Отпечатки пальцев

Тонкие бороздки отпечатков пальцев нужны не только для того, чтобы крепче держаться за ручку в трамвае. Если бы не они, мы были бы в 100 раз менее чувствительны к шероховатостям поверхности. Как показали четыре французских физика с помощью «искусственного пальца», папиллярные линии работают, как своеобразный фильтр высокой частоты.

Узоры папиллярных линий, которые обычно называют отпечатками пальцев, – черта, присущая очень немногим животным. Наличие индивидуальных отпечатков достоверно установлено у коал и одного из американских видов куниц, однако чаще всего они встречаются лишь у представителей одного отряда – приматов, в том числе и самого совершенного из них.

Папиллярные линии
(от латинского papilla – сосок) – рельефные линии на ладонных и подошвенных поверхностях (включая пальцы) у людей, обезьян и некоторых других млекопитающих.

Кожа человека состоит из...

У человека папиллярные гребни давно исследованы. Они образуются рядами специальных «сосочков», находящихся в глубине кожи, под слоем эпидермиса. Характерное расстояние между линиями узора составляет от нескольких десятых долей до примерно половины миллиметра, характерная глубина рельефа – 50–80 микрон. Узор этих гребней формируется ещё в утробе матери, на 3–4 месяцах её беременности, и даже у однояйцевых близнецов отпечатки пальцев в целом похожи, но в деталях совершенно не совпадают.

Однако на вопрос, зачем природе понадобились эти замысловатые узоры, окончательного ответа нет до сих пор.

Существуют две основных версии, которые совсем не исключают ни друг друга, ни какого-то третьего назначения. Во-первых, мелкая текстура на коже пальцев и ладоней повышает сцепление с естественными поверхностями, которые сплошь хоть немного шероховаты; при отсутствии ярко выраженных когтей такое приобретение, как кожные гребни, кажется очень полезным.

Во-вторых, наличие узора может повышать чувствительность к упомянутой шероховатости поверхностей, определяемой на ощупь. Человеческие руки лишены не только когтей, но и волосяного покрова на ладонях и кончиках пальцев. Но именно нервные окончания, овивающие подкожную часть волосков, обеспечивают основную чувствительность кожи к движениям и вибрациям.

Давление же чувствуют специальные глубинные рецепторы – так называемые мейсснеровы и пачиниевы (фатер-пачиниевы) тельца. Первые расположены сразу под эпидермисом, в тех самых «сосочках», ряды которых образуют гребни на поверхности пальцев, вторые – глубоко в дерме, на глубине примерно 2 миллиметра под наружной поверхностью кожи.

По мнению многих учёных, роль рельефа на поверхности наших пальцев – «подпрыгивать» при скольжении пальцев по обследуемой поверхности, превращая её неровности в акустические колебания в коже, которые способны регистрировать рецепторы давления.

Пачиниевы и мейсснеровы тельца
являются детекторами давления (и, соответственно, акустических колебаний) и расположены в дерме кожи.

Пачиниевы (фатер-пачиниевы) тельца достаточно велики для того, чтобы быть видимыми невооруженным...

Какой именно рецептор «завязан» на определение текстуры поверхности с помощью папиллярных линий, догадаться несложно. Физиологические эксперименты показали, мейсснеровы тельца чувствительны к низкочастотным колебаниям – в диапазоне от 2 до примерно 40 Гц. Высокочастотные колебания с частотой от примерно 80 Гц до 400 Гц – вотчина пачиниевых телец, максимум чувствительности которых приходится примерно на 250 Гц. При расстоянии между гребнями в 0,5 мм и типичной скоростью скольжения кончиков пальцев при прощупывании поверхности в 10–15 см в секунду характерная частота получается в районе 200–300 Гц. Так что, несмотря на прямую связь папиллярных линий с мейсснеровыми тельцами, за детектирование колебаний должны быть ответственны более глубокие пачиниевы тельца.

Однако все эти рассуждения о пальцах «на пальцах» – ещё не наука; по крайней мере, не биологическая. Да и не особо физическая: точно рассчитать, какие колебания возбуждают реальные шершавые поверхности при взаимодействии с папиллярными линиями, как они распространяются в коже и во что превращаются на глубине в 2 миллиметра, когда добираются до детектора, – задача очень сложная.

Четверо французских физиков из 6-го и 7-го университетов Парижа под руководством Жоржа Дебрежаса решили вместо сложных расчётов положиться на эксперимент. Их работа принята к публикации в Science.


Схема экспериментальной установки. Микродатчик силы (1) установлен на жёсткой подложке (2) и покрыт эластичным материалом в форме сферического сегмента (3), выпуклая поверхность которого либо покрывалась узором из тонких параллельных гребней, либо оставалась гладкой; высота шарового сегмента h=2 мм. Получившийся тактильный сенсор помещён на подвижную в двух измерениях консоль (4,5), позволяющую измерять нагрузку на сенсор с помощью двух ёмкостных датчиков положения (6,7). В большинстве экспериментов консоль с тактильным сенсором перемещалась с постоянной скоростью v в горизонтальном направлении чувствительности датчиков, будучи прижатой с постоянным давлением к стеклянной пластине (8), на поверхности которой был нанесён узор из параллельных прямоугольных бороздок (9) разной ширины. // Science/AAAS

Технические подробности
Параметры бороздок шероховатой поверхности: средняя ширина – 75 микрон, одномерный спектр мощности – белый шум, ограниченный по частотному диапазону.

Скорость протяжки: 0,2 –...

Поскольку работать с живыми человеческими пальцами сложно, учёные создали «искусственный палец». Вместо пачиниевых тел они использовали микродатчик силы, слой кожи заменял двухмиллиметровый сегмент упругого материала, механические свойства которого были подобраны так, чтобы он максимально походил на дерму. Всё это было тщательно закреплено на специальном устройстве, которое позволяло измерять силу, с которой «палец» давит на шероховатую поверхность, пока его протаскивают вдоль неё с постоянной скоростью.

