излучать кванты в радиодиапа-зоне при переходах между близкими высоко-возбужденными уровнями. Такие “радиоли-

нии” можно наблюдать из-за того, что малая вероят-ность этих процессов может компенсироваться длянаиболее распространенных в межзвездной среде эле-ментов — водорода и гелия — за счет гигантских мас-штабов исследуемых объектов вдоль “луча зрения” ра-диотелескопа. Поиск линий следовало вести в направ-лениях туманностей. Интенсивность искомых линий,пропорциональная произведению Ne

2·L (Ne — концен-трация электронов, а L — протяженность туманностивдоль луча зрения), должна быть максимальной, но неза счет величины Ne, а за счет L. Тогда перечисленныевыше источники уширения линий будут существенноослаблены, а интенсивность станет достаточной длянаблюдений с помощью чувствительных приемныхустройств радиотелескопов.

Эта труднейшая экспериментальная задача была ре-шена в 60-х годах несколькими группами российских,а позже западных радиоастрономов, сперва в санти-метровом и миллиметровом диапазонах волн, а позжеи в декаметровом диапазоне.

Действительность превзошла предсказания теории.Были обнаружены радиолинии излучения возбужден-ного водорода на частоте ν = 8872 МГц (λ = 3,38 см),обусловленные переходом между уровнями с главны-ми квантовыми числами 91 и 90, а затем на частоте5763 Мгц (λ = 5,21 см), соответствующей переходумежду уровнями с nk = 105 и ni = 104. В дальнейшемнаблюдались линии с n = 109, 156, 158 и 220, а такжерадиолинии с n ≈ 100 и для атомов Не. Важно, что на-блюдения сопровождались систематическим смеще-нием линий, связанным с изменением лучевой скоро-сти излучающего источника из-за перемещения Земли


→

→

→

→

!"!#

!"!#

→ $ "!%

→ $ !

→ $ !

$

→ & '(

→ & )(*

→ & +,&-

→ & ).

→ & +/

→ & 01

2- + *

−

−

−

/

-(

-

-

3$&

(

&

$

n = R ,−1

n2i

1

n2k

( ) (3)

Рис.2. Головные линии спектральных серий водорода.

1 1 9

по ее орбите: это однозначно доказало космическоепроисхождение обнаруженных линий. Исследованияпродолжались на все более длинных волнах и привелик ошеломляющему результату — на декаметровыхволнах были обнаружены линии углерода С вплоть доλ = 18 м, что соответствует переходу 733 → 732. Нарис.2 приведены более подробные данные измерений,схемы переходов и годы их наблюдения. На рис.3 изо-бражены спектрограммы ряда наблюдавшихся линийдля водорода и углерода. По оси абсцисс отложена ча-стота, пересчитанная в лучевую скорость источникаизлучения по формуле v = c∆ν/ν, где ν — расчетная ча-стота линии, ∆ν — смещение частоты, с — скоростьсвета. По оси ординат дана интенсивность в относи-тельных единицах. Спектрограммы соответствуют пе-реходам (сверху вниз) 91 → 90, 57 → 56 (водорода),733 → 732, 632 → 631 (углерода), указанным на рис. 2.Видно, что для водорода характерно наличие излуча-тельных переходов, в то время как у углерода измере-ны линии поглощения.

Чем же объясняется, что оказалось возможным на-блюдение линий с n >> 100 и наличие спектров погло-щения углерода, атомов которого в межзвездной средезначительно меньше, чем водорода?

Анализ показал, что при взаимодействии высоковоз-бужденных атомов с заряженными частицами (а это вусловиях выполненных экспериментов — основнаяпричина уширения линий) происходит своеобразнаякомпенсации эффекта Штарка: соседние очень близкиемежду собой уровни возмущаются электрическим взаи-модействием с частицами почти одинаково. Поэтому,хотя уровни смещаются, разность энергий между сдви-нутыми уровнями изменяется на несколько порядковменьше, чем положение самих уровней. Кроме того,при наблюдении объектов с неоднородной концентра-цией частиц, какими являются туманности (их сердце-вина, ядро туманности, является более плотной), на раз-ных частотах мы на самом деле зондируем различныеобласти этого источника: для излучения, обусловленно-го переходами между соседними уровнями со все болеевысокими n, то есть на низких частотах, ядро туманно-сти становится все менее прозрачным и принимаемыелинии формируются в основном в оболочке туманно-сти, где плотность существенно ниже и оказывается не-достаточной для проявления штарковского уширения.

Ответ на вопрос, почему при наиболее высоких nобнаруживаются именно линии атомов углерода, а ненаиболее распространенного в космическом про-странстве водорода, оказался парадоксальным. Ре-зультат объясняется именно тем, что углерода сущест-венно меньше. Энергия ионизации водорода 13,6 эВ, адля внешнего электрона атома углерода — 11,2 эВ.Поэтому в областях, далеких от горячих звезд, иони-зирующих водород своим ультрафиолетовым излуче-нием, свободных электронов очень мало, и водородоказывается практически весь нейтральным. Ионовже углерода, наиболее обильного из элементов с мень-шей энергией ионизации, чем у атомов водорода, хотяи мало по абсолютной величине, но достаточно дляпроявления линий, возникающих при их рекомбина-ции с электронами в процессе каскадных переходов,ее сопровождающих. В результате в таких холодныхобластях при наиболее высоких значениях главногоквантового числа n должны наблюдаться действитель-но линии углерода, причем именно в поглощении: вы-соковозбужденные слои отбирают энергию радиоиз-лучения источника в резонансных рекомбинационныхлиниях, как это всегда бывает, когда сквозь более хо-лодный газ распространяется излучение от более го-рячего источника. К числу таких областей холодногогаза относится, в частности, и область, сквозь кото-рую проходит к Земле радиоизлучение интенсивногоисточника Кассиопея А, для которого и приведеныданные на рис. 3.

Таким образом, в результате проведенных исследова-ний было установлено, что в условиях Галактики атомкак квантовая система может существовать вплоть доуровней возбуждения, соответствующих главномуквантовому числу n ~ 1000, когда его линейные размерыдолжны быть порядка 0,1 мм (ведь они пропорциональ-ны n2), то есть в миллион раз больше, чем у обычногоатома! Это можно проиллюстрировать таким образом:размеры атома в основном состоянии с n = 1 и в высо-ковозбужденном с n = 1000 относятся так, как, напри-мер, диаметры горошины и Садового кольца в Москве.

Легко вычислить и минимальный наблюдаемый вэтих радиоастрономических экспериментах квантэнергии при переходах между высокими возбужден-ными состояниями: при λ = 18 м

E = hν = hc/λ ≈ 1·10-19 эрг.Так методами космической радиоспектроскопии

была решена сформулированная выше важная и увле-кательная задача. Она представляет не только самосто-ятельный интерес, но и прекрасно отражает одну изсамых характерных особенностей современной физи-ки: целый ряд проблем микромира оказывается воз-можным решить только путем изучения явлений в ме-гамире, когда Космос представляет нам эксперимен-

Гершензон Е.М. Исследование одиночных атомов

Рис.3. Спектрограммы ряда линий излучения водорода и углерода.

− − − &4$

1 2 0

тальные возможности, не реализуемые в условиях зем-ных лабораторий.

