понедельник, 18 февраля 2019 г.

Человек — не химический робот


Дмитрий Жуков,
доктор биологических наук
«Химия и жизнь» №1, 2019

Иллюстрация из французского издания книги Рене Декарта «Человек», 1729 год («Химия и жизнь» №1, 2019)
Иллюстрация из французского издания книги Рене Декарта «Человек», 1729 год
Листая новости в Интернете, я наткнулся на статью, начинавшуюся следующим абзацем: «Граф Калиостро так и не сумел разгадать формулу любви. Хотя, по мнению ученых современности, весь ее секрет кроется в простом арифметическом действии и представляет собой не что иное, как сложение воедино гормонов фенилэтиламина, окситоцина и эндорфина».
Подобные утверждения уже давно не вызывают у меня ни смеха, ни возмущения, потому что журналисты — они такие. Это их работа — обрамлять рекламные площади занятными текстами. Если заметка «из мира науки», то она должна содержать простое утверждение вроде «открыт ген агрессии», или «у человека только три потребности», или, как в данном случае, что любовь — простое сложение трех гормонов. Несложную схему легко усвоить, и заметку читатель пробежит глазами до конца, заодно впитывая сопутствующие рекламные объявления.
Но недавно я встретил аналогичную картинку в социальной группе «Я — учитель биологии!». Как показывает поиск, она широко разошлась по соцсетям. А учитель биологии все-таки должен ставить перед собой другую цель — не развлекать учеников, а формировать у них такое представление об окружающем мире, которое соответствует мнению ученых специалистов. Мнение же это таково, что человек (и прочие животные) — не химический робот, что регуляция функций, особенно эмоций, процесс очень сложный, который зависит не только от концентрации определенных химических веществ, но и от того, в каких местах организма эти вещества находятся.
Зависимость состояния и настроения человека от гормонального фона, схема из социальной группы «Я — учитель биологии!» («Химия и жизнь» №1, 2019)
Зависимость состояния и настроения человека от гормонального фона, схема взята из социальной группы «Я — учитель биологии!»
А данная схема напрочь игнорирует принцип компартментальности живых систем. Наш организм — не мешок, в котором бултыхаются разные химикалии. У нас есть различные органы, каждый из них отделен от прочих. В каждом органе множество клеток разных типов, и каждая клетка имеет свою стенку. А внутри клетки имеется множество компонентов — органелл. И каждая из органелл опять-таки отделена от прочих и от заполняющей клетку жидкости специальной мембраной, которая пропускает только те вещества, которые надо пропустить. Да еще для входа и выхода веществ из органеллы имеются раздельные калитки. Страшно представить, что будет, если разрушатся мембраны лизосом. Впрочем, ничего страшного, клетка просто умрет, произойдет ее лизис, растворение.
Даже кровь, ток которой объединяет все органы и ткани организма, различна по химическому составу в каждом органе. Точнее, клетки каждого органа, окружающие кровеносные капилляры, представляют собой барьер, который пропускает строго определенные вещества. Многие слышали о гематоэнцефалическом барьере (учителя биологии наверняка знают о нем), который не пропускает в мозг определенные вещества. Аналогичными барьерами отгорожены от тока крови и ткани других органов: сердца, легких, семенников и прочих. Поэтому говорят о гистогематических барьерах, одним из которых является барьер гематоэнцефалический.
Вот поэтому перечень веществ на приведенной схеме не просто ошибочен, а биологически ложен. Ведь там в один ряд поставлены и гормоны, и нейромедиаторы. А эти группы веществ принципиально различны по своему участию в регуляции функций организма.
Гормоны секретируются в кровоток и, разносятся кровью по всему организму и могут влиять на работу всех органов и тканей. Есть и локальные гормоны, они секретируются в межтканевую жидкость и воздействуют на относительно небольшие группы соседних клеток. В отличие от гормонов, нейромедиаторы выделяются в синаптическую щель — место контакта двух нейронов. Некоторые нейромедиаторы, например фенилэтиламин, выводясь из синапса, могут изменять свойства мембран соседних нейронов, но не более отдаленных органов и тканей. Таким образом, ставить в один ряд нейромедиатор ацетилхолин и гормон тироксин безграмотно и антинаучно.