Дальше учёные провели две серии экспериментов. В первом случае поверхность «искусственного пальца» была гладкой, во втором её покрыли рядом симпатичных параллельных бороздок, в масштабе 1:2 изображающих собой папиллярные линии человеческого пальца. В качестве «исследуемой поверхности» выступала стеклянная пластинка, на которую были нанесены бороздки самой разной ширины – в том диапазоне неровностей, с которым приходится встречаться людям.

И доказали, что по мощности колебаний в нужном частотном диапазоне ребристая поверхность на два порядка превосходит гладкую.

А амплитуда этих колебаний, соответственно, примерно на порядок выше.

Иными словами, папиллярные линии на кончиках наших пальцев – это своего рода фильтры высокой частоты, настроенные на диапазон чувствительности пачиниевых рецепторов. При низких частотах и гладкая, и ребристая поверхность ведут себя одинаково.

Дебрежас и его коллеги также удостоверились, что действие этого «фильтра» ослабевает при рассогласовании взаимной ориентации полосок на «искусственном пальце» и на шероховатой поверхности. Поскольку в реальности мы имеем дело не с полосками, а с текстурами самых разнообразных форм, становится понятным, зачем папиллярные линии на наших пальцах завиты в такие разнообразные узоры.

Нанонадпись

Физики из Станфордского университета написали самые крохотные буквы в истории, которые в десятки раз меньше знаменитой надписи IBM из отдельных атомов. Они сделали квантовую голограмму, в которой в качестве третьего измерения используется не «глубина» изображения, а энергия. Рекордная методика пока не имеет практических перспектив.

Почти 20 лет назад сотрудники исследовательского подразделения IBM Дональд Эйглер и Эрхард Швайцер написали название своей компании 35 атомами ксенона на никелевой подложке. Расстояние между атомами, которые учёные с помощью сканирующего туннельного микроскопа водружали на подложку один за одним, было 1,3 нанометра, а размер самих букв составил чуть больше 4 нм.

Оперативка с диском поженились
Устаревшая технология считывания и записи информации на магнитные носители, похоже, дождалась выхода на пенсию. Японские ученые стерли грань между жёстким диском и оперативной памятью, научившись...

Конечно, большинству из нас такое достижение по барабану: уменьшить сканирующий туннельный микроскоп до размеров жёсткого диска никому не удавалось, да и скорость записи не так велика. Но исследователям компании IBM – райского уголка для исследователей того времени – было приятно: средняя плотность записи информации составила примерно 0,6 бит/нм2 – умопомрачительное значение с точки зрения компьютерной техники.

В принципе, теория допускает любую плотность упаковки информации в квантовом состоянии – был бы только вакуум достаточно чистым, а температура достаточно низкой (про эффекты не существующей пока квантовой теории гравитации забудем). Однако в реальности, даже лабораторной, плотность записи примерно в бит на квадратный нанометр считалась предельной – куда уж атомам быть ближе, чем в кристаллической решётке.

Хари Манохарану и его коллегам из американского Станфордского университета удалось превзойти своих коллег и учителей из IBM.

На медной подложке они написали университетскую аббревиатуру SU нанометровыми буквами. Да при том физически разместили две буквы в одном и том же месте.

Плотность информации составила 20 бит/нм2. Работа с описанием нового метода принята к публикации в Nature Nanotechnology.


Этапы развития «нанонадписей» по версии авторов работы:
a) Электронная литография начала первой главы «Повести о двух городах» Диккенса на подложке из Si3N4, получившая фейнмановскую премию в 1987 году.
b) S-образная дыра, «просверленная» в массиве кремниевых нанопроводов пучком высокоэнергичных электронов.
c)Знаменитый «нанолейбл» IBM.
d-f. «Буквы», написанные в рамках работы Манохарана и его коллег разными методами. // C.R. Moon et al., Nature Nanotechnology 2009

Чтобы достичь такого успеха, Манохаран и его коллеги воспользовались методом квантовой голографии. В обычной голографии трёхмерное изображение какого-либо предмета записывается в виде картины интерференции двух потоков света – отражённого от предмета и опорного. После этого достаточно посветить на готовую голограмму опорным пучком, и состояние поля электромагнитного излучения восстановится. Говоря простым языком, из (почти) любой точки мы увидим предмет ровно так, как будто он в реальности находится там, где был в момент записи: можно поворачивать голову, ходить вправо-влево, и глаза будут видеть такие же лучи, которые в момент записи там проходили.

Станфордские учёные также воспользовались голографическим восстановлением, но восстанавливали они не световые волны, а электронные. Физики уже почти сто лет знают, что не только фотон, но и все элементарные частицы можно рассматривать и как волны. И эти частицы также могут интерферировать, проходить одновременно через пару щелей и так далее. В каждой точке волны можно складывать и вычитать. Более того, в эксперименте Манохарана можно было не задумываться о том, как это одна частица проходит сразу через две щели: на поверхности медного проводника электронов достаточно, и волновое описание для них более чем естественно.

С квантовой электронной голографией учёные играются не первый раз. Несколько лет назад тот же Манохаран вместе с «нанописарем» IBM Дональдом Эйглером научились создавать так называемые квантовые миражи, в которых интерференция электронных волн – точь-в-точь как в обычной голографии – переносила картину рассеяния электронов атомом или молекулой в другую точку. Однако с точки зрения плотности информации такой трюк не давал выигрыша: чтобы создать голограмму, эти центры рассеяния надо было сначала поместить в пространстве на место «голографируемого объекта».

Поскольку любая квантовая система может находиться одновременно в нескольких разных состояниях, энергии которых могут отличаться, систему описывают вероятностно – задают функцию ρ(x, y; E), показывающую, насколько вероятно, что энергия электронов в точке (x,y) равна заданному значению E. Именно в этой функции и зашифровали всю информацию учёные.