2. ИЗОЛИРОВАННЫЕ ВОДОРОДОПОДОБНЫЕ ПРИМЕСНЫЕ АТОМЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ [4,5]

Другим примером современного исследования ато-мов, когда они оказываются имеющими вполне ощути-мые макроскопические размеры, является, как это нипарадоксально, их изучение в определенных условияхв конденсированном состоянии вещества, например, вполупроводнике при низких температурах.

В полупроводниках, таких, скажем, как германий(Ge), элемент IV группы таблицы Менделеева, элек-трически активными донорными примесями явля-ются атомы элементов V группы, например — сурь-ма (Sb). У атома Sb пять электронов во внешнейоболочке, из которых, подобно всем валентнымэлектронам атомов Ge, участвуют в ковалентныхсвязях с соседними атомами только четыре. Одинэлектрон оказывается “лишним” и атом сурьмы, за-местивший в кристаллической решетке атом Ge, ве-дет себя как водородоподобный атом — его единст-венный слабо взаимодействующий с соседними ато-мами Ge электрон связан кулоновской силой с “цен-тральной ячейкой”, состоящей из ядра и всех ос-тальных электронов атома Sb, и имеющей, тем са-мым, результирующий заряд +е, как у атома водоро-да. Энергия ионизации этого электрона в таком во-дородоподобном атоме существенно меньше, чем уобычного атома водорода и составляет ≈ 10 мэВвместо привычных 13,6 эВ. Следовательно, радиусего орбиты даже в основном состоянии при значе-нии главного квантового числа n = 1 значительнобольше не только размеров атома водорода, но и ато-мов кристаллической решетки германия, у которыхэнергия связи составляет ≈ 0,72 эВ. Это позволяет вбольшинстве случаев не считаться ни с конкретнымустройством центральной ячейки примесного атома,ни с детальным строением среды, в которой он нахо-дится. Принято считать, что роль кристалла Ge сво-дится к тому, что примесный водородоподобныйатом Sb погружен в диэлектрическую среду с отно-сительной диэлектрической постоянной ε = 16, а егоэлектрон имеет вместо обычной эффективную массуm* ≈ 0,1mе. Тогда для атома Sb в Ge можно писатьвсе привычные формулы для атома водорода, и, вчастности, силу кулоновского взаимодействия с “яд-ром” как

F = e2/εr2,энергию ионизации как

Радиус электрона такого атома

Подставив в (4)—(5) приведенные данные, легкоубедиться, что если бы удалось реализовать условия,когда осуществляются переходы даже при n ≈ 10, энер-гия квантов должна составлять ≈ 100 мкэВ, а радиусатома r ≈ 10-10 · 160 · 100 ≈ 10-6 м — сотые доли милли-метра. Тем самым, при значительно меньших значенияхглавного квантового числа, чем для атомов в свободномпространстве, энергия переходов электрона между воз-бужденными состояниями начинает соответствовать ра-диочастотам — длинам волн миллиметрового и субмил-лиметрового диапазонов волн, а предельные размерыатомов хотя и не столь большими, но вполне макроско-пическими. За счет появления в (4) множителя m*/ε2 и в(5) множителя ε/m* такие водородоподобные атомыпримеси в полупроводнике эквивалентны обычныматомам водорода в свободном пространстве при n ≥ 100.

На первый взгляд кажется, что перечисленные вы-ше причины уширения линий исключают реализациюобсуждаемых переходов в примесных атомах. Однакооказывается, что это не так. В 70-х годах было доказа-но их существование.

Во-первых, самих примесных атомов при совре-менной совершенной технологии производства и очи-стки полупроводников может быть чрезвычайно мало.Так, для Ge при концентрации его атомов ~ 1023 см-3

может быть достигнута минимальная концентрацияатомов Sb ≈ 1010 см-3, то есть на тринадцать порядковменьшая — один атом Sb приходится на 1013 атомовкристаллической решетки. Поэтому даже для оченьвысоких значений n взаимодействие между самимипримесными атомами полностью исключается — ониоказываются “далеко” друг от друга. Воздействие теп-ловых колебаний кристаллической решетки на воз-бужденный примесный атом может быть ослабленопонижением температуры до близкой к температурежидкого гелия (Ткипения = 4,2 К при атмосферном дав-лении), который в таких экспериментах и использует-ся для охлаждения полупроводникового образца. Кро-ме того, при столь низких температурах, когда энергиятепловых колебаний много меньше энергии ионизациилюбых атомов (kT < ESb << EGe), все атомы нейтраль-


λ&

5,6

∆σ

-

77

Рис.4. Участок спектра фотопроводимости Ge:Sb при Т = 7 K.

E = .2ћ2ε2

m*e4

n2

1· (4)

r = n2 = n2.ћ2εm*e2

(5)

1 2 1

ны, свободных электронов нет вообще, а подлежащиенаблюдению атомы Sb “закреплены” в решетке кри-сталла (скорость их теплового движения вокруг поло-жения равновесия, как и у атомов Ge, достаточно ма-ла), поэтому не проявляется ни штарковское, ни допле-ровское уширение линий.

Во-вторых, в таких лабораторных опытах можетбыть использован значительно более чувствительный,чем в первом примере, способ индикации атомов. Оноснован на том, что на исследуемый образец воздей-ствуют монохроматическим излучением с частотамиν ≈ 1012—1013 Гц (миллиметровый и субмиллиметро-вый диапазон волн, освоенный как высокочастотнымирадиотехническими устройствами, так и лазерами),кванты которых соответствуют подлежащим излуче-нию переходам. Поглощая квант энергии, электрон изодного возбужденного состояния переходит в другое,более высокое, а затем ионизуется за счет взаимодей-ствия с тепловыми колебаниями решетки. Такой про-цесс называется фототермической ионизацией. Отобычного внутреннего фотоэффекта он отличаетсятем, что для последнего характерна нерезонансная фо-топроводимость, имеющая красную границу в спект-ре, обязанную существованию минимальной энергииквантов, еще способных вызвать ионизацию атома.Здесь же спектр оказывается линейчатым — каскад-ный процесс ионизации приводит к фотопроводимо-сти образца за счет свободных электронов в полупро-воднике, которые образовались благодаря тому, чтофотоны излучения монохроматического генератора напервом этапе процесса ионизации переводят возбуж-денные атомы примеси в достаточно высокие для тер-

мической ионизации состояния. Тут возникает опреде-ленное противоречие — температура не должна бытьслишком низкой, чтобы с конечной вероятностью вто-рой этап ионизации — термический — все-таки про-изошел, но линии не были существенно уширены вза-имодействием исследуемых атомов с тепловыми коле-баниями решетки. Для Ge такой оптимальной темпе-ратурой является Т ≈ 7—8 К. Индикация ведется либопо поглощению излучения образцом, либо — что даетсущественно более чувствительный способ — простопо измерению проводимости образца.

Регистрация спектров фототермической ионизациипримесных атомов в полупроводнике очень похожа наописанный в начале лекции фотоионизационный ме-тод, применяемый в оптике. Там используется двух-ступенчатый процесс с участием двух фотонов разныхэнергий (частот), первый из которых приводит к резо-нансному возбуждению атома, а второй — к иониза-ции, и, тем самым, к появлению заряженных регистри-руемых частиц. Здесь также используется двухступен-чатая ионизация: сперва резонансным фотоном, а за-тем — тепловыми колебаниями решетки (фононами),приводящими к термическому выбросу электрона воз-бужденного атома в зону проводимости.

