Джеймс трефил
| Вид материала | Закон |
- Джеймс А. Дискретная математика и комбинаторика [Текст] / Джеймс А. Андерсон, 42.79kb.
- Джеймс блиш города в полете 1-4 триумф времени вернись домой, землянин жизнь ради звезд, 10495.38kb.
- Джеймс Н. Фрей. Как написать гениальный роман, 2872.12kb.
- Мюриел Джеймс, Дороти Джонгвард, 4810.7kb.
- Кен Арнольд Джеймс Гослинг, 5058.04kb.
- Джеймс Джодж Бойл. Секты-убийцы (Главы из книги) Перевод с английского Н. Усовой, 844.92kb.
- Джеймс Хэрриот, 3697.74kb.
- В. К. Мершавки Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 1972.4kb.
- В. К. Мершавки Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 5237.48kb.
- Джеймс Боллард, 2244.23kb.
Время
Радиометрическое датирование
•
Возраст предмета можно определить, если он содержит продукты радиоактивного распада
1666
•
ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НАПЛАСТОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
кон. XVIII
ЦИКЛ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГОРНОЙ
1890, 1940-е
ПОРОДЫ
1900
РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАТИРОВАНИЕ
ок. 1930,
1980
РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
1960-е
МАССОВЫЕ ВЫМИРАНИЯ
ТЕКТОНИКА ПЛИТ
Ученым необходимо знать точный возраст объекта исследования. Археолога, например, интересует время изготовления найденного глиняного горшка, а палеонтолог хочет определить возраст какой-нибудь окаменелости. При стандартном методе определения возраста (этот процесс называется датированием) исследуют содержащиеся в объекте радиоактивные изотопы (см. радиоактивный распад). Этот метод применим к объектам, содержащим изотопы с известным периодом полураспада. В таком случае, определив, сколько этого изотопа присутствовало в предмете в момент его изготовления (или в организме в момент гибели), и сравнив это количество с количеством, не подвергшимся радиоактивному распаду, можно определить, сколько периодов полураспада изотопа прошло со времени изготовления предмета, и, следовательно, узнать возраст данного предмета. Например, если сейчас от исходного количества изотопов осталась лишь половина, значит, возраст предмета равен одному периоду полураспада.
трудность состоит в вычислении исходного количества изотопа (периоды полураспадов измерить несложно). Когда метод радиометрического датирования, разработанный в середине ХХ века в Чикагском университете, был впервые применен на практике, в качестве изотопа использовался углерод-14. На этом примере можно понять, как вообще устроено радиометрическое датирование. Углерод-14 — это изотоп углерода, в ядре которого находится 6 протонов и 8 нейтронов. Этот изотоп немного тяжелее нормального углерода (углерода-12, в ядре которого 6 нейтронов) и участвует в таких же химических реакциях, что и углерод-12. Углерод-14 образуется высоко в атмосфере при столкновении космических лучей с ядрами азота. Когда он достигает поверхности, его поглощают растения, а затем — животные, поедающие эти растения. таким образом углерод-14 попадает в ткани растений и животных. В живых организмах содержатся миллионы атомов углерода, и примерно каждый миллионный — это атом углерода-14.
Этот изотоп нестабилен, период его полураспада — 5700 лет. Пока организм жив, любой распавшийся атом углерода-14 замещается таким же атомом углерода-14 из окружающей среды. однако после смерти живого существа круговорот углерода завершается (см. круговорот углерода в природе) и начинается неотвратимый распад изотопа. Через 5700 лет в куске дерева останется только половина того количества углерода-14, какое было в дереве перед его гибелью. Если это дерево было спилено для изготовления мебели, измерение содержания углерода-14 позволит оценить возраст мебели. В большинстве случаев датирование органических материалов — папирусных свитков, частично сгоревшей древесины из древних кострищ, кожаных изделий — проводится таким методом.