В последней работе третье пространственное измерение, на которое надо было проектировать голограмму, учёным заменила энергетическая координата. Для считывания им приходилось многократно сканировать крохотную медную площадку на нескольких энергетических уровнях. И на каждом уровне могла быть записана своя буква – количество срезов ограничивает лишь способность записать одну букву так, чтобы она не испортила запись на соседних «срезах».

И вот вопрос о записи для учёных самый больной.

Чтобы создать электронную голограмму, они разбрасывают по медной площадке молекулы CO (угарного газа); электронные оболочки этих частиц поглощают и рассеивают электронные волны на поверхности меди примерно так же, как частицы почерневшего серебра на фотопластинке рассеивают и поглощают световые волны.

Но вот решить задачу, как раскидать молекулы, чтобы при считывании получилась латинская буква, а не китайский иероглиф, учёные пока могут лишь в индивидуальном порядке. Компьютер берёт исходное случайное распределение, вычисляет, как будет выглядеть считанная голограмма, а потом пытается тупо двигать частицы до тех пор, пока рассчитанная запись не сойдётся с той, которая нужна.

Кроме того, учёные слегка лукавят, когда говорят о рекордной плотности записи.

Даже если им удалось поместить 20 бит на 1 нм2, это не значит, что на участке в 1000 нм2 поместятся 20 тысяч бит.

Мало того что нет общего алгоритма, способного вычислить, как записать эти 20 кбит. «Рябь» на поверхности электронных волн, рассеянных где-то за границами клочка меди с записью, доберётся и до него и будет портить картину. Например, когда учёные записывали S и U, они оставляли вокруг поля по 5–10 нм. Если их учитывать при расчёте, плотность записи упадёт в несколько раз.

Впрочем, Манохаран и его коллеги и не утверждают, что их изобретению суждена скорая реализация в каких-нибудь «наноголографических квантовых жёстких дисках». Более того, запись хоть сколько-нибудь значительного количества информации будет занятием «откровенно непрактичным», пишут учёные. Однако эффект наверняка найдёт своё применение в науке. А рекорд уже никак не отменишь.

Догнать эволюцию

Хотя вопрос о влиянии размеров и скорости сперматозоидов на индивидуальный успех особей остаётся спорным, они точно имеют значение в вопросе образования новых видов. Африканские цихлиды, самцы которых обладают более быстрыми, крупными и многочисленными сперматозоидами, дальше ушли от общего предка.

Спор о том, имеют ли значение размер и скорость сперматозоидов, начался среди биологов очень давно. По мнению Джона Фитцпатрика и его коллег из Университета Западной Австралии и канадского Университета имени Макмастера, имеют – если не в пределах одного вида, то точно в появлении новых видов и межвидовом противостоянии.

Рыбий глаз от катаракты
Глаза африканских цихлид сулят человеку избавление от старческой дальнозоркости и катаракты. Хрусталик этих рыб способен менять не только форму, но и оптические свойства самого материала, из которого сделан,...

Стоит сразу отметить, что «тактические характеристики» юрких сперматозоидов и неподвижных спермиев играют роль только при «множественном» оплодотворении, когда у одной самки в течение фертильного периода происходит несколько половых контактов. У более совершенных видов, к которым относится и человек, основной отбор идёт на стадии выбора партнёра, и уже только ему, самому сильному, умному, красивому и прочее, предоставляется право распространить свои гены, вне зависимости от «качества» спермы.

Что же касается видов, морально продвинувшихся не столь далеко, то, как долгое время полагали учёные, именно скорость и жизнеспособность сперматозоидов – залог успешного оплодотворения. А следовательно – и ключевой фактор естественного отбора.

Более детальные исследования показали, что это не совсем так.

Размер хвоста не имеет значения

Длина хвоста сперматозоида не играет ключевой роли в скорости передвижения и в естественном отборе, по крайней мере среди животных с внутренним оплодотворением. Стюарт Хамфрис и соавторы публикации в BMC
...

В частности, для увеличения скорости сперматозоида требуется возрастание как длины его хвостика, так и запасов энергии. Однако это неизбежно влечёт за собой увеличение размеров, а следовательно – и сопротивления жидкости. Как подтвердили математические и некоторые практические изыскания на сперматозоидах млекопитающих, длина и размер вовсе не означают максимальную скорость.

Второй постулат, подвергшийся редакции за последнее время, касается связи между скоростью и успехом. Как показали биологи, «самый быстрый» не всегда означает «самый эффективный». Здесь вступают в силу механизмы «посткоитального» отбора, которыми природа наградила половые пути полигамных самок. Эти механизмы позволяют самкам останавливать сперматозоиды, по тем или иным причинам им не понравившиеся.

Именно из-за этого многообразия факторов взгляды на эволюцию сперматозоидов постоянно меняются.

Одни учёные считают, что ключевой фактор – скорость, другие – размер. Притом среди тех, кто стоит за размер, тоже есть две партии. Некоторые аргументы работают в пользу больших гамет, некоторые – в пользу маленьких. В некоторых случаях ключевым является умение оставаться невидимым для защитных систем женских половых путей.

Голубые отделились в новый вид
В африканском озере Виктория новые виды образуются буквально на глазах – своих и глазах учёных. У цихлид, обитающих на разных глубинах, отличаются окраска и цветочувствительность, что при спаривании...

Отчасти поэтому Фитцпатрик выбрал для своих экспериментов рыб семейства цихлид, обитающих в африканском озере Танганьика: благодаря наружному оплодотворению материнский вклад в отбор спермы у них минимален. Вторая причина интереса авторов публикации в Proceedings of The National Academy of Sciences к этим рыбкам – интенсивное видообразование, движущей силой которого может оказаться даже цветовосприятие. Кроме того, икру могут пытаться оплодотворить сразу несколько самцов, так что случай «беспутства» налицо.

