Методические материалы, статьи

Что происходит на границах

Мы привыкли мыслить массами или объемами — чем-то цельным: материк — так материк, океан — так океан без конца и края. Между тем практики и ученые издавна знают, что это не так. В последние же годы интересы науки стремительно смещаются к границам различных объектов, к их поверхностям. И касается это объектов из самых разных областей: химии, биологии, астрофизики.Но — почему так?

Для человечества необычайно важны процессы, происходящие на границах — океана и атмосферы, океана и дна, науки и общества и т.д. Чтобы показать это «на пальцах», начнем с парникового эффекта.

Обычно рассуждают примерно так. Человек вырубает тропические леса (их часто называют«легкими планеты», хотя леса поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а легкие наоборот, так что легкие планеты — это скорее помойки), сжигает уголь, нефть и древесину, в атмосфере накапливается углекислый газ, усиливается поглощение солнечного излучения, Земля начинает разогреваться. С соответствующими последствиями в виде грядущего всеобщего таяния льдов и всемирного потопа. Для нормального эколога рассуждение звучит примерно так, как рассказ о слонах или китах, на которых покоится Земля.

Тропические дождевые леса — климаксное, или конечное сообщество. Сколько в нем производится, столько и потребляется. Сколько кислорода выделяется при фотосинтезе, столько и тратится на гниение опавших листьев, коры, ветвей деревьев. Именно поэтому в тропических дождевых лесах так мало, по сравнению с саванной, зверей, и так мало, по сравнению с Руандой или Бурунди, людей. Когда вырубают такой лес, начинается бурный рост травы и молодых деревьев и, соответственно, выделение кислорода.

Так что все обстоит несколько иначе. Да и избыток углекислого газа наблюдается не над Уралом, Руром или Детройтом, где дымят заводские трубы, а над протаивающими болотами северной Сибири!

Посмотрим на границу океана и атмосферы. Мировой океан занимает 71 процент поверхности планеты. Почему бы океанскому фитопланктону не поглотить избыток углекислоты, если он действительно образуется? В меловом периоде (145-65 миллионов лет назад) содержание углекислоты в атмосфере было в десять раз больше, чем сейчас. И всю эту углекислоту фитопланктон аккуратно поглощал и осаждал на дно — так возникли меловые холмы Белгородчины. Почему бы сейчас этому не происходить? Говорят, что планктону для жизни и работы не хватает биогенных солей, фосфатов и нитратов. Да, в период цветения фитопланктон нацело, до аналитического нуля «выедает» все фосфаты и нитраты, которые есть в верхнем слое воды. Но когда начинается потепление климата, резко увеличивается частота и интенсивность ураганов и штормов. Хороший ураган перемешивает километровую толщу воды, и все биогенные элементы из глубины — а фосфатов и нитратов там предостаточно, только света нет, чтобы фитопланктон мог существовать, — поднимаются вверх. Стало быть, в природе есть отрицательные обратные связи, которые стабилизируют ситуацию.

Но на тропиках свет клином не сошелся. Основная биогенная продукция производится в северной и южной умеренной зонах, а там почти постоянно штормит, вода перемешивается, биогенов сколько угодно. Процессы продуцирования ограничиваются только освещенностью и выеданием фитопланктона многочисленными растительноядными животными. Исследования нашего академического Института океанологии с моря и из космоса показали, что летом резко увеличивается общая продукция в северном полушарии, зимой — наоборот (ведь тогда в южном полушарии лето), а в целом ситуация достаточно сбалансирована и сезонные колебания продукции не столь уж велики.

Но есть и еще одна обратная связь — и тоже отрицательная.

Она связана со второй границей, океана и суши. Мы моемся и стираем, смываем в канализацию, оттуда в реки и затем в океан моющие средства, стиральные порошки. Это те же фосфаты и нитраты. Начинается эвтрофирование, водоросли бурно размножаются, «цветут», захватывая СО2 из атмосферы, а потом умирают и опускаются на дно, унося органический углерод с собой. Вот еще один механизм захвата (стока) углекислого газа. Словом, океан вполне способен стабилизировать содержание углекислоты в атмосфере.

Между прочим, почти все данные о содержании СО2 в атмосфере получены в одной геофизической обсерватории — на Гавайях. Она расположена рядом с кратером громадного вулкана Мауна-Лоа. А вулкан выделяет углекислый газ. Плюс рядом с обсерваторией — стоянка туристских автобусов, непрерывно подъезжают туристы, а ведь водители автобусов, пока туристы обозревают вулкан, двигателей, естественно, не выключают. Да к тому же неподалеку еще один вулкан, Килауэа, самый активный на нашей планете, с озером постоянно кипящей лавы! Поэтому для меня сомнительно, есть ли вообще достоверные данные, которые доказывали бы непрерывный и все ускоряющийся рост содержания СО2 в атмосфере.