Для углерода-14 исходное количество изотопа можно определить напрямую. Существуют виды деревьев, например, остистая сосна, чей возраст достигает нескольких тысяч лет. Сравнивая
образцы годичных колец у живых и погибших деревьев, ученые могут создать «летопись» колец, которая начинается около 10 тысяч лет назад (этот метод называется дендрохронологией). Подсчет колец позволяет точно определить, когда то или иное кольцо появилось на дереве. Измерив оставшийся в этом слое уровень углерода-14, мы можем понять, сколько углерода-14 было в окружающей среде, когда появилось это кольцо.
Датирование с помощью анализа углерода-14 (известное как радиоуглеродное датирование) широко используется для объектов, чей возраст не превышает нескольких десятков тысяч лет; сюда относится большинство археологических находок. Предел современных методов — около 50 тысяч лет. В более древних объектах, таких как горные породы и метеориты, остается слишком мало углерода-14. Для определения их возраста необходимо найти другие «часы».
И такие «часы» есть. Это прежде всего калий-аргоновый метод (или просто аргоновый метод) радиометрического датирования. Калий — широко распространенный элемент, который входит в состав многих минералов, а при распаде изотопа калия-40 с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет образуется аргон-40 (аргон— благородный газ, проявляющий крайне низкую химическую активность). (Аргон остается запертым в горной породе, как в ловушке, потому что его атомы слишком велики и не могут выскочить сквозь кристаллическую решетку минерала.) Содержание калия в минерале определяется структурой этого минерала, а доля калия-40 в каждом минерале — своя. При калий-аргоновом методе исследуемый образец измельчается и определяется содержание аргона-40. Каждое ядро аргона-40 образуется при распаде одного ядра калия-40, поэтому можно определить число распадов (и, следовательно, число периодов полураспада), прошедших со времени образования минерала. Помимо калий-аргонового, широко используются подобные методы, основанные на распаде ура-на-238 до свинца-206 (период полураспада урана-238 — 4,5 миллиарда лет) и рубидия-87 до стронция-87 (период полураспада рубидия-87 — 49 миллиардов лет). Именно благодаря использованию этих методов при датировании метеоритов и лунных пород ученым удалось оценить возраст Солнечной системы.
При определения возраста горных пород путем радиометрического датирования необходимо учитывать два фактора. Во-первых, если порода расплавляется, радиометрические часы сбрасываются на ноль — например, накопившийся аргон-40 исчезает из расплавленного минерала. А радиометрический анализ показывает время, прошедшее с момента последнего перехода горной породы из жидкого состояния в твердое. (одна и та же порода после первоначального образования может несколько раз расплавиться, а потом затвердеть.)
И во-вторых, радиометрический метод неприменим к осадочным породам, состоящим из частиц и кусочков различных
пород (см. цикл преобразования горной породы). Радиометрическое датирование позволит определить время кристаллизации каждой отдельной частицы, но не время их объединения в породу. Поскольку окаменелости встречаются только в осадочных породах, для определения их возраста требуется особая осторожность. обычно пласт осадочных пород неизвестного возраста, содержащий окаменелости, залегает между слоями лавы или вулканического пепла, возраст которых можно определить. Следовательно, возраст этих окаменелостей находится в интервале между возрастами выше- и нижележащих слоев (см. закон последовательности напластования горных пород).
Ранняя Вселенная
На самой ранней стадии эволюции Вселенной относительно долгие периоды расширения и охлаждения перемежались краткими периодами фундаментальной перестройки материи
1929 ЗАКОН ХАББЛА
1933 • ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ
1948 • БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ
1948 • ТЕОРИЯ
СТАЦИОНАРНОЙ
ВСЕЛЕННОЙ
1961 КВАРКИ
И ВОСЬМЕРИЧНЫЙ ПУТЬ
ИНФЛЯЦИОННАЯ
СТАДИЯ
РАСШИРЕНИЯ
ВСЕЛЕННОЙ
1980-е РАННЯЯ ВСЕЛЕННАЯ
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ
ТЕОРИИ
1981
XXI (?)