Ученые в прямом смысле устроили гонку сперматозоидов для 29 близкородственных видов, обитающих в одном и том же озере. Поскольку расположение всех их на филогенетическом дереве было предварительно установлено генетически, то авторам не составило труда определить движущую силу отбора.

Ей, как и предполагалось, стали длина, размер, жизнеспособность и количество сперматозоидов в эякуляте.

Все четыре показателя коррелировали с эволюционной удаленностью вида от общего предка.

Безусловно, это не означает, что только параметры гамет играют роль в естественном отборе – в таком случае рыбки бы уже давно превратились в дрейфующие половые органы. Умение добывать пищу и прятаться от хищников не менее важно – только такие особи способны достигнуть половозрелого возраста. Да и самку, готовую отложить икру, тоже надо увидеть. Так что даже самые быстрые сперматозоиды, несущие «не те» гены, хотя и дадут начало новому организму, но вот закрепиться в поколениях уже не смогут.

Экология японской оккупации

Японские муравьи-захватчики нанесли двойной удар по экосистеме Маврикия, превратив важный источник пищи для коренных жителей острова в пастбище для своего скота. Под наибольшей угрозой именно пастбища – цветы, лишившиеся под натиском пришлых муравьёв своего основного опылителя – голубохвостых гекконов. Но на месте разрушенного союза может возникнуть новый.

Чтобы разрушить складывавшуюся миллионы лет экосистему, совсем не обязательно устраивать буржуазную революцию, переходить на минеральные источники энергии, а потом триста лет ждать, когда же наконец злоупотребление углём и нефтью скажется на климате всей планеты, а вместе с ним и на судьбе отдельных животных и растений.

История знает немало примеров, когда виновниками нарушения хрупкого равновесия становились не промышленные альянсы, а обычные путешественники. И если те же кролики были завезены в Австралию намеренно, то крысы, уничтожившие немалую часть поголовья диких птиц, попали на океанические острова случайно.

Таким же «зайцем» на одном из торговых судов в прошлом веке на Маврикий прибыл белоногий муравей (Technomyrmex albipes).

Истребляй и властвуй
Секрет феноменального успеха аргентинских муравьёв в покорении Калифорнии оказался очень простым. Насекомые сначала съели своих конкурентов, а потом сменили диету, освоив характерное для аборигенов...

Он уступает по агрессивности своему аргентинскому сородичу Linepithema humile, уже захватившему часть Северной Америки и даже Европы, да и стратегический способ ведения борьбы он выбирает совсем другой. Аргентинцы сначала уничтожают местных муравьев, а потом переходят к «скотоводству», организуя «дойные стада» тли и других мелких насекомых, дающих сладкие выделения.

У белоногих воинов изначально не было на острове серьезных конкурентов, а вот тля и другой скот присутствовал в изобилии. Как у себя на родине в Японии, так и на вновь захваченных землях, T. albipes организуют колонии численностью от 400 тысяч до миллиона особей. Чтобы прокормить такое количество ртов, приходится изыскивать все способы и средства, от поедания мертвых насекомых до упомянутого «скотоводства».

Последним маврикийские иммигранты и занялись, освоив богатые нектаром цветы Roussea simplex в качестве пастбищ для своих подопечных. Наверное, на это никто бы не обратил внимания, если бы не голубохвостые гекконы, оставшиеся без основного источника пищи. Авторы статьи в Biotropica заметили, что пресмыкающиеся, обычно ежедневно приходящие за сладким нектаром, перестали заползать на цветы, облюбованные муравьями.

В первую очередь это угрожает не гекконам, а цветам, оставшимся без основного опылителя и распространителя семян.

Предательство и наказание
Лишившись врага, не стоит предавать союзников. Когда учёные защитили африканские акации от слонов и жирафов, деревья перестали предоставять кров и пищу муравьям, прежде спасавшим их от животных....

Ученые даже провели соответствующий эксперимент, смазав поверхность стеблей гелем, мешающим муравьям, но не гекконам, забираться наверх. Установленные видеокамеры подтвердили, что гекконы, несмотря на отсутствие открытой агрессии со стороны муравьев, не пытаются проникнуть на территорию влияния последних. А цветы, попадавшие под контроль насекомых, чаще всего оставались неопылёнными.

Кроме того, муравьи куда интенсивнее используют «растительные ресурсы». Ведь вместо того, чтобы просто собирать сладкий нектар, они выстраивают настоящие «загоны» из грязевых валиков, скрепленных собственными выделениями. А тле для пропитания требуется уже гораздо больше нектара.

В интервью New Scientist Денис Ханзен, один из авторов работы, отметил, что это сильно угрожает существованию и без того стоящего на грани исчезновения цветка.

Хотя не исключен и другой вариант развития событий – мы можем стать свидетелями зарождения новых мутуалистических отношений.

Судя по первым наблюдениям, насекомые не повреждают «половые» органы цветка. Если бы последний научился использовать муравьев в качестве переносчиков пыльцы и семян, то об исчезновении не шло бы и речи: каждая колония муравьев представляет собой сеть нескольких муравейников, а зарождение новых происходит благодаря изредка рождающимся крылатым самцам и самкам. Инициатором появления нового союза могут выступить и муравьи. По крайней мере, тлю они переносят в новое место жительства с не меньшей заботой, чем свои собственные личинки.

Щит из магнита

Никогда за время полётов в космос, за исключением сравнительно коротких лунных экспедиций, человек не оказывался достаточно далеко от Земли, чтобы выйти из-под влияния её магнитосферы, прикрывающей нас от солнечных вспышек. А для рейсов на Марс или дальше инженерам придётся решать задачу защиты экипажа от губительной радиации. Возможно, выходом окажется "магнитоплазменный щит", прообраз которого недавно испытали учёные.

Астронавтам из миссий Apollo просто повезло. Все экспедиции пришлись на те дни, когда солнечный ветер был не очень силён. Хотя в те годы и случались вспышки, в которых поток заряженных частиц от Солнца возрастал настолько, что мог бы поставить под угрозу не только здоровье, но даже жизнь покорителей космоса.