Зато достоверные данные имеются по температуре воздуха. Но ведь мало иметь похожий на пилу многолетний ряд данных, их надо понять, уложить в какую-то систему. А при их анализе не учитывают цикличность процес-сов — их просто усредняют. Между тем имеется солнечный 11-летний цикл, лунный, длительностью 19,6 лет, есть вековой, есть прецессионный — 23 тысячи лет. И вполне возможно, что наблюдаемое теперь потепление — просто часть многолетнего колебания, синусоиды, и через какое-то время наступит закономерное похолодание. Во всяком случае, надежные многолетние данные по Баренцеву морю и Северному Ледовитому океану говорят не о потеплении, а скорее о небольшом и медленном похолодании.

Третья граница — это дно океана. Больше всего видов живых существ, больше всего биоразнообразие в океане — на коралловых рифах. Это понятно — там и условия обитания очень разнообразны. Но оказалось, что очень много разных видов живых существ и на глубоководном дне океанов. Казалось бы, дно океана однородно, и высокому разнообразию там взяться неоткуда. Однако — не так. Когда начали тщательно, не «налетом» изучать ситуацию, обнаружились на больших глубинах и сильные придонные течения, и «глубинные штормы», и оползни.

Словом, на любых глубинах условия непостоянны, меняются достаточно быстро, и появляется своего рода «мозаика» разных условий обитания. Такая мозаика — исходное условие для возникновения биоразнообразия. Вот пример: умер кит либо тюлень, упал на дно, и тут же к новоявленному источнику пищи начинают мчаться рачки, потом плывут рыбы, ползут черви. Вся органика быстро съедается, остаются кости, но они пропитаны жиром и гниют, выделяют сероводород. Значит, появляются бактерии, окисляющие сероводород, и животные, питающиеся этими бактериями. И десятки лет вокруг китового скелета идет совершенно особая жизнь. Вот еще источник мозаики — унес ураган кусок дерева, он пропитался водой и потонул. Тут же появляются моллюски-древоточцы. Лет на 20 им есть занятие. Значит, в воде над дном постоянно имеется какой-то запас личинок разных животных, которые ждут — не отыщется ли вдруг какое-нибудь хорошее место, чтобы осесть на дно и вырасти во взрослого моллюска или червя.

В 1977 году в океанологии было сделано большое открытие — глубоководные гидротермальные излияния. В разломах океанского дна из трещин выходит горячая вода, иногда белая или черная (когда при охлаждении выпадают в осадок растворенные соли и образуют высоченные «каминные трубы»), а иногда и неокрашенная (если попрохладнее), и вокруг этих столбов горячей воды образуются гигантские скопления животных с такой биомассой, какой нет даже на мидиевых банках. Плотность населения на этих крохотных участках в тысячи раз превосходит обычную для океанского дна. Водичка изливается не просто горячая — ее температура от 350 до 460ЖС. Давление на больших глубинах огромное (на глубине 1 километра — 100 атмосфер), так что там водичка не кипит. Прямо в жерлах подводных гейзеров живут бактерии, для которых 100ЖС — уже прохладно. А животные или питаются этими бактериями, или выращивают их внутри своего тела. Многие из них крупные, мясистые, с красной кровью. Есть черви, которые живут на наружных стенках «каминных труб», — температура на уровне их голов 20-25ЖС, а у хвоста — около 100ЖС. Причем червь несколько секунд может крутиться там, где аж 105ЖС. Креветок там столько, что не видно воды! Креветки питаются окисляющими сероводород бактериями, которые живут на их теле и внутри их тела. Бактерий нужно обеспечить сероводородом, а чуть вдали от жерла, в прохладной кислородной зоне, он быстро окисляется, так что креветкам приходится лезть в горячую зону. И вот у них у всех или лапы обожжены, или в панцире дырка. Другие, несчастные, промахнулись и сварились — падают вниз на радость крабам. А что делать: кушать-то хочется…

Вся эта живность существует на самой границе сероводорода и кислорода и живет за счет окисления сульфид-иона, восстановленной серы. Задача — извлечь ион серы из воды и доставить его неокисленным «к столу» бактериям, которые живут в их организме.