Со времени открытия закона хаббла в научной космологии возобладала точка зрения, согласно которой Вселенная возникла в виде горячего сгустка сверхплотной материи и с тех пор расширяется и остывает. Но лишь с начала 1980-х годов космологи по-настоящему задумались над тем, как именно развивались события на самой ранней стадии расширения Вселенной. Сегодня мы имеем уже достаточно полную хронологическую картину ранней истории Вселенной, начиная с невообразимо малых долей секунды после большого взрыва, объясняющую происхождение элементарных частиц и химических элементов. Давайте прокрутим события в обратной хронологии, начиная с 1 миллиарда лет после Большого взрыва (все сроки весьма условны) и вплоть до самого взрыва.
1 миллиард лет
Началось формирование галактик. Впервые в истории Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы наблюдаем сегодня. Уже следующее поколение сверхмощных телескопов позволит нам рассмотреть галактики, удаленные настолько, что они предстанут перед нами на стадии непосредственно после их рождения.
300 000 лет
Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно для того, чтобы электроны начали прочно удерживаться ядрами и появились стабильные атомы, не распадающиеся сразу же после соударения со следующим ядром. Постепенно формирование атомов из моря свободных ядер и электронов привело к образованию всего многообразия наблюдаемых нами сегодня во Вселенной химических элементов.
До образования первых атомов Вселенная состояла из непрозрачной и плотной ядерно-электронной плазмы. Любые сгустки такой плазмы, едва начав образовываться под воздействием сил гравитационного притяжения, тут же разрушались под воздействием энергии поглощаемого ими излучения. После формирования атомов пространство Вселенной стало прозрачным, а вещество — достаточно разреженным для образования устойчивых сгустков материи под воздействием сил гравитационного притяжения. Увы, уже слишком разреженным для начала формирования галактик, и этот парадокс, получивший название галактическая проблема, явился самым весомым аргументом против теории Большого взрыва. Проблема эта, однако же, устраняется, если ввести в сценарий формирования Вселенной темную материю. Тогда можно считать, что первичные ядра галактик образовались именно из этой невидимой темной материи (свойства которой принципиально отличаются от свойств обычной материи) еще до формиро-
вания атомов, а образовавшиеся позже атомы «прилепились» к уже готовым протогалактикам, состоящим из темного вещества.
3 минуты
В первые три минуты существования Вселенной, стоило двум элементарным частицам — протону и нейтрону, например, — образовать ядро, как оно тут же разбивалось при следующем столкновении. Начиная с четвертой минуты Вселенная остыла до такой степени, что энергий столкновения стало недостаточно для разрыва внутриядерных связей и стали образовываться стабильные ядра. Итак, в первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц, а по прошествии трех минут в нем стало появляться все больше островков-ядер.
В процессе соударений с новыми элементарными частицами ядра постепенно утяжелялись за счет прикрепления к ним каждый раз протона или нейтрона. однако на этой стадии сформировались ядра лишь самых легких химических элементов, поскольку вскоре Вселенная расширилась уже настолько, что столкновения стали огромной редкостью. То, что теория Большого взрыва верно предсказывает соотношение ядер этих легких элементов, сформировавшихся за время короткого «окна» первичного нуклеосинтеза, является надежным (и очень красивым) подтверждением правильности этой теории.
10-5 секунды
В этот момент — примерно через одну стотысячную долю секунды после запуска механизма рождения Вселенной — кварки слились в элементарные частицы (см. кварки и восьмеричный путь). До этого Вселенная представляла собой компактное море из кварков и лептонов; с этого момента она превратилась в остывающий океан элементарных частиц.
10-10 секунды
Эта отметка знаменует новую серию этапных превращений — началось великое объединение фундаментальных сил (см. универсальные теории). Именно в это мгновение произошло объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. До этого момента во Вселенной действовало три силы; теперь их стало четыре. Энергии, присутствующие во Вселенной в этот момент, соответствуют максимальным энергиям, которые могут быть развиты в современных земных ускорителях. Поэтому все, что было изложено мною выше, в принципе поддается экспериментальной проверке; все дальнейшее — чистые гипотезы.