На рис.4 представлен участок спектра для Ge : Sbпри Т = 7 К, снятый таким методом при перестройкечастоты радиочастотного генератора, на рис. 5 схеманаблюдаемых переходов. На первом из рисунков пооси абсцисс отложена энергия квантов в миллиэлект-ронвольтах, а по оси ординат — относительное изме-нение проводимости образца; на втором эксперимен-тально определенные значения энергии переходов со-поставляются с теорией.

Уступая радиоастрономическим измерениям по ре-ализации очень высоких возбужденных состояний, та-кие эксперименты обладают, тем не менее, рядом пре-имуществ. Здесь условия наблюдения атомов не зада-ны космическими обстоятельствами, а варьируются взависимости от цели эксперимента: заселенность воз-бужденных состояний может меняться в широких пре-делах дополнительной подсветкой образца, например —излучением инфракрасного диапазона (λ ≈ 10 мкм) оттеплой части криостата, в котором находится исследу-емый кристалл, можно непосредственно измерить вре-мя жизни электронов в возбужденных состояниях(около 10-9 с и короче), легко осуществить воздействиена атомы внешними электрическими и магнитнымиполями и т.п. При этом, в частности, можно реализо-вать ситуацию, обратную обсуждавшейся ранее: лабо-раторные опыты могут моделировать процессы, суще-ствующие только в космических условиях. Так, изве-стно, что для ряда звезд присуще наличие сильногомагнитного поля, напряженность которого достигаетмиллиардов эрстед. Оно кардинально изменяет спект-


∼∼

∼∼

88

88±

±

5,6

±

±

± ±

±

Рис.5. Энергетическая диаграмма спектра Sb в Ge. Слева —расчет, в центре — идентифицированные переходы, справа— обозначения уровней, полученных экспериментально.

1 2 2

ры атомов. В то же время в обычных условиях на Зем-ле такие магнитные поля недостижимы даже в им-пульсном режиме. Рассмотренная возможность изуче-ния примесных водородоподобных атомов, размерыкоторых существенно увеличены по сравнению собычными атомами водорода в свободном пространст-ве, а энергии связи — уменьшены (см. формулы (4),(5)), позволяет в легко достижимых с помощью сверх-проводящих соленоидов магнитных полей с напря-женностью Н ~ 100 кЭ реализовать эффективные, та-кие же по воздействию на атомы, магнитные поля, эк-вивалентные существующим в звездах. Особенно дляэтого удобен не Ge, кристалл которого имеет анизотро-пию зоны проводимости, наличие которой мы до сихпор для простоты игнорировали, а такие полупровод-ники с изотропной зоной, как арсенид галлия (n - GaAs)и антимонид индия (n - InSb); для последнего харак-терно наличие очень малой эффективной массы элект-ронов (m* = 0,013me, то есть в 10 раз меньшей, чем уGe), что еще на порядок уменьшает масштаб энергийи увеличивает размеры атомов, делая воздействие маг-нитного поля особенно сильным.

Рис. 6 и 7 иллюстрируют возможности метода. Напервом из них приведен энергетический спектр водо-родоподобных примесных атомов для n-GaAs в зави-симости от напряженности магнитного поля, снижаю-щего за счет эффекта Зеемана вырождение уровней иприводящего к их расщеплению на компоненты. Вы-сокое разрешение спектров позволяет проводить изме-рение эффекта Зеемана от очень слабого магнитногополя (Н ~ 100 Э) до сверхсильного. Точки — измерен-ные значения, сплошные линии — расчет для атомовводорода. На рис. 7 приведена трансформация спектра

для нескольких переходов в магнитном поле в безраз-мерных единицах энергии. Экспериментальные точкив левой части рисунка относятся к донорам в GaAs,справа — к InSb. Сплошные линии — снова расчет дляатомов водорода. На оси абсцисс рис. 6 сверху указанызначения Н, соответствующие свободному атому водо-рода, на рис. 7 ему соответствует нижняя шкала. Вид-но, что проведены измерения атомов в магнитных по-лях, эквивалентных гигаэрстедному диапазону дляатомов водорода, то есть в полном смысле слова в“звездных” условиях.

Естественно, что приведенные примеры современ-ных исследований атомов кроме обсужденных про-блем важны и с других позиций. В первом случае с ихпомощью получен ряд астрофизических данных, вовтором — результатов по физике полупроводников.


В заключение хотелось бы остановиться еще на одномпримере исследований одиночных, но уже “рукотвор-ных” атомов. Мы настолько хорошо изучили атом, чтоможно поставить задачу его моделирования, не толькоматематического, но и экспериментального. Такую воз-можность открыли успехи технологии: она позволяет со-здавать островки металла в полупроводнике размером всотни ангстрем, где электроны проявляют удивительныеособенности [6]. Такие структуры, включенные последо-вательно с туннельными переходами (тонкими слоямиизолятора), являются искусственными атомами, чей эф-фективный ядерный заряд можно менять посредствомизменения напряжения на электродах. Подобно обыч-ным атомам, эти малые электронные системы содержатдискретное число электронов и имеют дискретный энер-гетический спектр. Искусственные атомы, тем не менее,наделены уникальной особенностью: ток через такой“атом” или емкость между его электродами может изме-няться на много порядков величины при изменении егозаряда только на один электрон. Устройство, использую-щее этот эффект, часто называют одноэлектронным тран-зистором. Рис. 8 иллюстрирует два способа реализациитаких искусственных атомов с применением электронно-лучевой и рентгеновской литографии.

Один из путей изготовления таких атомов (рис. 8,слева) — использовать границы раздела материалов,


∼∼

−

−

−

−

9&:

⋅ 9:

−

−

5,6 ,6;

88

8

;−

−

−

Рис.6. Зависимость энергии уровней доноров в GaAs от маг-нитного поля (значки) (сплошные линии — расчет для ато-ма водорода).

−

−

−

−

−

&:

⋅ ⋅ ⋅ :

−−

−

Рис.7. Энергетический спектр водородоподобного атома вмагнитном поле в безразмерных единицах энергии (E/Ry) иполя (γ). Сплошные линии — расчет спектра атома водоро-да. Штриховая линия — нерассчитанный уровень 4f-3.

1 2 3

например — окружить частицу металла диэлектриком;частица отделена от подводящих контактов тонкимслоем изолятора, через который электроны по одномумогут туннелировать от “истока” к “стоку” подобно то-му, как это происходит в обычном полевом транзисто-ре (только там, конечно, электронов много). Вся струк-тура располагается на общем электроде, называемомзатвором. Справа показана структура, подобная опи-санному металлическому атому, но в ней реализуетсядругой принцип — пространственное ограничение до-стигается электрическим полем в полупроводнике —арсениде галлия (GaAs). Она, как и предыдущая, имеетметаллический затвор в основании с изолятором нанем, в качестве которого выступает диэлектрическийAlGaAs. При приложении положительного напряженияк затвору электроны собираются в слое GaAs надAlGaAs и из-за сильного электрического поля на тон-кой границе их раздела энергия движения электронов вперпендикулярном границе раздела направлении кван-туется. При низких температурах электроны могут дви-гаться только параллельно границе, и при нанесенияпары электродов на поверхности GaAs структура пре-вращается в искусственный атом, где электроны сосре-доточены в узком канале между электродами, а суже-ние, имеющееся в канале, отталкивает электроны и со-здает потенциальный барьер на концах канала. Распре-деление потенциала в таком устройстве показано нарис. 9. Для перехода от истока к стоку электрон долженпротуннелировать через барьеры, высоту которых мож-но изменять напряжением на электродах.