Еще один порок разбираемого нами перечисления в том, что норадреналин, дофамин (на схеме он назван «допамином», по-видимому, в результате перевода с английского, в котором «фосфор» пишется через «p» — phosphorus; в отечественной научной литературе все же принято написание через «ф»), серотонин обозначены просто как компоненты «гормонального фона». А ведь эти веществамогут быть и нейромедиаторами, и гормонами, и функции их зависят от того, выделяются ли они в конкретной синаптической щели или же поступают в кровь как гормоны. Норадреналин, к примеру, выделяется как из мозгового слоя надпочечников, так и из окончаний нейронов симпатической нервной системы на капиллярах. В обоих случаях он попадает в циркулирующий кровоток и действует как гормон, его концентрация отражает активность симпатической нервной системы. Но в мозге норадреналин работает нейромедиатором. Поэтому мозг и отделен гематоэнцефалическим барьером, чтобы периферический норадреналин не дезорганизовал работу норадреналиновых синапсов. Соответственно, содержание норадреналина в крови никак не связано с активностью норадренергических нейронов в мозге.
Плохо уже само название схемы: «Зависимость состояния от...». Зависимость бывает различной. На какие-то состояния организма гормоны могут влиять, как, например, все стероидные гормоны (эстрадиол, прогестерон, тестостерон). Стероиды свободно проходят через гематоэнцефалический барьер. Чем выше их концентрация в крови, тем больше этих гормонов оказывается в нервной ткани и тем сильнее их потенциальный эффект. Например, колебания уровня прогестерона в крови на протяжении менструального цикла влияют на настроение женщины: чем больше прогестерона, тем меньше беспокойство, тревога и психологический дискомфорт. А когда во время беременности концентрация прогестерона возрастает в десятки, сотни, тысячи раз — женщина становится не только совершенно невозмутимой, но и болевая чувствительность у нее резко снижается. В супрафизиологических дозах прогестерон оказывается и нейропротектором — самым эффективным препаратом из назначаемых при черепно-мозговой травме (Деревщиков С. А., Пособие дежуранта. Горно-Алтайск, 2014).
А в другом случае концентрация вещества в крови лишь отражает процессы, происходящие в мозге. Хорошо известно, что концентрация тестостерона в крови — и у мужчин, и у женщин — растет после победы в соревновании или после полового акта; тогда как введение тестостерона до соревнования, до любовного свидания нисколько не увеличивает вероятность успеха. Еще один яркий пример — концентрация серотонина. О том, почему ложно представление о серотонине как «гормоне счастья», мы уже писали (см. «Химию и жизнь» № 5, 2017). В двух словах: серотонин, который является нейромедиатором в мозговой ткани, участвует в регуляции эмоций, но тот, который мы определяем в крови, — главным образом продукт обмена веществ, выведенный из мозга; и обратно в мозг он никоим образом не попадет. Можно повысить концентрацию серотонина в своей крови, скажем, поедая богатые серотонином бананы. Но пытаться влиять на настроение таким способом — все равно что стряхивать градусник, надеясь этим унять лихорадку. Тем не менее автор схемы недрогнувшей рукой рисует серотонин в составе «гормонального фона» счастья и интереса.
Нужно сказать, что поиск веществ, концентрация которых отражает то или иное психическое состояние или процесс, — актуальная проблема биологической психиатрии. Биологические маркеры психических расстройств, в частности результаты анализа крови, помогают ставить диагноз, что, естественно, крайне важно для успешного лечения. Но эти биологические маркеры, как правило, значительно сложнее простого определения концентрации вещества в крови или в другой жидкости организма. Часто они представляют собой нагрузочные тесты — сопоставление биохимических показателей до и после некоего воздействия на организм. Например, «дексаметазоновый тест», при котором вводят синтетический глюкокортикоид дексаметазон. В норме это приводит к торможению секреции эндогенного глюкокортикоида кортизола по механизму отрицательной обратной связи. Но обратная связь ослаблена при ряде расстройств и заболеваний, в частности при депрессии. Таким образом, дексаметазоновый тест помогает дифференцировать первичную депрессию от вторичной, которая возникает при болезни — настроение портится и при банальном гриппе.
Далее, когда мы обсуждаем нейрохимические закономерности, важны не только сами вещества и реакции, в которые они вступают, но и место в мозге, где это происходит. Как известно, разные мозговые структуры имеют различные функции. При этом в разных структурах находятся нейроны с одним и тем же основным нейромедиатором. Перегородка (септум), гипоталамус, ретикулярная формация ствола мозга — эти структуры различаются своими функциями, хотя все они богаты скоплениями холинергических, то есть продуцирующих ацетилхолин, нейронов. Аксоны этих нейронов направлены в разные мозговые структуры, в которых ацетилхолин выделяется в синаптических окончаниях, выступая как нейромедиатор. Заметим, что гормоном ацетилхолин назвать никак нельзя. Выделившись в нервно-мышечном синапсе и вызвав сокращение мышечных волокон, он моментально разрушается ацетилхолинэстеразой, так что в кровь попадает ничтожное количество ацетилхолина.