С Международной космической станцией дело обстоит проще. Во-первых, в значительной степени её защищает земная магнитосфера. Во-вторых, пусть и крайне разреженная атмосфера планеты, всё ещё присутствующая на высоте полёта МКС (примерно 400 км), тоже способствует защите. В-третьих, у космонавтов и астронавтов есть возможность на время вспышек укрываться в отсеке с более толстой изоляцией.

(И всё равно британцы предлагают пристыковать к МКС дополнительное убежище с ещё более мощными противорадиационными стенками.)

На Луну и дальше – на Марс – открывать новые земли. Космическая радиация ставит большой знак вопроса на этих честолюбивых планах (иллюстрация ESA).

Основная опасность солнечного ветра проистекает от высокоэнергетических (10-100 мегаэлектрон-вольт, а в отдельных случаях до 10¹⁰ эВ) частиц, 90% которых составляют протоны, ещё 9% — альфа-частицы, а остальное в основном электроны, хотя попадаются также самые разнообразные ядра тяжёлых элементов.

Поток этот крайне разрежен, но зато несётся со скоростью от 300 до (в отдельные моменты времени) 1200 км/с, что позволяет частицам легко проникать через стенки корабля, вонзаться в тела астронавтов, повреждая клетки и, что особенно опасно, ДНК.

И главное — это плазменное течение непостоянно, а сильно зависит от погоды на Солнце. Потому в длительных межпланетных полётах (добираться до Марса придётся порядка восемнадцати месяцев) попасть в удачное "окно", как в случае с "Аполлонами", — не получится. Наращивать слои биозащиты? Это очень заметно увеличит массу корабля, которую инженеры стараются снизить всеми возможными способами.

Даты полётов Apollo (голубые вертикальные линии с номерами экспедиций) и уровни потока протонов от Солнца (жёлтые вертикальные чёрточки). Нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах REM. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: светло-жёлтая – средняя годовая доза на уровне Земли, жёлтая – годовая доза работников АЭС и других производств, связанных с радиацией, оранжевая — лучевая болезнь, красная – смертельная доза (иллюстрация NASA).

А может, воспользоваться "патентом природы"? Коли земная магнитосфера так хорошо защищает нас от солнечных вспышек, можно ли воспроизвести её в маленьком масштабе на борту космического корабля?

Идее этой самой по себе — много лет. Но не всё с ней так просто. Ещё в 1960-х годах учёные посчитали, что только приличных размеров (более 100 километров в поперечнике) магнитный пузырь мог бы оказаться достаточно эффективным, чтобы уводить тяжёлые заряженные частицы в сторону от корабля.

Для создания такого поля на пилотируемый аппарат пришлось бы ставить столь крупные и тяжёлые катушки индуктивности и столь мощные источники электроэнергии (не вполне понятно — какие), что вся затея теряла смысл — проще было бы банально нарастить стенки.

Слева: простая стальная защита (или из иного плотного материала) недостаточна, даже при толщине в несколько сантиметров. Высокоэнергетические частицы солнечного ветра проникают сквозь неё либо производят вторичную радиацию. Справа: простое магнитное поле заставляет протоны и электроны закручиваться вокруг своих силовых линий. Это разнонаправленное вращение создаёт разделение зарядов, которое генерирует электрическое поле, в конечном итоге тормозящее ионы. Увы, для защиты корабля по такой схеме магнитное поле должно быть очень и очень сильным (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Поэтому от магнитной защиты отказались. Но не навсегда. Ныне с новыми знаниями и новыми техническими возможностями к ней вернулись вновь.

Международная группа учёных во главе с Рут Бамфорд (Ruth Bamford) из британской лаборатории Резерфорда и Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory — RAL) разработала проект "Мини-магнитосферы" (Mini Magnetosphere), которая могла бы закрыть корабль от космических лучей.

Исследователи посчитали, что чистый магнитный барьер действительно не справился бы с задачей (как и чистая электростатическая защита или "голый" плазменный барьер), но мини-магнитосфера, сходная с природной, — вполне сработала бы.

Это должно быть не просто магнитное поле, но сочетание поля с плазменным барьером, контролируемым этим самым полем. Такой барьер образуется из самих частиц солнечного ветра, набегающего на корабль, и этот же барьер взаимодействует с остальным потоком, а также с магнитным полем Солнца (очень слабым, но всё равно присутствующим даже на расстоянии, разделяющем Землю (или Марс) и наше дневное светило).

С учётом взаимодействия всех ингредиентов (потока высокоскоростной плазмы от Солнца, плазмы в барьере вокруг корабля, магнитного поля Солнца и поля корабля, а также токов, наводимых в плазме) магнитный щит может генерировать компактную диамагнитную полость вокруг космического аппарата, в которую солнечные космические лучи проникать практически не будут (иллюстрации Rutherford Appleton Laboratory).

Предыдущие исследования упускали из виду сложное взаимодействие сил в динамической квазинейтральной плазме, пронзаемой магнитным полем, — утверждают нынешние экспериментаторы. Везде, где есть плазма с различными по плотности и температуре областями, есть и собственные её локальные поля, поясняют учёные.

Прогресс в области токамаков — прообразов реакторов синтеза, где взаимодействию плазмы и поля уделяется огромное внимание, – позволил исследователям из Британии, Португалии и Швеции по-новому взглянуть на проблему магнитного щита для космических кораблей. Он фактически должен включать в себя все три активные защиты, рассмотренные ранее (плазменную, магнитное и электрическое поля), причём именно взаимодействие всех трёх приводит к желаемому результату.

В прошлом году участники проекта провели компьютерное моделирование, показавшее, что магнитный пузырь с поперечником порядка сотни метров (всего-то, сравните со 100 км в предыдущих работах) мог бы закрыть экипаж от действия солнечной радиации. Этот вывод был подтверждён в лаборатории, где команда Mini Magnetosphere построила миниатюрный прототип такой защиты.