На рис.10, в качестве примера, показана зависи-мость тока через такой атом с контролируемым барье-ром от напряжения между затвором и истоком, когдамежду истоком и стоком приложено малое напряже-ние, достаточное для измерения туннельной проводи-мости между ними. Проводимость имеет острые резо-нансы с периодом по напряжению, соответствующемудобавлению одного электрона к ограниченным в “ост-ровке” электронам. При низкой температуре, когдаэнергия теплового движения мала, пик проводимостидостигается каждый раз, когда напряжение увеличива-ется на е/с, значение, необходимое для добавления од-ного электрона к искусственному атому. Поэтому уве-личение напряжения затвора искусственного атомааналогично продвижению по периодической таблицеД.И.Менделеева по мере увеличения ядерного зарядаобычных атомов.


1. В.С.Летохов. Лазерная спектроскопия одиночныхатомов и молекул. “Природа”, 1995, 2, с.15—25.

2. Р.Л.Сороченко, А.Е.Саломонович. Гигантские ато-мы в космосе. “Природа”, 1987, 11, с.82—94.

3. Е.М.Гершензон, Н.Н.Малов, А.Н.Мансуров. Курсобщей физики. Оптика и атомная физика. М:. Про-свещение, 1992.

4. Е.М.Гершензон. Спектральные и радиоспектроско-пические исследования полупроводников на суб-миллиметровых волнах. “Успехи физических наук”,1977, т. 122, вып.1, с.164—174.

5. Е.М.Гершензон, Г.Н.Гольцман. Субмиллиметровыйэффект Зеемана на мелких примесных центрах вполупроводниках. “Известия Академии наук СССР.Серия физическая” 1983, т. 47, 12, с. 2350—2354.

6. М.А.Кастнер. Искусственные атомы. “PhysicsToday”, 1993, January, p. 24—31.


$- &$- & $- &

$- &

2- 2-

Рис.8. Два способа реализации искусственных атомов.

Рис.9. Распределение потенциала в структуре рис.8 (справа).

280 285 290 295 300

10–1

10–2

10–3

10–4

10–5

Проводимость, отн. ед.

Напряжение затвора, мВ

Рис.10.Зависимость тока через структуру рис.8 от напря-жения между затвором и истоком.

1 2 4

БИОЛОГИЯ

Àáåëåâ Ãàððè Èçðàèëåâè÷ ÌîñêâàÀãàäæàíÿí Íèêîëàé Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÀãîë Âàäèì Èçðàèëåâè÷ ÌîñêâàÀëòóõîâ Þðèé Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÀíòîíîâ Âàëåðèé Ôåäîðîâè÷ ÌîñêâàÁàðàíîâ Âëàäèñëàâ Ñåðãååâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÁåðåçîâ Òåìèðáîëàò Òåìáîëàòîâè÷ ÌîñêâàÁîëäûðåâ Àëåêñàíäð Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÁðîäñêèé Àíäðåé Êîíñòàíòèíîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÁóõàðèí Îëåã Âàëåðüåâè÷ ÎðåíáóðãÂàñèëüåâ Þðèé Ìàðêîâè÷ ÌîñêâàÂàñüêîâñêèé Âèêòîð Åâãåíüåâè÷ ÂëàäèâîñòîêÂëàäèìèðîâ Þðèé Àíäðååâè÷ ÌîñêâàÂîëêîâ Íèêîëàé Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÂîðîáüåâ Âëàäèìèð Èîñèôîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÃàëàêòèîíîâ Âàäèì Ãåëëèåâè÷ ÌîñêâàÃâîçäåâ Âëàäèìèð Àëåêñååâè÷ ÌîñêâàÃðîìîâ Áîðèñ Âàñèëüåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÃóñüêîâ Åâãåíèé Ïåòðîâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÄàíèëîâà Íèíà Íèêîëàåâíà ÌîñêâàÄüÿêîâ Þðèé Òàðè÷àíîâè÷ ÌîñêâàÅñüêîâ Åâãåíèé Êîíñòàíòèíîâè÷ ÐÿçàíüÆèìóëåâ Èãîðü Ôåäîðîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÇàêñ Àëåêñàíäð Ñåìåíîâè÷ ÏåðìüÇàñëàâñêàÿ Ðèíà Ìèõàéëîâíà ÌîñêâàÇóáàèðîâ Äèëÿâåð Ìèðçàáäóëëîâè÷ ÊàçàíüÈâàíîâ Âàëåðèé Âàñèëüåâè÷ ÊðàñíîÿðñêÈâàíîâ Âàëåðèé Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÈâàíîâà Ëþäìèëà Íèêîëàåâíà ÍîâîñèáèðñêÈãàìáåðäèåâ Àáèð Óáàåâè÷ ÂîðîíåæÈãíàòîâ Âëàäèìèð Âëàäèìèðîâè÷ ÑàðàòîâÈíãå-Âå÷òîìîâ Ñåðãåé Ãåîðãèåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÈðæàê Ëåâ Èñàêîâè÷ ÑûêòûâêàðÊàïåëüêî Âàëåðèé Èãíàòüåâè÷ ÌîñêâàÊëèìîâ Âÿ÷åñëàâ Âàñèëüåâè÷ ÏóùèíîÊîðîòüêî Ãåííàäèé Ôåîäîñüåâè÷ ÊðàñíîäàðÊîðî÷êèí Ëåîíèä Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÊîøêèí Åâãåíèé Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÊóëàåâ Èãîðü Ñòåïàíîâè÷ ÌîñêâàÊóëàåâà Îëüãà Íèêîëàåâíà ÌîñêâàÊóëèêîâ Ãåííàäèé Àðêàäüåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊóëèíñêèé Âëàäèìèð Èëüè÷ ÈðêóòñêËåáåäåâ Àëåêñåé Àëåêñàíäðîâè÷ ÑàìàðàËåùèíñêàÿ Èííà Áîðèñîâíà ÊàçàíüÌàëàõîâ Âëàäèìèð Âàñèëüåâè÷ ÌîñêâàÌàëåöêèé Ñòàíèñëàâ Èãíàòüåâè÷ ÍîâîñèáèðñêÌèðêèí Áîðèñ Ìèõàéëîâè÷ Óôà