10-35 секунды
При этих температурах объединились сильное и электрослабое взаимодействия. До этой доли мгновения во Вселенной действовало две силы, после него их стало три. В тот же миг началось скачкообразное расширение, которое называется инфляционным (см. инфляционная стадия расширения вселенной), продолжавшееся до отметки 10-32 секунды. Одновременно из Вселенной исчезли античастицы.
квантовая хромодинамика и стандартная модель
описывают поведение материи при невероятно высоких энергиях, существовавших во Вселенной через 10-35 секунды после ее зарождения. И эти теории проверены экспериментально, но при более низких энергиях. Все теории ранней Вселенной не идут дальше этого момента.
10-43 секунды
теоретики предполагают, что в этот миг произошло объединение гравитации с другими силами. До этого во Вселенной действовала единая и неделимая сила. Именно механизм перехода от одной к двум фундаментальным силам взаимодействия и пытаются описать универсальные теории. Что было до этого мгновения? Об этом мы можем только догадываться. Как и составителям средневековых географических карт, нам остается только написать: «Осторожно, там чудовища!»
Распределенное движение
1537
Движение физического тела в одном измерении не зависит от его движения в двух других измерениях
•
•
1604, 1609
РАСПРЕДЕЛЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ
уравнения
равноускоренного
1687
движения
1687
законы механики ньютона
закон всемирного
1905, 1916
тяготения ньютона
теория
относительности
Задумьгваясь, какое именно событие все-таки знаменовало зарождение современной науки, я нередко останавливаю свой выбор на одном малоизвестном событии, имевшем место в 1537 году. Миланский герцог тогда закупил новейшие пушки — последнее слово военной техники того времени — и озадачился рядом вопросов по поводу того, как лучше всего использовать эти новые игрушки. На помощь он, естественно, призвал своего придворного главного инженера — математика по имени Никколо Тарталья (№ссо16 Тапп'а ок. 1500-57) и задал ему простой, казалось бы, вопрос: под каким углом к горизонту стрелять, чтобы ядра улетали как можно дальше?
И тут произошло то, что знаменовало собой типичную победу охватывавшего Европу нового духа естествоиспытаний. Тарталья не отправился в библиотеку ознакомляться с советами античных философов и не стал запираться в своем кабинете с намерением тщательно обдумать поставленный вопрос. Вместо этого он выкатил пушку в чистое поле под Миланом и стал из нее стрелять под различными углами, пока не получил нужный результат: дальше всего ядра улетают при выстреле под углом в 45° к горизонту. При этом до открытия законов механики ньютона, из которых это можно вывести теоретически, оставалось полтора столетия, и Тарталья просто воспользовался методом проб и ошибок, золотым правилом эмпирической инженерии.
А ведь фактически проблема траектории полета пущенного снаряда веками интересовала мыслителей за многие столетия до Тар-тальи. Ее с древности принято было называть «задачей метательного снаряда», и формулировалась она следующим образом: как ведет себя тело, брошенное в воздух под углом к горизонту? Аристотель и другие древнегреческие философы учили, что движение бывает двух видов: «свободное», или «естественное» (то есть то движение, которое предмет совершает, если его предоставить самому себе) и «вынужденное», или «насильственное» (то есть движение в результате воздействия на тело извне). Размышляя относительно траектории полета копья (никак в этой области от военной тематики не уйти), Аристотель посчитал, что первую половину пути копье совершает вынужденное движение, поскольку его метнули. Затем, в верхней точке траектории запас силы броска иссякает, и вынужденное движение сменяется свободным. Поскольку, по Аристотелю, любое тело естественным образом стремится к центру Земли (а для него центр Земли был синонимом центра Вселенной), как только естественное движении возобладает над вынужденным, предмет незамедлительно начинает падать на Землю, причем отвесно.