Тут, кстати, надо сказать, что хотя и галактические космические лучи тоже способны нанести вред здоровью экипажа, главную угрозу путешественникам несут всё же солнечные космические лучи, интенсивность которых резко возрастает во время вспышек.

Один из участников эксперимента Джон Брэдфорд (John Bradford) из RAL наблюдает за опытной установкой, создающей "солнечный ветер в бутылке". Магнит внутри этой трубы воспроизводит в миниатюрном масштабе защитное поле нашей планеты (справа) (фото и иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Для опыта учёные воспользовались аппаратом LinX, ранее задействованным в экспериментах по изучению взаимодействия плазмы с рядом деталей токамаков. В основе установки — вакуумная труба диаметром 24 сантиметра и длиной 1,5 метра.

В ней имеется экспериментальная камера, в которую исследователи помещали постоянный или электрический магнит, имитирующий защиту корабля, а вдоль трубы специальный насос направлял сверхзвуковой (скорость больше 3 М) поток плазмы (H⁺, H₂⁺ и H₃⁺ в пропорции 90%, 5% и 5%).

Специальные катушки вокруг установки генерировали внутри поле (0,07 тесла), имитирующее межпланетное магнитное поле. Наконец, в роли генераторов поля корабля выступали по очереди постоянный цилиндрический магнит (на 0,2 тесла) и импульсный электромагнит (с напряжённостью поля на полюсах более 2 тесла).

Магниты крепились при помощи рычагов, позволявших сдвигать их относительно потока плазмы в разных направлениях.

Для снятия данных применялись различные датчики, фиксирующие распределение потока плазмы в пространстве, а также — высокоскоростная (50 тысяч кадров в секунду) видеокамера (работающая в видимом диапазоне волн), снимавшая происходящее через прозрачное окно.

Схема установки (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Изначально у исследователей не было уверенности — а будет ли это всё же работать. Слишком много предшественников убеждали всех: действовать щит против столь высокоэнергетических частиц может только в планетарном масштабе, или около того. Однако когда установку включили — она сразу заработала, как и было задумано.

Более того, крошечная искусственная магнитосфера показала способность к саморегуляции, подобной таковой у магнитосферы Земли. "Когда она получает сильный толчок от плазмы, пузырь становится меньше. Видео показывает, что по мере повышения давления "солнечного ветра" щит становится меньше, но при этом ярче", — рассказывает Рут Бамфорд.

Экспериментаторы тщательно снимали параметры миниатюрной магнитосферы внутри аппарата, в том числе изменение плотности ионов во всех плоскостях и направлениях.

Эти данные позволили сделать вывод, что в первом приближении сравнительно простой (но довольно сильный) магнит может прикрыть себя от ударов частиц солнечного ветра. Впрочем, тонкостей тут — хоть отбавляй. (Этому опыту, кстати, посвящена статья вышедшая на днях в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.)

Несколько кадров опыта. Вверху: поток плазмы идёт слева. В ходе тестов учёные плавно меняли как энергию плазменного луча, так и положение защитного поля "корабля". Граница крошечной искусственной магнитосферы исправно смещалась в соответствии с балансом сил. Ударный фронт в месте резкого торможения плазмы визуализировался благодаря световой эмиссии, происходящей главным образом от взаимодействия плазмы с нейтральным газом (на врезке поток идёт справа). Внизу: вид на защитный пузырь сверху с наложением цвета, показывающего плотность плазмы (фотографии и иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Бамфорд заявила: "Первые эксперименты показали, что таким способом можно было бы защитить астронавтов от смертоносной космической погоды".

Итак, небольшие искусственные дыры в солнечном ветре — это всё необходимое, чтобы люди могли безопасно путешествовать к нашим ближайшим соседям (на Луну и Марс). Но до появления полномасштабных магнитных щитов, пригодных для установки на корабли, по прогнозу Бамфорд, пройдёт ещё 10-15 лет.

За это время исследователям предстоит понять, как лучше использовать такую защиту. Ведь существует ещё много нерешённых вопросов: каков будет вес конечной установки, как будет осуществляться контроль за её работой, какова окажется её надёжность.

К тому же существует выбор между вариантом монтажа магнитоплазменной защиты на самом корабле или на целом созвездии миниатюрных станций сопровождения, раскрывающих "зонтик" над пилотируемым аппаратом, когда это необходимо (да и на самом планетолёте подобная защита может работать временно, включаясь при появлении угрозы, то есть после вспышек на Солнце).

"Я не думаю, что установка сократится вплоть до всего лишь "магнита для холодильника", закреплённого на внешней поверхности космического аппарата", — смеётся Рут. Но, с другой стороны, вспомним, что раньше учёные полагали, будто генератор магнитного щита для межпланетного корабля окажется по размеру и массе едва ли не больше самого защищаемого звездолёта.

Птицы

Горожане вынуждены укрываться в домах и даже телефонных будках. Тысячи чаек атакуют людей на открытых пространствах, заклёвывая их до смерти. Падающие с неба обезумевшие птицы врезаются в оконные стёкла, осколки которых ранят обитателей домов. Страх и паника царят в некогда тихом прибрежном поселении. Жителям не остаётся ничего другого, кроме как признать своё поражение и покинуть город.

Вы прочли краткое описание одного из самых известных триллеров — "Птицы" (The Birds), созданного знаменитым режиссёром Альфредом Хичкоком (Alfred Hitchcock) в 1963 году.

Фильм видели многие, но мало кто знает, что эту ленту Хичкок снимал, отталкиваясь, в том числе, и от реальных событий. Не менее загадочных и странных. Пугающих даже.

Их тайну удалось раскрыть только теперь.

Это нормальные птицы. Увы, время от времени они могут становиться ненормальными. И вина в том лежит на человеке (фото exfordy/flickr.com).