Íàãðàäîâà Íàòàëüÿ Êîíñòàíòèíîâíà ÌîñêâàÍåòåñîâ Ñåðãåé Âèêòîðîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÍèêèòþê Áîðèñ Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÍèêîëüñêèé Åâãåíèé Åâãåíüåâè÷ ÊàçàíüÍîçäðà÷åâ Àëåêñàíäð Äàíèëîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÎïðèòîâ Âëàäèìèð Àëåêñàíäðîâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÎðëîâ Âèêòîð Íèêîëàåâè÷ ÌîñêâàÏîëåâîé Âñåâîëîä Âëàäèìèðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÏîòàïåíêî Àëåêñàíäð ßêîâëåâè÷ ÌîñêâàÏóçûðåâ Âàëåðèé Ïàâëîâè÷ ÒîìñêÐàòíåð Âàäèì Àëåêñàíäðîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÐîäèîíîâ Èâàí Ìèõàéëîâè÷ ÌîñêâàÐóáèí Àíäðåé Áîðèñîâè÷ ÌîñêâàÐóìÿíöåâ Ñåðãåé Íèêîëàåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÑåâåðöîâ Àëåêñåé Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàÑåðîâ Îëåã Ëåîíèäîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÑèäîðîâ Âèêòîð Ñåðãååâè÷ ÏåòðîçàâîäñêÑêóëà÷åâ Âëàäèìèð Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÑìèðíîâ Àëåêñàíäð Ôåäîðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÒàð÷åâñêèé Èãîðü Àíàòîëüåâè÷ ÊàçàíüÒêà÷åíêî Áîðèñ Èâàíîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÔàâîðîâà Îëüãà Îëåãîâíà ÌîñêâàÔëîðåíòüåâ Âëàäèìèð Ëåîíèäîâè÷ ÌîñêâàÔðåéäëèí Èðèíà Ñîëîìîíîâíà Ñàíêò-Ïåòåðáóðã×åíöîâ Þðèé Ñåðãååâè÷ Ìîñêâà×åðíîâ Íèêîëàé Íèêîëàåâè÷ Ìîñêâà×åðíÿâñêèé Ôåëèêñ Áîðèñîâè÷ Ìàãàäàí×èêîâ Âëàäèìèð Èâàíîâè÷ Êàçàíü×èðêîâà Òàìàðà Âàñèëüåâíà Ñàíêò-ÏåòåðáóðãØàéòàí Êîíñòàíòèí Âîëüäåìàðîâè÷ ÌîñêâàØíîëü Ñèìîí Ýëüåâè÷ Ïóùèíîßíêîâñêèé Íèêîëàé Êàçèìèðîâè÷ ÌîñêâàÙåëêóíîâ Ñåðãåé Íèêîëàåâè÷ Êîëüöîâî

ХИМИЯ

Àíöèôåðîâ Âëàäèìèð Íèêèòîâè÷ ÏåðìüÁàëàøåâ Êîíñòàíòèí Ïàâëîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÁåðëèí Àëåêñàíäð Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÁîêøòåéí Áîðèñ Ñàìóèëîâè÷ ÌîñêâàÁîëäûðåâ Âëàäèìèð Âÿ÷åñëàâîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÁóäíèêîâ Ãåðìàí Êîíñòàíòèíîâè÷ ÊàçàíüÁóìàãèí Íèêîëàé Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÂàðôîëîìååâ Ñåðãåé Äìèòðèåâè÷ ÌîñêâàÂàñèëüåâ Âëàäèìèð Ïàâëîâè÷ ÈâàíîâîÂàòîëèí Íèêîëàé Àíàòîëüåâè÷ ÅêàòåðèíáóðãÂèëêîâ Ëåâ Âàñèëüåâè÷ ÌîñêâàÂèòêîâñêàÿ Íàäåæäà Ìîèñååâíà ÈðêóòñêÂëàñîâ Þðèé Ãåîðãèåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÂîðîíîâ Âëàäèìèð Êèðèëëîâè÷ ÈðêóòñêÂûñîöêèé Âëàäèìèð Èâàíîâè÷ Âëàäèâîñòîê

ÑÎÐÎÑÎÂÑÊÈÅ ÏÐÎÔÅÑÑÎÐÀ


1 2 5

Ãàëüáðàéõ Ëåîíèä Ñåìåíîâè÷ ÌîñêâàÃèðè÷åâ Ãåîðãèé Âàñèëüåâè÷ ÈâàíîâîÃëåáîâ Àëåêñàíäð Íèêîëàåâè÷ ÊàçàíüÃîðíîñòàåâ Ëåîíèä Ìèõàéëîâè÷ ÊðàñíîÿðñêÄîäîíîâ Âèêòîð Àëåêñååâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÇàðóáèí Ìèõàèë ßêîâëåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÇåçèí Àëåêñàíäð Áîðèñîâè÷ ÌîñêâàÇåëåíèí Êèðèëë Íèêîëàåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÇåôèðîâ Íèêîëàé Ñåðàôèìîâè÷ ÌîñêâàÇëîòñêèé Ñåìåí Ñîëîìîíîâè÷ ÓôàÇîðèí Âëàäèìèð Âèêòîðîâè÷ ÓôàÇîðêèé Ïåòð Ìàðêîâè÷ ÌîñêâàÈâàíîâ Âàäèì Ìèõàéëîâè÷ ÌîñêâàÊàðàõàíîâ Ýäóàðä Àâåòèñîâè÷ ÌîñêâàÊëþåâ Ìèõàèë Âàñèëüåâè÷ ÈâàíîâîÊëÿ÷êî Íàòàëüÿ Ëüâîâíà ÌîñêâàÊíîððå Äìèòðèé Ãåîðãèåâè÷ ÍîâîñèáèðñêÊîâáà Ëåîíèä Ìèõàéëîâè÷ ÌîñêâàÊîãàí Âèêòîð Àëåêñàíäðîâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÊîðåíìàí ßêîâ Èçðàèëüåâè÷ ÂîðîíåæÊîñòèêîâ Ðàôàýëü Ðàâèëîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊî÷åðãèí Âåíèàìèí Ïàâëîâè÷ ÅêàòåðèíáóðãÊðàâ÷åíêî Òàìàðà Àëåêñàíäðîâíà ÂîðîíåæÊóçíåöîâ Áîðèñ Íèêîëàåâè÷ ÊðàñíîÿðñêÊóêóøêèí Þðèé Íèêîëàåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊóëüíåâè÷ Âëàäèìèð Ãðèãîðüåâè÷ ÊðàñíîäàðÊóðåíêîâ Âàëåðèé Ôåäîðîâè÷ ÊàçàíüËàâðèê Îëüãà Èâàíîâíà ÍîâîñèáèðñêËåâàøîâ Àíäðåé Âàäèìîâè÷ ÌîñêâàËåìåíîâñêèé Äìèòðèé Àíàòîëüåâè÷ ÌîñêâàËèñè÷êèí Ãåîðãèé Âàñèëüåâè÷ ÌîñêâàËèõîëîáîâ Âëàäèìèð Àëåêñàíäðîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÌèðîíîâ Ãåðìàí Ñåâèðîâè÷ ßðîñëàâëüÌèðîíîâ Àíäðåé Ôåäîðîâè÷ ÌîñêâàÌîãèëåâè÷ Ìèõàèë Ìàðêîâè÷ ßðîñëàâëüÌîñêâà Âèêòîð Âëàäèìèðîâè÷ ÊàçàíüÌóøòàêîâà Ñâåòëàíà Ïåòðîâíà ÑàðàòîâÍèôàíòüåâ Ýäóàðä Åâãåíüåâè÷ ÌîñêâàÎëåõíîâè÷ Ëåâ Ïåòðîâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÏîæàðñêèé Àëåêñàíäð Ôåäîðîâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÏîëòîðàê Îëåñü Ìèõàéëîâè÷ ÌîñêâàÐàõëåâñêàÿ Ìàðèÿ Íèêîëàåâíà ÑàðàòîâÑåì÷èêîâ Þðèé Äåíèñîâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÑèäîðîâ Ëåâ Íèêîëàåâè÷ ÌîñêâàÑòåïàíîâ Íèêîëàé Ôåäîðîâè÷ ÌîñêâàÒåìêèí Îëåã Íàóìîâè÷ ÌîñêâàÒðåòüÿêîâ Þðèé Äìèòðèåâè÷ ÌîñêâàÓãàé ßêîâ Àëåêñàíäðîâè÷ ÂîðîíåæÓëàõîâè÷ Íèêîëàé Àëåêñååâè÷ ÊàçàíüÓðóñîâ Âàäèì Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàÓñòûíþê Þðèé Àëåêñàíäðîâè÷ Ìîñêâà