По Аристотелю, следовательно, траектория полета брошенного под углом к горизонту предмета представляла собой прямоугольный треугольник: сначала тело по прямой набирает высоту на стадии принудительного движения, а затем отвесно падает на стадии естественного. (Не забывайте, как абсурдно это ни прозвучит сегодня, что выйти на улицу и просто понаблюдать за траекторией полета метательного снаряда абсолютно противоречило самому духу древнегреческой
натурфилософии.) Фактически основные споры во времена античности велись вокруг того, в какой именно момент принудительное движение сменяется естественным, могут ли эти два типа движения сочетаться и т. п. Такого рода умозрительный анализ способствовал, конечно, оттачиванию ментальных философских категорий, но с точки зрения практика, такого как Тарталья, был по большому счету бесполезен. Вот он и отправился в чистое поле под Миланом!
Как и по многим другим вопросам движения материальных тел, решением проблемы метательного снаряда мы обязаны Галилею.
Именно он открыл УРАВНЕНИЯ РАВНОУСКОРЕННОГО ДВИЖЕНИЯ
и, в частности, уравнение свободного падения. Его опыты показали, что за время ґ тело, отпущенное из состояния покоя, проходит по направлению к поверхности Земли расстояние й, равное:
й = V2gҐ2,
где g — ускорение свободного падения, равняющееся около 9,8 метра или 32 фута в секунду за секунду.
Таким образом, свободно падающее тело преодолеет около 4,9 м за первую секунду, 19,6 м за две секунды, 44,1 м за три секунды и т.д. Эта простая формула лежит в основе традиционного способа оценки высоты, например, обрыва: достаточно просто сбросить вниз камень, засечь его время в полете, а затем рассчитать высоту по указанной формуле. Еще на эту тему есть старый студенческий анекдот. Профессор попросил студентов измерить высоту физического факультета при помощи барометра. Все студенты (кроме одного), как и ожидал профессор, стали измерять атмосферное давление на крыше факультета и на уровне его фундамента, а последний студент просто сбросил барометр с крыши и засек время его падения. Дальше в анекдоте имеется несколько версий относительно того, какую оценку поставил профессор студенту за столь дорогостоящий (хотя и совершенно законный) подход к лабораторной работе.
Решив проблему свободного падения, Галилей перешел к решению следующего элемента головоломки, а именно к проблеме пущенного снаряда. Здесь у него и возникла идея распределенного движения. По сути, он осознал, что движение снаряда можно разделить на два независимых компонента. По вертикали снаряд летит сначала вверх, а затем вниз, как если бы его просто подбросили строго вверх. По горизонтали же снаряд просто движется с постоянной скоростью, которая ему была придана в начале траектории, поскольку в этом направлении никакие силы на него не воздействуют (за исключением силы сопротивления воздуха, конечно, которой на начальном этапе можно пренебречь). Проще говоря, движение свободно летящего тела по вертикали и по горизонтали никак не связаны одно с другим. Тем самым сложная задача расчета траектории полета снаряда сводится к двум простым (и не зависящим друг от друга) задачам, каждая из которых по отдельности легко решается.
Давайте возьмем в качестве иллюстрации простой пример. Для полной простоты представим, что ядро из пушки, стоящей над
Траектория полета ядра представляет собой совокупность двух независимых траекторий движения: равномерного движения по горизонтали со скоростью, приданной ядру пушкой, и равноускоренного движения по вертикали под воздействием земного притяжения
обрывом, вылетело строго горизонтально. Через секунду ядро будет ниже жерла пушки на 4,9 м, через две секунды — на 19,6 м и т.д. При этом, пока ядро не достигнет поверхности земли, по горизонтали оно будет двигаться с той же скоростью, с какой вылетело из ствола. Если, например, начальная скорость ядра по горизонтали равнялась 100 м/с, то через секунду ядро окажется на удалении 100 м от пушки по горизонтали и на 4,9 м ниже жерла ее ствола.