Водичка эта — не просто вода, а жидкая руда, раствор сульфидов железа, меди, цинка, кадмия, ртути и прочей жутко ядовитой для нас с вами дряни с концентрацией, на два-три порядка большей, чем в обычной воде. Даже золото есть — «ураганные концентрации» по меркам геологов! В этой «руде» и живут звери, никакого вреда от того не испытывая. Жизнь вообще довольно умело приспосабливается. В том числе и к человеку. Уже открыты бактерии, которые живут в атомных реакторах, причем в первом контуре охлаждения. Вообще на планете Земля есть только два крохотных участка, где действительно никто не живет. Это несколько маленьких глубоководных впадин в Красном море, где под толщей обычной воды в 2000-2200 метров залегают «озера» глубиной 200-300 метров с температурой до 56ЖС и концентрацией солей до 27%. Плотность этого рассола такова, что наш глубоководный аппарат «Пайсис», пытавшийся «с ходу», с разгона проникнуть в такое озеро, отскочил от границы морской воды и рассола, как мячик. Да в одном из оазисов Антарктиды есть несколько озерков меньше квадратного километра, не замерзающих ни при каком морозе, потому что в них вместо воды — концентрированный раствор хлорида и сульфата кальция. А так ко всему жизнь может приспособиться, было бы достаточно времени!

На четвертой границе — границе атмосферы и космоса — тоже есть интересное явление: озоновая дыра. В отличие от сомнительного, на мой взгляд, парникового эффекта, озоновая дыра есть. Но она почему-то не там, где люди выпускают в воздух вредные фреоны, а в Антарктиде.

Меридионального переноса через экватор в атмосфере (в отличие от океана) нет, и то, что человек выделяет в средних широтах северного полушария, попасть в Антарктиду не может. Но если не повторять инвективы фреонам и не тратить бешеные деньги на их искоренение по требованию международного «Монреальского протокола», а думать, то, оказывается, есть много естественных процессов, которые могут вызывать изменения концентрации озона, в том числе сезонные. Например, планктон выделяет диметилсульфид и галогеносодержащие соединения, которые поднимаются в атмосферу и разрушают озон.

Теперь перейдем от природы к социуму. Пятая граница, которую мы рассмотрим, — граница между моей наукой океанологией и обществом. Сейчас, грубо говоря, треть наших ученых работают за границей постоянно, треть работают там пару месяцев в году и на эти деньги могут остальное время жить и работать здесь, а оставшаяся треть работает здесь, но на западные деньги. Российская наука сейчас еще живет в основном потому, что наши мозги и руки дорогого стоят, да вот только наша страна не может за них заплатить столько, сколько они стоят. Зарплату платят нищенскую, а на приборы, реактивы, экспедиции денег и вовсе нет. Почти так же жили ученые в Китае во времена «великой культурной революции». Морские экспедиции еще проводятся, но — как в 1950-х годах: вблизи наших берегов и на устаревшей приборной базе! Такой способ существования плох потому, что если даже ученые с голоду и не помирают, то наука-то не развивается. А в нашем мире, как в Зазеркалье, нужно очень быстро бежать, чтобы всего лишь оставаться на месте. Да, современные приборы очень дороги, дальние морские экспедиции еще дороже, но кое-что и при нынешнем бюджете можно сделать. Например, восстановить морские биостанции. Дальнезеленецкую на Мурмане, которая закрыта потому, что с побережьем нынче нет связи, Беломорскую биостанцию МГУ, отключенную за неуплату от электроэнергии, еле дышащую Новороссийскую или биостанцию в бухте Витязь на Дальнем Востоке, которую в свое время отобрали у ученых военные, да потом и бросили. Восстановление биостанций обойдется не так уж дорого (государство должно выделить ученым деньги на транспорт и электроэнергию), зато может послужить зародышем будущего восстановления морской науки. Поддержка — или не поддержка науки государством — вот проблема границы науки и остального общества.

Между прочим, с дальними морскими экспедициями плохо не только в России, но и повсюду в мире, даже в Штатах. Экологическая ниша исследования Мирового океана как целого, некогда занятая нашей страной, с упадком отечественной науки почти опустела.

Что же будет, чем сердце успокоится? Пройдет еще несколько лет, в конце концов власть поймет, что хорошо жить за счет продажи нефти и газа, алюминия и стального проката, но долго так жить в наше время невозможно. Более того, невозможно долго жить, «покупая науку» и развивая в стране только «технику», как это делала после войны Япония, а в наше время — Южная Корея, Тайвань, Таиланд. Мир уже осознал важность чистой науки, за толковых молодых специалистов идет борьба, правительства многих развитых стран выделяют на их приглашение солидные деньги.