Ôåäîðîâ Âëàäèñëàâ Àíäðèÿíîâè÷ ÊðàñíîÿðñêÔèëèìîíîâ Âèêòîð Äìèòðèåâè÷ ÒîìñêÕàðèòîíîâ Þðèé ßêîâëåâè÷ ÌîñêâàÖåëèíñêèé Èãîðü Âàñèëüåâè÷ Ñàíêò-Ïåòåðáóðã×åðêàñîâ Ðàôàýëü Àñõàòîâè÷ ÊàçàíüØàïíèê Ìèõàèë Ñàìîéëîâè÷ ÊàçàíüØâåö Âàëåðèé Ôåäîðîâè÷ ÌîñêâàØèáàåâ Âàëåðèé Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàØòåéíãàðö Âèòàëèé Äàâèäîâè÷ ÍîâîñèáèðñêØóëüö Ìèõàèë Ìèõàéëîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãØóñòîâ Ãåííàäèé Áîðèñîâè÷ Íàëü÷èêÝíòåëèñ Ñåðãåé Ãåíðèõîâè÷ Ìîñêâà

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Àáðàìîâ Âàëåðèé Àëåêñàíäðîâè÷ ÂëàäèâîñòîêÀëåêñååíêî Âëàäèìèð Àëåêñååâè÷ ÍîâîðîññèéñêÀíäðååâ Ãåííàäèé Âëàäèìèðîâè÷ Óëàí-ÓäýÂèíîêóðîâ Âëàäèìèð Ìèõàéëîâè÷ ÊàçàíüÅðøîâ Ýäóàðä Äìèòðèåâè÷ ÌîñêâàÊàãàí Áîðèñ Àáðàìîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊàòòåðôåëüä Ãåííàäèé Íèêîëàåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊîâòóí Àèäà Àíäðååâíà Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊîðîëåâ Âëàäèìèð Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÊîðîíîâñêèé Íèêîëàé Âëàäèìèðîâè÷ ÌîñêâàÌàðàêóøåâ Àëåêñåé Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÌàö Âèêòîð Äàâûäîâè÷ ÈðêóòñêÌèëàíîâñêèé Åâãåíèé Åâãåíüåâè÷ ÌîñêâàÌèõàéëîâà Èðèíà Àëåêñàíäðîâíà ÌîñêâàÎðëîâ Äìèòðèé Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàÏåð÷óê Ëåîíèä Ëüâîâè÷ ÌîñêâàÏîïîâ Âèêòîð Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàÐîçàíîâ Àëåêñåé Þðüåâè÷ ÌîñêâàÐîìàíîâñêèé Íèêîëàé Íèêèòè÷ ÌîñêâàÑåìåíîâ Âåíèàìèí Àëåêñàíäðîâè÷ ÎáíèíñêÑîêîëîâ Èëüÿ Àíäðååâè÷ ÌîñêâàÑîêîëîâ Âÿ÷åñëàâ Íèêîëàåâè÷ ÌîñêâàÑîòíèêîâ Âèòàëèé Èâàíîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÒèìîôååâ Ïåòð Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÔðîëîâà Òàòüÿíà Èâàíîâíà ÌîñêâàÕàèí Âèêòîð Åôèìîâè÷ Ìîñêâà×åðíûøîâ Íèêîëàé Ìèõàéëîâè÷ ÂîðîíåæØåðìàí Ñåìåí Èîéíîâè÷ ÈðêóòñêØóêîëþêîâ Þðèé Àëåêñàíäðîâè÷ Ìîñêâàßêóïîâ Âèëü Ñàéäåëüåâè÷ ßêóòñêßðîøåâñêèé Àëåêñåé Àíäðååâè÷ Ìîñêâà

МАТЕМАТИКА

Áàáåøêî Âëàäèìèð Àíäðååâè÷ ÊðàñíîäàðÁàëê Ìàðê Áåíåâè÷ ÑìîëåíñêÁàíè÷óê Íèêîëàé Âëàäèìèðîâè÷ Ìîñêâà

Соросовские Профессора

1 2 6

Áàðàíîâ Âëàäèìèð Áîðèñîâè÷ ÌîñêâàÁàñêàêîâ Àíàòîëèé Ãðèãîðüåâè÷ ÂîðîíåæÁàøàðèí Ãåëèé Ïàâëîâè÷ ÌîñêâàÁåëûõ Âëàäèìèð Íèêîëàåâè÷ ÌîñêâàÁîêóòü Ëåîíèä Àðêàäèåâè÷ ÍîâîñèáèðñêÁðóñèí Âëàäèìèð Àëåêñàíäðîâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÂèíáåðã Ýðíåñò Áîðèñîâè÷ ÌîñêâàÂèøèê Ìàðêî Èîñèôîâè÷ ÌîñêâàÂîðîâè÷ ÈîñèôÈçðàèëåâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÃîëüäøòåéí Ðîáåðò Âåíèàìèíîâè÷ ÌîñêâàÃîðåëèê Âèêòîð Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÃðèøèí Àíàòîëèé Ìèõàéëîâè÷ ÒîìñêÄåìüÿíîâ Âëàäèìèð Ôåäîðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÆèêîâ Âàñèëèé Âàñèëüåâè÷ ÂëàäèìèðÈëüèíñêèé Íèêîëàé Áîðèñîâè÷ ÊàçàíüÊîëìàíîâñêèé Âëàäèìèð Áîðèñîâè÷ ÌîñêâàÊîëüöîâà Ýëåîíîðà Ìîèñååâíà ÌîñêâàÊóñðàåâ Àíàòîëèé Ãåîðãèåâè÷ ÂëàäèêàâêàçËåâèí Àíàòîëèé Þðüåâè÷ ßðîñëàâëüËåâèí Âèòàëèé Èëüè÷ ÏåíçàÌàçóðîâ Âèêòîð Äàíèëîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÌàçóðîâ Âëàäèìèð Äàíèëîâè÷ ÅêàòåðèíáóðãÌàêñèìîâ Âëàäèìèð Ïåòðîâè÷ ÏåðìüÌàíåâè÷ Ëåîíèä Èñàêîâè÷ ÌîñêâàÌàðòûíåíêî Þðèé Ãðèãîðüåâè÷ ÌîñêâàÌèøèí Âèëåí Ìîèñååâè÷ ÈðêóòñêÌîðîçîâ Íèêèòà Ôåäîðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÍåéìàðê Þðèé Èñààêîâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÍèêèòèí ßêîâ Þðüåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÎëåéíèê Îëüãà Àðñåíüåâíà ÌîñêâàÎëüøàíñêèé Àëåêñàíäð Þðüåâè÷ ÌîñêâàÏåòðîñÿí Ëåîí Àãàíåñîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÏóãà÷åâ Âëàäèìèð Ñåìåíîâè÷ ÌîñêâàÏóçûíèí Èãîðü Âèêòîðîâè÷ ÄóáíàÑàäîâíèêîâ Áîðèñ Èîñèôîâè÷ ÌîñêâàÑîéôåð Âèêòîð Àëåêñàíäðîâè÷ ÑàìàðàÑïèâàê Ñåìåí Èçðàèëåâè÷ ÓôàÒèìîôååâ Àäèëü Âàñèëüåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÓñïåíñêèé Âëàäèìèð Àíäðååâè÷ ÌîñêâàÓñòèíîâ Þðèé Àíàòîëüåâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÔîìèí Âëàäèìèð Íèêîëàåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÔîìèí Âàñèëèé Ìèõàéëîâè÷ ÍîâîñèáèðñêØåâðèí Ëåâ Íàóìîâè÷ Åêàòåðèíáóðã