18 августа 1961 года городок Капитола (Capitola) в Калифорнии был разбужен ударами по крышам домов. С неба на город обрушивались сотни серых буревестников. Сотни их тел устилали мостовые. Казалось, мёртвые птицы — повсюду.

Это необъяснимое и жуткое происшествие отразилось в истории кинематографа. По данным местной газеты, Хичкок, проживавший неподалёку от Капитолы, проявил заинтересованность в необычном "кошмаре" и даже запросил копию выпуска новостей, чтобы потом использовать этот материал в качестве "научно-исследовательского подкрепления для своего нового триллера".

Это и были "Птицы", сюжет которых базировался вообще-то на одноимённом рассказе Дафны дю Морье (Daphne du Maurier) 1952 года.

Безумное поведение и массовая гибель морских птиц произвела сильное впечатление не только на голливудского режиссёра, но и на остальных людей. Однако должно было пройти почти полвека, чтобы появилось объяснение этому феномену.

MPTV.net).">

"Птиц" Хичкока многие поклонники творчества мастера называют одной из самых удачных работ (кадры Universal/The Kobal Collection, MPTV.net).

Если совсем кратко — виной всему домоевая кислота. Смертельный нейротоксин, отравление животных которым приводит как раз к неадекватному поведению (тяге к самоубийству, в частности) и затем, закономерно, к гибели. Таково предположение современных учёных.

Кислота эта прочно соединяется с рецепторами на поверхности возбуждённых нейронов, блокируя выключение последних. Головной мозг даёт сбой, а дальше — само животное довершает "чёрное дело", начатое химикатом.

Но откуда это соединение взялось в птицах? Тут целая цепь событий.

Автор нового исследования и сенсационной гипотезы происхождения знаменитых "Птиц" — Рафаэль Кудела (Raphael Kudela) из Калифорнийского университета в Санта-Круз (University of California, Santa Cruz). Он изучал морские водоросли Pseudo-nitzschia australis.

Обычно цветение водорослей не приводит к массовому отравлению птиц. Но поскольку микроорганизмы эти являются начальным звеном в пищевой цепи, любая проблема с Pseudo-nitzschia australis способна привести в конечном счёте и к гибели, или "сумасшествию" тех же чаек да буревестников.

Осталось только понять — откуда в водорослях нейротоксин и почему произошёл его всплеск.

Pseudo-nitzschia australis во всей красе. Существует даже заболевание "амнестическое отравление моллюсками", от которого могут пострадать люди, поевшие крабов, моллюсков или мидий, накопивших в своих тканях отраву, поставленную им водорослью (фото Brian Bill/NOAA).">

Pseudo-nitzschia australis во всей красе. Существует даже заболевание "амнестическое отравление моллюсками", от которого могут пострадать люди, поевшие крабов, моллюсков или мидий, накопивших в своих тканях отраву, поставленную им водорослью (фото Brian Bill/NOAA).

Оказывается, объясняет Кудела, Pseudo-nitzschia australis сами производят домоевую кислоту в большом количестве, но при условии, что океанские воды загрязнены химикатами, попавшими в прибрежные воды с берега. Очевидно, речь об отходах сельского хозяйства и промышленности. Но каких именно?

Чтобы выяснить это, Кудела и его коллеги вносили в воду различные вещества, встречающиеся в удобрениях (нитрат аммония, например), и смотрели, как реагируют водоросли. Оказалось, только одно соединение стимулирует синтез домоевой кислоты — это мочевина (карбамид).

	MPTV.net)."> Постер 1963 года (фото MPTV.net).

В чистой воде уровень производства нейротоксина водорослями был низок, но добавление совсем небольшого количества мочевины в воду поднимало губительную производительность планктона вдвое.

Что же случилось в 1961 году? Просто тогда, вероятно, произошёл всплеск таких выбросов, предполагает американский исследователь. В то время, говорит Рафаэль, существовало множество отстойников, зачастую протекающих, за которыми не было никакого контроля.

Интересно, что в последующие годы произошло несколько событий, которые учёный связывает с аналогичным процессом отравления живности (а также людей) "вредными" водорослями.

К примеру, в 1987 году загрязнённые моллюски отравили сотню человек на острове принца Эдуарда в Канаде, убив трёх из них и послужив причиной множественных случаев амнезии. А в 1998-м четыреста потерявших ориентацию морских львов погибли на побережье Калифорнии.

Эти млекопитающие отравились рыбой, которая в свою очередь получила губительный токсин (да-да, всё ту же домоевую кислоту, это было установлено токсикологами) от водорослей.

MPTV.net).">

Хичкок объясняет очередную сцену Роду Тейлору (Rod Taylor) и Сюзанн Плешетт (Suzanne Pleshette) (фото MPTV.net).

"Каждые несколько лет происходят вспышки, убивающие выдр, пеликанов и морских львов, — говорит Кудела. — Морские животные сами генерируют небольшие количества мочевины, но проблема загрязнения океана этим соединением — почти полностью вызвана человеческой деятельностью".

Исследователь взял пробы воды у берегов Калифорнии и установил, что в заливах Монтерей и Сан-Франциско концентрация карбамида достаточно велика, чтобы объяснить некоторые из последних случаев гибели морских обитателей от кислоты, накапливаемой в водорослях.

При этом учёный добавляет, что мочевина — лишь одно из условий, заставляющих Pseudo-nitzschia australis синтезировать нейротоксин. "Это определённо сочетание факторов, что делает трудным показ причинно-следственной связи", — поясняет Кудела.

Ныне он намерен вычислить другие вещества, влияющие на гибельное "решение" планктона начать вырабатывать домоевую кислоту. Исследователь полагает, что приступы безумств обитателей моря вызваны, по цепочке, именно деятельностью человека.