Или рассмотрим популярный в соцсетях дофамин. Тела дофаминергических нейронов лежат в двух сравнительно небольших ядрах среднего мозга: в черном веществе и вентральной области покрышки. Аксоны этих нейронов образуют пути к самым разным вышележащим отделам мозга, каждый из которых связан с различными функциями. К примеру, нигростриарный путь ведет к базальным ганглиям, которые связаны с моторными функциями. При паркинсонизме активность нигростриарной системы ослаблена. Известно и то, какая из структур ответственна за то или иное проявление болезни. Так, в тех случаях, когда хвостатое ядро и скорлупа лишены дофаминергической иннервации, возникает обездвиженность, а падение уровня дофамина в бледном шаре вызывает повышенный тонус мышц.
Система дофамина в головном мозге человека («Химия и жизнь» №1, 2019)
Система дофамина в головном мозге человека. Показаны только основные пути распространения аксонов дофаминергических нейронов
То, что в разных структурах мозга, имеющих разные функции, нейроны используют одинаковые вещества в качестве нейромедиаторов, и составляет основную трудность практической фармакологии. Можно увеличить концентрацию дофамина в мозге, вводя в организм его предшественника ДОФА. Но тогда концентрация дофамина возрастет сразу во всех структурах мозга, а это не только облегчит состояние больного паркинсонизмом, но может вызвать как другие двигательные нарушения, так и шизофренические симптомы. При лечении шизофрении в мезолимбическом методе нужно снижать уровень дофамина, тогда как в мезокортикальном — повышать (Stahl S. M. Essential psychopharmacology: neuroscientific basis and practical application. Cambridge University Press, New York, 2013).
Эффект каждого нейромедиатора и каждого гормона зависит не только от концентрации данного вещества, но и от активности его рецепторов — сложных белковых комплексов, связывающих нейромедиатор или гормон и трансформирующих этот сигнал в функцию данной клетки. Для каждого биологически активного вещества обнаружено несколько типов рецепторов. Например, для прогестерона установлено четыре типа рецепторов. В разных тканях и в разных мозговых структурах преобладают определенные типы рецепторов для одного и того же вещества. Поэтому, воздействуя на конкретный тип рецептора, можно получить эффект определенной избирательности.
В эффективности каждого биологически активного вещества огромную роль, кроме рецепторов, играют и ферменты синтеза этого вещества из предшественников. Фенилэтиламин, который симулирует активность дофамин- и серотонинергических систем, синтезируется в мозговой ткани из аминокислоты фенилаланина. Но избыток фенилаланина в организме не обязательно приведет к росту концентрации фенилэтиламина. Другая аминокислота триптофан — предшественник и серотонина, и его функционального антагониста мелатонина. Соотношение серотонина и мелатонина зависит от активности соответствующих ферментов.
Завершая критику злосчастной учебной схемы, укажем на совершенно нелогичный список «состояний и настроений человека». Во-первых, здесь перемешаны бытовые слова для обозначения эмоций (азарт, грусть, раздражение, счастье) с научными терминами (стресс, тревога, депрессия). Во-вторых, научные термины тоже даны вперемешку. Апатия (вероятно, имеется в виду аффективный дефицит при депрессии) — это один из симптомов депрессии. Нельзя ставить в один ряд компонент и целое. Стресс — комплексная реакция организма на новый для него раздражитель, а тревога — один из компонентов стресса. Кстати, то, что в списке веществ отсутствует кортизол, основной стрессорный гормон человека, — еще одно свидетельство дилетантизма авторов схемы. Тревога — это нормальное состояние, а мания (вероятно, имеется в виду маниакальная стадия биполярного депрессивного психоза) — это тяжелая психопатология, как и аутизм — тяжелое и относительно редкое заболевание. В-третьих, неприятно поражает редукционизм авторов.
Например, свести весь аутизм к одному лишь дефициту окситоцина или однозначно связать низкий окситоцин с аутизмом! Что же получается: все, кто в данный момент заняты делом и не умиляются на младенцев и котиков, — аутисты? А женщины с аутизмом, наверное, не могут самостоятельно рожать? Плохо это все, плохо. Напомним еще раз читателю, что регуляция функций, особенно функций психических, — это очень сложный процесс, в котором участвует множество химических веществ, причем каждое из них работает в строго определенных участках нашего организма — в конкретных органах, тканях, клетках, органеллах. Схемы регуляции человеческой психики вроде той, о которой мы говорили, привлекательны для обывателя своей простотой. Но это та простота, которая полностью искажает реальность своим примитивным детерминизмом.