ФИЗИКА

Àêîïÿí Ìèõàèë Åâãåíüåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÀíäðååâ Âÿ÷åñëàâ Ìèõàéëîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÀíèùåíêî Âàäèì Ñåìåíîâè÷ ÑàðàòîâÀðàêåëÿí Ñåðãåé Ìàðòèðîñîâè÷ ÂëàäèìèðÀðáóçîâ Áîðèñ Àíäðååâè÷ Ïðîòâèíî

Áàãðîâ Âëàäèñëàâ Ãàâðèèëîâè÷ ÒîìñêÁàõøèåâ Íèêîëàé Ãðèãîðüåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÁåëîâ Êîíñòàíòèí Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÁåëÿâñêèé Âëàäèìèð Èëüè÷ ÂîðîíåæÁèëåíêî Äàâèä Èñàêîâè÷ ÑàðàòîâÁèðøòåéí Òàòüÿíà Ìàêñèìîâíà Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÁëþìåíôåëüä Ëåâ Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÁîðäîâñêèé Ãåííàäèé Àëåêñååâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÁîðìàí Âëàäèìèð Äìèòðèåâè÷ ÌîñêâàÁðàíäò Íèêîëàé Áîðèñîâè÷ ÌîñêâàÁóõáèíäåð ÈîñèôËüâîâè÷ ÒîìñêÁó÷åëüíèêîâ Âàñèëèé Äìèòðèåâè÷ ×åëÿáèíñêÁûêîâñêèé Þðèé Àëåêñååâè÷ ÌîñêâàÂàêñ Âàëåíòèí Ãðèãîðüåâè÷ ÌîñêâàÂàñèëüåâ Àëåêñàíäð Íèêîëàåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÂåäðèíñêèé Ðîñòèñëàâ Âèêòîðîâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÂåêèëîâ Þðèé Õîðåíîâè÷ ÌîñêâàÂåíäèê Îðåñò Ãåíðèõîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÃàéäóêîâ Þðèé Ïàâëîâè÷ ÌîñêâàÃåðøåíçîí Åâãåíèé Ìèõàéëîâè÷ ÌîñêâàÃåðøòåéí Ñåìåí Ñîëîìîíîâè÷ ÏðîòâèíîÃåðøóíè Ãðèãîðèé Çåëèêîâè÷ ÏåðìüÃèíçáóðã Âèòàëèé Ëàçàðåâè÷ ÌîñêâàÃèíçáóðã Èëüÿ Ôàéâèëüåâè÷ ÍîâîñèáèðñêÃëàäóí Àíàòîëèé Äåîìèäîâè÷ ÌîñêâàÃíåäèí Þðèé Íèêîëàåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÃîëüöìàí Ãðèãîðèé Íàóìîâè÷ ÌîñêâàÃîðåëèê Âëàäèìèð Ñåìåíîâè÷ ÌîñêâàÃîðîõîâàòñêèé Þðèé Àíäðååâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÃðåêîâ Àíàòîëèé Àíäðååâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÃðå÷èøêèí Âàäèì Ñåðãååâè÷ ÊàëèíèíãðàäÃðèäíåâ Ñòàíèñëàâ Àëåêñàíäðîâè÷ ÂîðîíåæÃóðåâè÷ Àëåêñàíäð Ãðèãîðüåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÃóôàí Þðèé Ìèõàéëîâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÄåëîíå Íèêîëàé Áîðèñîâè÷ ÌîñêâàÄåìèõîâñêèé Âàëåðèé ßêîâëåâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÄåíèñîâ Ñåðãåé Ïåòðîâè÷ ÏðîòâèíîÄåíèñîâ Ãëåá Ñåìåíîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÄîìàøåâñêàÿ Ýâåëèíà Ïàâëîâíà ÂîðîíåæÅðóõèìîâ Ëåâ Ìèõàéëîâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÆåëåçíÿêîâ Âëàäèìèð Âàñèëüåâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäÇàâüÿëîâ Îëåã Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÇàéöåâ Àëåêñàíäð Ìèõàéëîâè÷ ÏðîòâèíîÇàõàðüåâ Áîðèñ Íèêîëàåâè÷ ÄóáíàÇîëîòóõèí Èâàí Âàñèëüåâè÷ ÂîðîíåæÇîí Áîðèñ Àáðàìîâè÷ ÂîðîíåæÇóåâ Ëåâ Áîðèñîâè÷ ÒîìñêÈëüèí Âëàäèìèð Èâàíîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÈöêåâè÷ Åôèì Ñîëîìîíîâè÷ ÒðîèöêÊàäìåíñêèé Ñòàíèñëàâ Ãåîðãèåâè÷ ÂîðîíåæÊàçàêîâ Âëàäèëåí Ãåîðãèåâè÷ Èðêóòñê