Немногим сложнее и техника расчета траектории полета снаряда, пущенного с горизонтальной поверхности под углом к горизонту. По вертикали ядро будет двигаться так, будто его подбросили строго вверх. Оно будет набирать высоту, но все медленнее из-за земного притяжения, пока не достигнет верхней точки траектории, где на какое-то мгновение его вертикальная скорость станет равной нулю. Затем снаряд устремится к земле в точности так же, как если бы его просто отпустили с достигнутой им максимальной высоты. И вот при помощи такого анализа Галилей пришел к выводу, что пущенное под углом к земле тело движется по кривой, которая называется парабола, — вот вам и Аристотель со своим треугольником!
Одно из следствий распределенного характера движения может показаться несколько парадоксальным и противоречащим нашим интуитивным представлениям, поэтому остановимся на нем особо. Если в нашем примере одновременно выстрелить из пушки над обрывом по горизонтали и бросить второе ядро из состояния покоя отвесно вниз, согласно принципу распределения движения оба ядра упадут на поверхность земли одновременно, поскольку характер их движения по вертикали не отличается, и это несмотря на то, что одно ядро пролетит за это время гораздо большее расстояние, чем другое. (Тут самое время вспомнить, что ядро, выпущенное из пушки по горизонтали, летит не только дальше, но и быстрее.)
Итак, задачу пущенного снаряда Галилей решил успешно, однако ведь он так и не дал ответа на вопрос античных времен относительно соотношения между «вынужденным» и «естественным» движением. Пусть мы теперь можем доподлинно описать траекторию полета снаряда, но мы так и не получили даже намека на ответ на вопрос, до каких пор он летит под внешним воздействием и с какого момента — «сам по себе». А все дело в том, что и вопроса такого не стоит, поскольку сами категории «естественно» и «принудительно» всего-навсего ложные понятия применительно к миру физики, поскольку апеллируют они к человеческому рассудку и не имеют никакого отношения к физической реальности. Что касается средневековых дискуссий на этот счет, то они всего лишь иллюстрируют, какие кульбиты мысли возможны, если изначально неправильно сформулировать задачу.
Распространение нервных импульсов
Нервные импульсы распространяются при перемещении ионов через мембрану нервной клетки и передаются из одной нервной клетки в другую с помощью нейромедиаторов
1729, СУТОЧНЫЕ РИТМЫ сер. XX
ХІХ-ХХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ
1937 • ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ
сер. • ИММУННАЯ СИСТЕМА
1960-х
В результате эволюции нервной системы человека и других животных возникли сложные информационные сети, процессы в которых основаны на химических реакциях. Важнейшим элементом нервной системы являются специализированные клетки нейроны. Нейроны состоят из компактного тела клетки, содержащего ядро и другие органеллы. От этого тела отходит несколько разветвленных отростков. Большинство таких отростков, называемых дендритами, служат точками контакта для приема сигналов от других нейронов. Один отросток, как правило самый длинный, называется аксоном и передает сигналы на другие нейроны. Конец аксона может многократно ветвиться, и каждая из этих более мелких ветвей способна соединиться со следующим нейроном. Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут поступать ионы — как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее значение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос).
Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). Из-за такого дисбаланса разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт (приблизительно 5% от напряжения обычной батарейки АА).
Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещения ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.
Потенциал действия распространяется довольно медленно — не более доли дюйма за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из миелина, препятствующей притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не
Тело клетки
Ядро
Соединения с другими нейронами
Структура нейрона. Нейроны — важнейшие элементы нервной системы. Эти удлиненные клетки передают нервные импульсы
непрерывна — через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.
Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нижележащему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки, называющиеся (пресинаптическими) пузырьками, в каждом из которых находятся особые соединения — нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается. Сейчас мы рассмотрим, возникает ли при таком нарушении равновесия новый потенциал действия (нейрофизиологи продолжают искать ответ на этот важный вопрос до сих пор).
После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто диффундировать, или подвергнуться химическому расщеплению, или вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс нескладно называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие — оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac®) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Складывается впечатление, что болезнь Паркинсона взаимосвязана с дефицитом нейромедиатора допамина в головном мозге. Исследователи, изучающие пограничные состояния в психиатрии, пытаются понять, как эти соединения влияют на человеческий рассудок.