Древняя континентальная кора могла образоваться из-за падения крупных метеоритов

В местах падения на поверхность Земли астероидов и крупных метеоритов образуются ударные кратеры, а энергия, выделяющаяся при таких событиях, настолько велика, что породы внутри кратера плавятся, заполняя его магматическим расплавом. При остывании этого расплава происходит расслоение (дифференциация) по плотности и составу, а после кристаллизации возникают крупные расслоенные интрузии (магматические тела), строение которых весьма напоминает строение континентальной земной коры. Исследование ударного кратера Садбери (Канада) показало, что в доархейское время, когда Земля подвергалась массированной метеоритной бомбардировке и практически вся ее поверхность была покрыта расплавом, именно по такой схеме могло происходить становление континентальной земной коры и зарождение материков.
Снаружи Земля покрыта твердой оболочкой — земной корой, которая не является монолитной, а разбита на плиты, неоднородные по своему строению и составу. Два главных типа плит — континентальные и океанические — различаются составом коры (соответственно, континентальной и океанической), мощностью (толщиной) и возрастом.
В центральных частях океанов (в зонах срединно-океанических хребтов) плиты раздвигаются, снизу поступает мантийный материал, который формирует океаническую кору, состоящую главным образом из базальтов, поверх которых отлагается слой осадков. Таким образом, океаническая кора имеет двуслойное строение.
Континентальная кора имеет трехслойное строение: осадочный слой сверху, затем располагается «гранитный» слой, состоящий главным образом из гранитов и гнейсов, а внизу — условно названный «базальтовым» нижний слой коры, идентифицируемый только на основе геофизических данных (даже самые глубокие скважины так и не достигли верхней границы «базальтового» слоя). Континентальная кора более мощная (толщиной до 75 км, в среднем — 35–45 км) и более древняя, чем океаническая. Первые блоки континентальной коры (кратоны) возникли на Земле еще в архее, 2,4–4,0 млрд лет назад. Кратоны составляют «ядра» всех континентов. Согласно теории тектоники плит, вокруг этих «ядер» непрерывно идет наращивание континентальных окраин за счет переплавления погружающейся в зонах субдукцииокеанической коры вместе с осадочным слоем. Но как образовались сами архейские кратоны, если первые достоверные признаки движения литосферных плит фиксируются лишь начиная с позднего протерозоя (1 млрд лет назад)?
Вероятно, процессы движения земной коры в архее сильно отличались от современных в силу того, что литосфера была еще сильно разогрета и часть пород земной коры находилась в расплавленном состоянии. Этот первичный расплав был исключительно базальтового состава. И именно тогда в этой полурасплавленной коре каким-то образом происходили процессы дифференциации (расслоения) первичного корового вещества, приведшие к образованию стратифицированной континентальной коры, верхние горизонты которой образовали более легкие икислые по составу граниты, а нижние — более плотные и тяжелые породы основного состава.
В качестве одного из процессов, который мог бы привести к дифференциации вещества земной коры (разделению ее на слои) в архейское время, был предложен механизм гравитационного перемешивания (D. Wiemer et al., 2018. Earth's oldest stable crust in the Pilbara Craton formed by cyclic gravitational overturns). Однако для того, чтобы огромные массы расположенного близко к поверхности и уже начинающего остывать базальта прошли все этапы дифференциации с образованием гранитов, требуется интенсивный источник тепла и энергии. В раннеархейское и доархейское (катархейское) время такими источниками вполне могли быть мощныеимпактные события — падения на Землю астероидов и крупных метеоритов в периодпоздней тяжелой бомбардировки (4,1–3,8 млрд лет назад). Учитывая тот факт, что падение астероида размером 50 км может вызвать появление гигантского озера магмы, простирающегося на сотни километров, интенсивная бомбардировка могла привести к появлению крупных областей расплавленных пород площадью тысячи квадратных километров при толщине расплавов в десятки километров.
Международная группа ученых во главе с Раисом Латыповым (Rais Latypov) изВитватерсрандского университета в ЮАР, изучая ударный кратер Садбери в Канаде, нашла серьезные подтверждения гипотезы о том, что метеоритная бомбардировка действительно могла быть причиной первичной дифференциации вещества внешней оболочки Земли и образования земной коры континентального типа.
При падении астероида диаметром 10–15 км, которое произошло 1,85 млрд лет назад, в кратере Садбери возник слой магматического расплава, нагретого до 1700–2000°C, а затем сформировалась расслоенная магматическая структура (магматический комплекс Садбери — Sudbury Igneous Complex) вытянутой овальной формы (62 км по длинной оси и 30 км — по короткой, рис. 2). Такая форма комплекса связана с тем, что столкновение астероида с поверхностью Земли произошло по касательной. Расслоенное магматическое тело прослеживается на глубину до 15 км. Это третий по величине ударный кратер на Земле и самая хорошо сохранившаяся расслоенная интрузия импактного происхождения. Магматический комплекс Садбери состоит из слоев таких изверженных пород, как габбронориты, игранофиры. Очевидно, что разделение слоев произошло в результате магматической дифференциации, при которой из первично однородной магмы образовались породы различного состава, однако каков был механизм этой дифференциации, до сих пор не было известно.