1 2 7

Êàëèíèêîñ Áîðèñ Àíòîíîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊàíäàóðîâà Ãåðòà Ñåìåíîâíà ÅêàòåðèíáóðãÊàïèöà Ñåðãåé Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÊèíãñåï Àëåêñàíäð Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàÊèðæíèö Äàâèä Àáðàìîâè÷ ÌîñêâàÊèðèëëèí Àëåêñàíäð Âëàäèìèðîâè÷ ÌîñêâàÊèðñàíîâ Âëàäèñëàâ Âëàäèìèðîâè÷ ÒâåðüÊèñåëåâ Àëåêñåé Àëåêñååâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊëèìîíòîâè÷ Þðèé Ëüâîâè÷ ÌîñêâàÊîçëîâ Âèêòîð Âëàäèìèðîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÊîçëîâ Àíàòîëèé Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÊîçûðåâ Àíäðåé Áîðèñîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊîíåâà Íèíà Àëåêñàíäðîâíà ÒîìñêÊî÷àðîâ Ãðàíò Åãîðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊðàâöîâ Þðèé Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÊðàñèêîâ Íèêîëàé Íèêîëàåâè÷ ÊîâðîâÊóäðÿøîâ Íèêîëàé Àëåêñååâè÷ ÌîñêâàÊóçüìèí Ðóíàð Íèêîëàåâè÷ ÌîñêâàÊóíè Ôåäîð Ìàêñèìèëèàíîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÊóñíåð Þðèé Ñåìåíîâè÷ ÈðêóòñêËàíäà Ïîëèíà Ñîëîìîíîâíà ÌîñêâàËàðêèí Àëåêñàíäð Èâàíîâè÷ ÌîñêâàËåâèòèí ÐóäîëüôÇèíîâüåâè÷ ÌîñêâàËåêñèí Ãåîðãèé Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàËèáåíñîí Ìèõàèë Íàóìîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãËèòâàê Àëåêñàíäð Ãðèãîðüåâè÷ Íèæíèé ÍîâãîðîäËèòâèíîâ Åâãåíèé Àëåêñàíäðîâè÷ ÅêàòåðèíáóðãËèôøèö Âèêòîð Ãðèãîðüåâè÷ ÂëàäèâîñòîêËèõà÷åâ Âëàäèìèð Àëåêñàíäðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãËèõîäåä Àíàòîëèé Êîíñòàíòèíîâè÷ ÏðîòâèíîËþáèìîâ Âèêòîð Âàñèëüåâè÷ ÒóëàÌàçàëîâ Ëåâ Íèêîëàåâè÷ ÍîâîñèáèðñêÌàêàðîâ Åâãåíèé Ôðåäîâè÷ ÌîñêâàÌàðãîëèí Àðêàäèé Äàâèäîâè÷ ÌîñêâàÌàñòåðîâ Âàäèì Ôåäîðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÌåðêóëîâ Èãîðü Àëåêñàíäðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÌèõàéëèí Âèòàëèé Âàñèëüåâè÷ ÌîñêâàÌîñêâèí Àëåêñàíäð Ñåðãååâè÷ ÅêàòåðèíáóðãÌóøåð Ñåìåí Ëüâîâè÷ ÍîâîñèáèðñêÍàáåðóõèí Þðèé Èñàåâè÷ ÍîâîñèáèðñêÍèêèòèí Ñåðãåé Àëåêñàíäðîâè÷ ÌîñêâàÍîâèêîâ Áîðèñ Âëàäèìèðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÍîâèêîâ Ñòàíèñëàâ Àëåêñàíäðîâè÷ ÀðçàìàñÎâ÷èííèêîâ Âëàäèìèð Âëàäèìèðîâè÷ ÅêàòåðèíáóðãÎñàäüêî Èãîðü Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàÎñèïîâ Âëàäèìèð Âàñèëüåâè÷ ÅêàòåðèíáóðãÏàâëîâ Âëàäèìèð Àëåêñàíäðîâè÷ ÊàçàíüÏåíèîíæêåâè÷ Þðèé Ýðàñòîâè÷ ÄóáíàÏåðåëûãèí Èãîðü Ñåðãååâè÷ ÓôàÏåòðîâ Ìèõèàë Ïåòðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÏèñàðåíêî Âèêòîð Ôåäîðîâè÷ Êðàñíîäàð

Ïîïëàâíîé Àíàòîëèé Ñòåïàíîâè÷ ÊåìåðîâîÏîïîâ Àëåêñàíäð Êóçüìè÷ ÊðàñíîÿðñêÏîïîâ Ëåîíèä Åâãåíüåâè÷ ÒîìñêÏóäîâêèí Ìèõàèë Èâàíîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÐàéçåð Þðèé Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÐàøêîâè÷ Ëåîíèä Íèêîëàåâè÷ ÌîñêâàÐîãà÷åâ Àëåêñàíäð Àëåêñàíäðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÐîìàíîâ Âàäèì Ïåòðîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÐóäàêîâ Ëåîíèä Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÐûáàê Ñàìóèë Àêèâîâè÷ ÌîñêâàÐÿçàíîâ Ìèõàèë Èâàíîâè÷ ÌîñêâàÑàâèí Èãîðü Àëåêñååâè÷ ÄóáíàÑàðû÷åâà Ëþäìèëà Èâàíîâíà ÌîñêâàÑàôàðàëèåâ Ãàäæèìåò Êåðèìîâè÷ Ìàõà÷êàëàÑåðãååâ Ôåëèêñ Ìèõàéëîâè÷ ÌîñêâàÑèãîâ Àëåêñàíäð Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàÑèëèí Âèêòîð Ïàâëîâè÷ ÌîñêâàÑêâîðöîâ Àëåêñàíäð Ìèõàéëîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÑëàáêî Âèòàëèé Âàñèëüåâè÷ ÊðàñíîÿðñêÑìèëãà Âîëüäåìàð Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÑòåïàíîâ Âëàäèìèð Àíàòîëüåâè÷ ÐÿçàíüÑòðóêîâ Áîðèñ Àíàòîëüåâè÷ ÌîñêâàÑóõîðóêîâ Àíàòîëèé Ïåòðîâè÷ ÌîñêâàÑýì Ìèðîñëàâ Ôðàíöåâè÷ Ðîñòîâ-íà-ÄîíóÒåìðîêîâ Àíàòîëèé Èíäåðáèåâè÷ Íàëü÷èêÒèõîíîâ Àëåêñàíäð Íèêîëàåâè÷ ÌîñêâàÒðèôîíîâ Åâãåíèé Äìèòðèåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÒðóáåöêîâ Äìèòðèé Èâàíîâè÷ ÑàðàòîâÒþòèí Èãîðü Âèêòîðîâè÷ ÌîñêâàÓðèí Ìèõàèë Ãåíðèõîâè÷ ÌîñêâàÓòêèí Âëàäèìèð Èâàíîâè÷ ÅêàòåðèíáóðãÔåäîðîâ Äìèòðèé Ëåîíèäîâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãÔåäîðîâ Âèêòîð Àëåêñàíäðîâè÷ ÒàìáîâÔðèäìàí Àëåêñàíäð Àðêàäüåâè÷ ÌîñêâàÕîõëîâ Àëåêñåé Ðåìîâè÷ ÌîñêâàÕðèïëîâè÷ ÈîñèôÁåíöèîíîâè÷ Íîâîñèáèðñê×åëíîêîâ Âàëåíòèí Åâãåíüåâè÷ Ñàíêò-Ïåòåðáóðã×åðåïàíîâ Âëàäèìèð Èâàíîâè÷ Åêàòåðèíáóðã×åðåïàùóê Àíàòîëèé Ìèõàéëîâè÷ Ìîñêâà×åðíàâñêèé Äìèòðèé Ñåðãååâè÷ Ìîñêâà×óâûðîâ Àëåêñàíäð Íèêîëàåâè÷ Óôà×óäàêîâ Àëåêñàíäð Åâãåíüåâè÷ ÌîñêâàØàëàãèí Àíàòîëèé Ìèõàéëîâè÷ ÍîâîñèáèðñêØâåä Ãóñòàâ Ìîèñååâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãØåâ÷åíêî Âèêòîð Âàñèëüåâè÷ ÌîñêâàØèê Àëåêñàíäð ßêîâëåâè÷ Ñàíêò-ÏåòåðáóðãØèêàíîâ Àíäðåé Ñåðãååâè÷ ÌîñêâàØòðåìåëü Ìñòèñëàâ Àíäðååâè÷ ÌîñêâàÞëüìåòüåâ Ðåíàò Ìóçèïîâè÷ ÊàçàíüÞíîâè÷ Àëåêñàíäð Ýììàíóèëîâè÷ Ìîñêâà

Соросовские Профессора

Documents

СОЖ 1995-01