Так же как "нападение" на Капитолу 47 лет назад. В последнем случае, правда, доказать связь безумных птиц и кислоты на все 100% уже не удастся. Но это не исключает повторения событий, которые, пусть и в несколько преувеличенном виде, запечатлены в одном из самых известных фильмов ужасов.

Свет короче себя самого

До каких пор транзисторы будут ужиматься в размерах? Уже давно учёные задаются этим вопросом, подстёгиваемые постоянным ростом требований к производительности компьютеров. Трудолюбивые американцы китайского происхождения не погнались за квантовыми кубитами в небе, а использовали вполне земные технологии для достижения впечатляющей наноточности.

О новом перспективном способе производства интегральных микросхем сообщает группа разработчиков из Беркли (UC Berkeley). Отчёт об этой работе опубликован в журнале Nature Nanotechnology.

Технология представляет собой альтернативу традиционной оптической печати, ныне применяемой подавляющим большинством производителей микроэлектроники, и состоит в улучшении характеристик передачи света посредством его сжатия.

Упрощённая модель печати интегральной микросхемы. Кремниевую подложку покрывают резистивным материалом, чувствительным только к ультрафиолетовому излучению. Следующим слоем накладывают так называемую диффузионную маску. При облучении области под маской остаются "транзисторными", формируя необходимый рисунок. Потом всё это дело в несколько этапов обрабатывают специальными химикалиями – и микросхема готова (иллюстрация Nature).

Зачём вообще нужна эта передача света? Почему её необходимо улучшать?

Оптическая литография в целом похожа на обычное фотографирование: облучение светочувствительного материала формирует изображение, которое потом проявляется.

"Работает довольно неплохо, — поясняет один из авторов изобретения Лян Пань (Liang Pan). — Однако разрешение ограничено фундаментальными свойствами света: для минимизации размеров наносимых элементов необходимо сокращать длину волны".

И вот здесь как раз возникают сложности – в виде дифракционных эффектов. Дело в том, что при укорачивании электромагнитным излучением становится тяжелее управлять.

Зависит дифракция от соотношения между длиной волны и размером неоднородностей среды (либо неоднородностей структуры самого излучения). Другими словами, чем короче, тем выше риск непредвиденной трансформации – вразрез с генеральной линией партии.

	Дифракция может существенно изменить параметры волны (иллюстрация с сайта smeter.net).

На сегодняшний день минимальный размер традиционного фокусирования составляет 30-35 нанометров – причём достигнут он ценой невероятных усилий и гигантских затрат. Новая же методика, по уверениям учёных, способна не только непринуждённо взять текущий нанобарьер, но и значительно превзойти его. При умеренных расходах на производство.

Технология называется плазмонной литографией (plasmonic lithography): она предусматривает гравировку схемы с помощью специальной головки – плазмонной линзы, – через которую пропускается "традиционный" ультрафиолетовый свет. Кремниевая подложка при этом вращается, так что весь процесс напоминает проигрывание виниловой пластинки, где линза является "иглой".

Впрочем, аналоговые ассоциации на этом заканчиваются: плазмоника позволяет опуститься до миниатюрных масштабов – в масштабах промышленных. По крайней мере, так думают разработчики.

"Мы сможем уменьшить размер существующих процессоров в 10 раз, при выигрыше в мощности, — утверждает руководитель исследования Сян Чжан (Xiang Zhang). – Если же вдруг кто захочет себе харды с ультравысокой плотностью записи, от 10 до 100 раз превышающей текущие показатели, то и это нам будет по силам".

Металлическая "игла" фокусирует свет, используя возбуждённые электроны – плазмоны – на поверхности линзы (иллюстрация Liang Pan, Cheng Sun/UC Berkeley).

Инженеры из Беркли обошли дифракцию, используя проводящие свойства металлов, на поверхности которых всегда найдётся парочка свободных электронов, – они начинают колебаться при соударении с фотонами. Эти колебания известны как эванесцентные или исчезающие волны (evanescent waves), и они как бы сокращают свет до длины меньшей, чем она может быть у оптической волны.

Чтобы реализовать "исчезающие" эффекты на практике, потребовались серебряные плазмонные линзы, уложенные концентрическими слоями, – они способны фокусировать свет до точки диаметром 100 нанометров.

В итоге удалось нанести на подложку линейные паттерны шириной 80 нанометров при скорости сканирования 12 м/с. Казалось бы, не так круто, если учесть, что современные "традиционные" рекорды находятся в диапазоне 30-80 нанометров. Но тут стоит учесть, что это всего лишь пробный пуск. Американцы уверены – в будущем технология позволит поднять ставки до 5-10 нанометров.

В любом случае, превратив линзу в "иглу", учёные получили мощный инструмент, способный воспроизвести на вращающейся кремниевой подложке с фоторезистом самую изощрённую топографию интегральной схемы.

Матрица 4 х 4 из плазмонных линз под электронным микроскопом (иллюстрация Xiang Zhang Lab, UC Berkeley).

В головку "проигрывателя" теоретически можно упаковать до 100 тысяч линз, что позволит выполнять "гравировочные" работы любой сложности и на высокой скорости.

Пришлось преодолеть и кое-какие трудности. Поскольку поверхностные колебания затухают на расстоянии до 100 нанометров, резистивное покрытие должно быть расположено очень близко к линзе. Что не так просто устроить.

Ограничение удалось обойти с помощью опоры на воздушной подушке (air bearing) – это позволило поддерживать расстояние между двумя поверхностями около 20 нанометров.

"Это как если бы Boeing 747 должен был лететь на двухмиллиметровой высоте", — поясняет Сян Чжан. Отметим, что он очень ревниво относится к конкурирующим технологиям. По мнению профессора, они "напоминают улиток", а его разработка найдёт промышленное применение в течение трёх лет (максимум – пяти) и не ограничится плазмонными линзами.

Что ж, настрой у американца самый серьёзный: недавно мы уже писали о первом плаще-невидимке в области видимого спектра, разработанном в его лаборатории.