Рис. 2. Схематический план (а) и разрез (b) магматического комплекса Садбери
Рис. 2. Схематический план (а) и разрез (b) магматического комплекса Садбери.Цифрами внизу слева обозначены: 1 — комплексы перекрывающих осадочных и вулканических пород; 2–4 — породы магматического комплекса Садбери: 2 — породы кислого состава (гранофиры), 3 — кварцевые габбро, 4 — породы основного состава (нориты). Темно-зеленым цветом на профиле справа показаны нижний слой меланоритов и тела аналогичных пород, встречающиеся в виде фрагментов по всей толще пород комплекса. Справа на геохимической кривой видно, что меланориты резко отличаются от всех остальных пород комплекса повышенным содержанием MgO. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications
В отличие от других крупных расслоенных интрузивных комплексов импактного происхождения (Стиллуотер (Stillwater) в США, Бушвельд в ЮАР и других), верхние части которых уничтожены эрозией, в комплексе Садбери частично сохранились породы кровли — верхнего слоя магматических пород комплекса. Авторы обнаружили, что фрагменты кровли сложены теми же самыми породами, которые залегают в основании комплекса — высокотемпературными меланократовыминоритами, которые авторы назвали меланоритами. Эти породы резко отличаются от представленных в нижней части комплекса Садбери фельзических (felsic) норитов как петрографически (доля ортопироксена в них составляет 23–35% по сравнению с 6–9% в фельзических норитах), так и геохимически (содержание MgO в них составляет 8–9% по сравнению с 4–6% в фельзических норитах).
Фрагменты тел тех же самых меланоритов размером от 10 до 100 м авторы обнаружили в виде обломков, распределенных по всей толще пород интрузивного комплекса Садбери. Это стало возможным благодаря детальному петрографическому и геохимическому картированию комплекса (так как внешне меланориты практически неотличимы от вмещающих пород). По трем геохимическим профилям (траверсам), отмеченным на рис. 2, было отобрано более 600 образцов, что впервые позволило задокументировать тела меланоритов на разных стратиграфических уровнях интрузивного тела.
Авторы интерпретируют картину образования магматического комплекса Садбери следующим образом (рис. 3). После удара астероида в кратере образовался очаг магмы однородного гранодиоритового состава, перекрытый сверху слоем обломочных отложений, выброшенных из кратера при ударе. По мере застывания магмы происходила ее дифференциация — расслоение за счет фракционной кристаллизации. Доказательством того, что застывание (кристаллизация) происходила одновременно в двух направлениях (снизу вверх и сверху вниз), служит тот факт, что самые высокотемпературные породы, кристаллизовавшиеся из расплава первыми — меланориты, встречаются как в кровле магматического массива, так и в его основании. Так как в центральной части массива некоторое время продолжалось конвекционное перемешивание магматического расплава, застывшая кровля массива периодически разрушалась и ее обломки, более плотные по сравнению с расплавом, погружались вниз, фиксируясь в породах внутренних частей массива по мере их кристаллизации.
Рис. 3. Модель формирования расслоенного магматического комплекса Садбери
Рис. 3. Модель формирования расслоенного магматического комплекса Садбери: а — импактное событие (падение астероида) привело к образованию кратера, заполненного магматическим расплавом (красный); b — возникновение конвекции в первично однородном гранодиоритовом расплаве; с — образование слоев меланоритов (зеленый) в основании и кровле массива, частичное разрушение кровли;d — завершающая стадия расслоения массива. В конце концов формируется разрез, полностью аналогичный трехслойному разрезу континентальной земной коры: сверху осадочный слой (голубой), затем «гранитный» слой (гранофиры — желтый) и «базальтовый» слой, состоящий из основных пород (норитов — зеленый) внизу. Зеленые треугольники и прямоугольники — фрагменты меланоритов кровли. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications
Таким образом, впервые обнаруженные в породах магматического комплекса фрагменты меланоритов, заключенные в породах более кислого состава, позволили воссоздать всю картину последовательной кристаллизации расслоенного комплекса Садбери, а детальное изучение строения комплекса — доказать, что мощные импактные события действительно могли приводить к переплавлению древней базальтовой коры с образованием расслоенных комплексов пород различного состава, в том числе — кислых пород богатых кремнеземом («гранитного» слоя), которые локализовались в верхней части новообразованной коры континентального типа.
Несмотря на то, что образование магматического комплекса Садбери произошло 1,85 млрд лет назад (в палеопротерозойской эре), то есть значительно позже периода поздней тяжелой бомбардировки, авторы считают, что характер импактных событий и последующих процессов магматической дифференциации в архее и катархее вряд ли сильно отличался, и полученные результаты вполне можно распространять на все предшествующие периоды.
Источник: Rais Latypov, Sofya Chistyakova, Richard Grieve, Hannu Huhma. Evidence for igneous differentiation in Sudbury Igneous Complex and impact-driven evolution of terrestrial planet proto-crusts // Nature Communications. 2019. V. 10. Article number 508. DOI: 10.1038/s41467-019-08467-9

воскресенье, 10 февраля 2019 г.