Поэтому, если Россия хочет жить хорошо и притом долго, то вкладывать деньги в фундаментальную науку придется, и деньги очень большие. Ведь в ХХI веке без конкурентоспособного наукоемкого производства нам не прожить. А западные конкуренты никогда не пустят нас на мировой рынок с продукцией, сделанной на западных идеях. Как воздух, нужны будут новые идеи и рожденная на их основе промышленная продукция. Для меня несомненно: российская наука возродится, и это будет великая наука, но будет сие не скоро. И во сколько обойдется — зависит от того, когда правительство это поймет. Прежде чем сойдет со сцены поколение ученых, сформировавшихся до начала распада отечественной науки, или уже после. Если после, то чрезвычайно дорого — ведь когда наше поколение ученых вымрет, начинать придется с нуля. К сожалению, возрождение науки зачастую неразрывно связано с милитаризацией, цензурой и прочими подобными вещами. Поскольку государство согласно много платить только за вещи, связанные с подготовкой войны. Как хотелось бы этого избежать!

Между прочим, мне кажется, что первым признаком будущего возрождения науки в нашей стране станет рост интереса к научно-популярной литературе: увеличение тиражей журналов, возобновление издания научно-популярных книг и в том числе переводных. Вот на западе стоит только появиться хорошей — серьезной! толстой!! без красивых цветных картинок!!! — научно-популярной книге, как одно за другим выходят ее новые тиражи и переиздания в мягком переплете и переводы на разные языки. Значит, есть у таких книг читатели, есть люди, которые любят серьезные и интересные книги о науке, не одни только почитатели гороскопов, НЛО и всяких «воспоминаний о несбудущемся»! Когда-то так было и у нас. Может, и будет.

В процессе возрождения, при взаимодействии российской науки и мировой науки может оказаться важной одна старая российская научная традиция. Планируя научные исследования, мы обычно идем от имеющегося у нас материала, а не собираем материал под идею. В этом смысле российская наука попадает в один класс с китайской, индийской, испанской, бразильской, а в другой класс попадают американская, отчасти немецкая, французская и североевропейская.

Например, провели мы экспедицию, собрали уникальных крабов в каком-то отдаленном районе океана и просим деньги, чтобы их изучить. Получаем, изучаем, публикуем результаты. Другой ученый собирает необыкновенных грызунов где-нибудь во Вьетнаме — тоже просит денег. Таких работ множество. Если их сложить вместе, получится лоскутное одеяло. Американец действует иначе. Как он рассуждает? Например, так — крабы живут в море. Но вот я где-то читал: некоторые крабы живут на суше. Как же они там дышат, у них же нет легких? И почему они не высыхают? Да еще линять нужно, а где взять кальций для нового панциря? Формулируется проблема — изучить дыхание и водно-солевой обмен у сухопутных крабов. Но он не отправляется в далекую экспедицию, он выясняет, не держат ли этих крабов в какой-нибудь научной лаборатории, можно ли их там заказать, переслать по почте, чем кормить*. Узнает, заказывает, получает, изучает. И пишет великолепную статью. При том что он этих крабов в природе никогда не видел и плохо представляет, где и как они живут. Словом, он прекрасно умеет изучать деревья, но он не видит леса, не знает, как живет океан. Какой подход лучше?

Российская наука была мастерицей вырабатывать общий, так сказать, глобально-экологический взгляд на мир. Мы видели лес, но часто плохо различали деревья! Вот этот широкий, глобальный взгляд, характерный для отечественной науки, тоже придется возрождать. И соединять его с американским подходом «от идеи». Как говорил толстовский Платон Каратаев, «сопрягать надо».

*Вот на днях пришло по Сети письмо из Техаса. «Мы тут каракатиц развели, европейских и индийских (а надо сказать, что в Новом Свете каракатицы вовсе не водятся), не надо ли вам случайно? Европейские — взрослые и по 20 долларов, а индийские совсем молоденькие, но по 40, их у нас еще мало. Только для ученых! Господам аквариумистам и владельцам зоомагазинов просьба не беспокоиться!»

Беседу записал Леонид Ашкинази

Кирилл Несис



См. также:
Вулкан удачи ждет вас
Безопасность счета в интернет-казино
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Скидка на душевые кабины распродажа Работаем со всеми производителями и брендами. Заявки на просчет и запросы присылайте на эл. почту. Есть вопросы?

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005