По-прежнему нет ответа на фундаментальный вопрос о том, что же заставляет нейрон инициировать потенциал действия — выражаясь профессиональным языком нейрофизиологов, неясен механизм «запуска» нейрона. В этом отношении особенно интересны нейроны головного мозга, которые могут принимать нейромеди-аторы, посланные тысячей соседей. Об обработке и интеграции этих импульсов почти ничего не известно, хотя над этой проблемой работают многие исследовательские группы. Нам известно лишь, что в нейроне осуществляется процесс интеграции поступающих импульсов и выносится решение, следует или нет инициировать потенциал действия и передавать импульс дальше. Этот фундаментальный процесс управляет функционированием всего головного мозга. Неудивительно, что эта величайшая загадка природы остается, по крайней мере сегодня, загадкой и для науки!
Репродуктивные стратегии
Есть две
противоположные репродуктивные стратегии — иметь многочисленное потомство при минимуме заботы о нем или же иметь небольшое число потомков, но с последующими серьезными «инвестициями»
Всем организмам приходится расходовать энергию и ресурсы на размножение. Как утверждает теория эволюции, природа берет на вооружение те репродуктивные стратегии, которые позволяют произвести наиболее преуспевающее (приспособленное) потомство — остающееся в живых до тех пор, пока оно само не оставит потомков. В действительности в природе существуют две противоположные стратегии — стратегия г и стратегия К, и выбор в пользу одной из них зависит от условий окружающей среды.
В среде обитания с постоянными условиями (или по крайней мере предсказуемыми для каждого времени года), для которой характерны лишь незначительные колебания биологической среды, размер популяций, как правило, более или менее постоянный. В такой среде успех размножения определяется, главным образом, конкуренцией между взрослыми особями, поэтому наиболее перспективной оказывается стратегия сосредоточения ресурсов в нескольких потомках и сохранения их до того момента, когда они смогут вступить в игру. Такая стратегия, наиболее полно представленная у приматов, затрачивающих немало времени и усилий на воспитание детенышей, называется стратегией К. (Название связано с тем, что, как было сказано выше, в этом случае размер популяции близок к потенциальной емкости экосистемы, обозначаемой символом К.)
Диаметрально противоположная стратегия реализуется в среде с непредсказуемыми условиями, или среде, в которой время от времени происходят неблагоприятные события, например крупные шторма или наводнения. В такой среде периодически наблюдается массовое вымирание с последующим быстрым ростом численности популяции, в отсутствие конкуренции. В периоды роста численности популяции между собой конкурируют в основном молодые организмы, поэтому наилучшей оказывается стратегия многочисленного потомства, готового занять освободившуюся нишу. Такая стратегия оправдывает себя даже во время периодических стихийных бедствий, поскольку летальный исход обычно связан не с конкурентными преимуществами, а с более или менее случайными событиями. Таким образом, забота о потомстве не дает никакого преимущества, поскольку выживание детенышей в реальности не зависит от вложенных в воспитание родительских усилий. В соответствии с этой так называемой г-страте-гией организмы производят крайне многочисленное потомство. И хотя лишь очень немногие представители этого потомства смогут выжить в нормальных обстоятельствах, оно быстро возьмет верх в условиях массового вымирания в других популяциях после природных катаклизмов. Примером видов, реализующих г-стратегию (г — символ, обозначающий скорость размножения), могут служить одуванчики, которые запросто «бросают на ветер» сотни семян и быстро захватывают территории с нарушенным грунтом. В неустойчивой окружающей среде популяция начинается с низкого уровня с последующим экспоненциальным ростом численности. Для вида, реализующего г-стратегию, гораздо важнее скорость размножения, нежели потенциальная емкость экосистемы.
Родственный отбор
Живые организмы могут действовать на благо родственным особям, поскольку такие действия способствуют передаче общих генов следующему поколению
•
1865
1908
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ ЗАКОН
1920-е
1953
ХАРДИ—ВАЙНБЕРГА ДРЕЙФ ГЕНОВ
нач. 1960-х
ДНК
1961