Слишком крутые, чтобы бояться. Посмотрите, как медоеды держат в страхе змей, гиен и львов


Недавно в Сети появилось видео из национального парка Крюгера в ЮАР. На нем видно, как самка медоеда вырывает своего детеныша из пасти леопарда! Впечатляет, но на самом деле ничего необычного в этом нет. Медоеды — самые бесстрашные звери на земле, а все из-за их шкуры. Она настолько толстая, что ее невозможно прокусить хищникам (а если и удалось, то медоед все равно не умрет). Посмотрите, как они держат в страхе гиен, львов и змей (даже рой пчел для медоедов — ерунда).
Читать полностью: https://news.tut.by/culture/625585.html


Читать полностью: https://news.tut.by/culture/625585.html

понедельник, 4 февраля 2019 г.

Интенсивность метеоритной бомбардировки Земли резко возросла в конце палеозоя

Столкновения с астероидами и крупными метеоритами в истории Земли случались неоднократно. Ученые давно пытались понять, с какой частотой в разные геологические эпохи происходили подобные события. Однако сделать это не так просто, так как главные свидетельства ударных событий далекого прошлого — метеоритные кратеры — либо скрыты под слоями более молодых пород, либо уничтожены эрозией или тектоническими процессами. Ответ на поставленный вопрос могла бы дать Луна, подвергавшаяся бомбардировке теми же метеоритными потоками, что и Земля. Кратеры на лунной поверхности, в отличие от земной, прекрасно сохранились, но до последнего времени отсутствовала простая методика определения их возраста. Использование информации, полученной лунным орбитальным зондом NASA Lunar Reconnaissance Orbiter, позволило впервые определить возраст всех крупных лунных кратеров и сравнить полученные результаты с имеющимися данными для нашей планеты. Выяснилось, что 290 млн лет назад интенсивность метеоритного потока возросла примерно в 2,6 раза.
Столкновения с астероидами и крупными метеоритами — важные события в истории Земли. Последствия таких ударных (импактных) событий могли быть весьма разрушительными. По некоторым теориям, столкновение с астероидом диаметром в несколько десятков километров 252 млн лет назад стало одной из причин самого грандиозного в истории Земли массового пермского вымирания. А мел-палеогеновое вымирание (66 млн лет назад), в результате которого исчезли динозавры, связывают с падением на Землю Чиксулубского метеорита.
Не меньшую роль играли ударные события и в жизни других планет. За последние несколько десятилетий планетологи и астрономы обнаружили, что поверхность Луны, Меркурия, Венеры, Марса, многих крупных астероидов и спутников внешних газовых планет покрыта (зачастую очень плотно) импактными кратерами.
Несмотря на то, что в породах земной коры сохранилась информация за последние 4,0 (из 4,5) млрд лет существования нашей планеты, обнаружить в них следы древних метеоритных кратеров и оценить по их количеству изменение интенсивности метеоритного потока на поверхность Земли в ходе геологической истории довольно сложно. Часто эти импактные структуры перекрыты более молодыми отложениями или стерты эрозией. К тому же действующий на Земле механизм тектоники плит приводит к периодическому обновлению земной коры, и часть информации, находящаяся в континентальной коре, просто теряется при погружении в мантию.
А некоторые метеоритные кратеры своим строением очень похожи на структуры, образующиеся при обычных геологических процессах, таких как тектонические деформации, образование соляных куполов, вулканическая активность, кольцевые магматические структуры. На сегодняшний день известны десятки таких «неподтвержденных» импактных кратеров (см. их список), многие из которых на фото с воздуха выглядят весьма эффектно (рис. 2).
Рис. 2. Кольцевая структура Ришат (Око Сахары)
Рис. 2. Кольцевая структура Ришат (Око Сахары) в Мавритании долгое время считалась метеоритным кратером. Однако при более детальном ее изучении выяснилось, что эта тектоническая структура, сложенная осадочными породами (доломитами), возникла в результате куполообразного поднятия слоистой толщи пород и последующей ее эрозии. Фото с сайта worldlist.travel
Полный каталог импактных структур Земли, созданный в Сибирском отделении РАН, на сегодняшний день содержит 3403 записи, из которых только 260 признаны достоверно подтвержденными. В мире наиболее авторитетным списком импактных структур считается база данных Earth Impact Database канадского университета Нью-Брансуика, насчитывающая 190 наименований. Прямым подтверждением импактной природы той или иной структуры являются прежде всего признаки ударного метаморфизма и находки внутри структуры самих метеоритов (или их фрагментов). Ежегодно сообщается об открытии новых импактных структур или новых местах находок импактитов — особых горных пород, образующихся в результате ударного воздействия.
Подавляющее большинство из обнаруженных на Земле импактных структур имеют возраст моложе 500 млн лет, и непонятно, увеличилась ли интенсивность метеоритного потока в последнее время или же она была более или менее равномерной в течение всего существования Земли, а более древние кратеры были уничтожены геологическими процессами и свидетельства о них не сохранились.
Несмотря на то, что есть так называемая гипотеза поздней тяжелой бомбардировки, согласно которой в период 4,1–3,8 млрд лет назад планеты земной группыподверглись воздействию мощного метеоритного потока, обнаружить признаки подобных событий на Земле пока не удалось. Сведения об импактных событиях в ранний период истории Земли крайне ограниченные и в основном косвенные. С большой долей вероятности слои обломочных пород импактного происхождения (слои выброса) есть в архейских (возрастом 3,47–3,2 млрд лет) отложенияхзеленокаменного пояса Барбертон в Южной Африке (Barberton Greenstone Belt) икратона Пилбара (Австралия). Находки импактитов задокументированы в слоях возрастом 3,4–2,5 и 2,0–1,8 млрд лет. Возраст самой древней из известных ударных структур на Земле — ударного кратера Вредефорт в ЮАР оценивается в 2,02 млрд лет. Таким образом, для ранней истории Земли очень мало информации: ничего для первого миллиарда, несколько слоев выброса в архее и раннем протерозое, и единичные структуры в позднем протерозое.
В научной среде давно существовала идея восстановить историю метеоритного воздействия на Землю, изучив метеоритную «запись» на поверхности Луны, подвергавшейся в течение миллиардов лет тому же ударному воздействию из космоса, что и Земля. Но до недавнего времени надежного и быстрого способа определения возраста лунных кратеров не было. Ситуация изменилась с запуском лунного орбитального зонда NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), аппаратура которого позволяет делать снимки высокого разрешения (рис. 3) и выполнять целый комплекс научных наблюдений.
Рис. 3. Фотографии лунного кратера Джордано Бруно
Рис. 3. Фотографии лунного кратера Джордано Бруно, выполненные зондом LRO: общий вид (слева) и фрагмент вала кратера (справа). Диаметр кратера 22,1 км, глубина 1,8 км. Высота вала над окружающей местностью составляет 810 м. Фото с сайтаlroc.sese.asu.edu
Группа ученых-планетологов под руководством Ребекки Гент (Rebecca R. Ghent) изТоронтского университета (Канада) использовала для своих исследований данные одного из приборов, расположенных на борту LRO — термального радиометра DLRE (The Diviner Lunar Radiometer Experiment), измеряющего тепловое излучение лунной поверхности в течение суток. В статье, опубликованной недавно в журнале Science, они заявляют, что инфракрасные изображения Луны, сделанные этим прибором можно использовать для оценки возраста всех лунных кратеров моложе 1 млрд лет.
Идея заключается вот в чем. При ударном воздействии и образовании кратера на поверхность Луны выбрасываются блоки скальных пород (рис. 4). Зная диаметр и глубину кратера, легко посчитать, сколько материала было выброшено изначально. Выброшенный на поверхность скальный материал начинает разрушаться под воздействием постоянного дождя крошечных метеоритов (на поверхность Земли такие метеориты не попадают, так как они сгорают в плотных слоях земной атмосферы), солнечного излучения и суточных перепадов температуры. А прибор DLRE позволяет увидеть, сколько этой скальной породы осталось на сегодняшний день, так как скальная порода хорошо видна на инфракрасных снимках: от нее во время лунной ночи исходит заметно больше тепла, чем от реголита — поверхностного слоя сыпучего лунного грунта.
Рис. 4. Скальная породы на южном склоне кратера Коперника
Рис. 4. Скальная породы на южном склоне кратера Коперника. Фото с сайтаlroc.sese.asu.edu
Ранее Ребекке Гент с коллегами удалось установить зависимость деградации (разрушения) кратеров от времени для девяти лунных кратеров, возраст которых уже был известен по данным радиоизотопного датирования образцов, доставленных на Землю в рамках американской программы «Аполлон» (Rebecca R. Ghent et al., 2014.Constraints on the recent rate of lunar ejecta breakdown and implications for crater ages). Тот факт, что условия на поверхности Луны сохраняются неизменными на протяжении последних 3 млрд лет, позволил авторам обсуждаемой статьи применить эту зависимость к большей выборке кратеров (рис. 5): всего было в ходе новой работы изучено 111 кратеров диаметром более 10 км и возрастом моложе 1 млрд лет (рис. 1). По мнению авторов, скальные выбросы более древних кратеров разрушились практически полностью и на изображениях они сливаются с фоном.
Рис. 5. Схема обсуждаемого исследования на примере кратера Джордано Бруно
Рис. 5. Схема обсуждаемого исследования на примере кратера Джордано Бруно.Красным показаны скальные породы, синим — реголит. На инфракрасных снимках трехканального термального радиометра, установленного на борту лунного орбитального зонда LRO, виден объем скальных пород (Rock abundance), который позволяет определить возраст кратера (модельная зависимость показана в правом верхнем углу). Рисунок с сайта southampton.ac.uk
Результаты определения возраста лунных кратеров приведены на рис. 6. Из диаграммы видно, что временное распределение самых крупных кратеров (диаметром более 20 км) и кратеров диаметром более 10 км примерно одинаковое, то есть распределение кратеров по времени не зависит от их размера. На эту же диаграмму наложены данные по наиболее крупным земным кратерам (диаметром более 20 км), так как именно крупные земные кратеры сохранились наилучшим образом.
Рис. 6. Накопительная гистограмма распределения лунных кратеров по возрастам
Рис. 6. Накопительная гистограмма распределения лунных кратеров по возрастам. По горизонтали — возраст, от 0 до 1000 млн лет; по вертикали — доля кратеров моложе указанного возраста, от 0 до 1. Условные обозначения: 1 — лунные кратеры диаметром более 10 км; 2 — лунные кратеры диаметром более 20 км; 3 — земные кратеры диаметром более 20 км; 4 — усредненная модель. Стрелкой показана отметка в 290 млн лет — момента, после которого интенсивность метеоритной бомбардировки резко изменилась. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Оказалось, что 290 млн лет назад, в конце палеозойской эры, интенсивность метеоритного воздействия на Луну и на Землю увеличилась примерно в 2,6 раза. Причина скачка интенсивности неизвестна, хотя исследователи предполагают, что это может быть связано с каким-то катастрофическим событием, произошедшим около 300 млн лет назад в главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера, которое привело к образованию большого количества обломков, способных достигнуть внутренней области Солнечной системы.
Еще одним важным результатом данного исследования, является вывод о том, что крайне малое количество (по сравнению с более молодыми кратерами) крупных кратеров Земли, относящихся к периоду между 290 и 650 млн лет назад, связано и с более низкой интенсивностью метеоритной бомбардировки, а не только с плохой сохранностью кратеров. А вот практически полное отсутствие земных кратеров, возраст которых превышает 650 миллионов лет, скорее всего, объясняется тем, что мощные эрозионные процессы криогения (850–630 млн лет назад), когда вся поверхность Земли была покрыта ледниками (так называемая гипотеза «Земля-снежок»), уничтожили следы более древних кратеров.
Хотя авторы обсуждаемого исследования не были первыми, кто предположил, что интенсивность метеоритной бомбардировки Земли менялась в течение геологической истории, они первыми продемонстрировали это статистически и измерили количественно.
Источник: Sara Mazrouei, Rebecca R. Ghent, William F. Bottke, Alex H. Parker, Thomas M. Gernon. Earth and Moon impact flux increased at the end of the Paleozoic //Science. 2019. V. 363. P. 253–257. DOI: 10.1126/science.aar4058.
elementy.ru

пятница, 1 февраля 2019 г.

Смартфоны оказались под угрозой исчезновения: в чем причина



Современные смартфоны состоят из большого количества компонентов, для производства которых используют различные ресурсы. По словам ученых, некоторые из них доступны в ограниченном количестве и даже находятся под угрозой исчезновения.
В производстве смартфонов используется около 30 химических элементов. Некоторые из них доступны в природе в очень ограниченном количестве. Сложности доставляет и то, что ряд компонентов не подлежит полной переработке, сообщает Daily Mail.
​Найпоширеніші хімічні елементи для виготовлення смартфонів
Самые распространенные химические элементы для изготовления смартфонов
Неудивительно, что все в мире состоит из 90 природных химических элементов. Каждый из них ограничен, а мы используем имеющийся запас слишком быстро, поэтому что-то исчезнет менее чем через 100 лет,
– заявил ученый из университета Сент-Эндрюс в Шотландии Дэвид Коул-Гамильтон.
Что сделать, чтобы избежать исчезновения смартфонов? Для предотвращения полного исчезновения из природы различных химических элементов ученые призывают людей своевременно утилизировать старые телефоны. По имеющимся данным, в странах ЕС ежемесячно выбрасывается или заменяется около 10 миллионов смартфонов.