Страница:
Э.Б. Они экстремально тяжёлые.
И.В. Да, это 10^-5 грамма, то есть это уже частица, которая каким-то образом проявлялась бы макроскопически. Так вот, проблема была такая: либо рассматривать только сектор так называемых безмассовых полей, либо нужно было отбрасывать массивные поля. И вот оказалось, что на этом пути тоже не удаётся построить хорошую теорию, которая воспроизводила бы Cтандартную Модель, но каким-то образом выходила за её рамки.
Новый шаг был сделан в 1983-м году. В 1983-м году Рубаков и Шапошников написали работу, в которой они показали, что дополнительные измерения могут быть ненаблюдаемыми не только в том случае, когда они очень малые, а и в том случае, когда существует какой-то механизм удержания полей Стандартной Модели (то есть тех частиц, из которых состоим мы, из которых состоит обычное вещество) на некотором 4-х-мерном подмногообразии – такие подмногообразия получили название мембран. И в этом случае дополнительные измерения могут иметь любые размеры, могут быть даже бесконечными. Но эта замечательная гипотеза тоже в течение длительного времени оставалась как-то невостребованной.
И вот буквально в последние годы 20-го века и тысячелетия вдруг появилась работа трех авторов, Аркани Хамед, Димопулус и Двали, которые обратили внимание на то, что если поля Стандартной Модели локализованы на мембране, а дополнительные измерения компактны и имеют достаточно большой размер (они писали даже о субмиллиметровых дополнительных измерениях), то в этом случае гравитационное взаимодействие во всём многомерном пространстве может стать сравнимым по силе с остальными взаимодействиями. И слабость этого взаимодействия в нашем мире объясняется только тем, что мы живём на этой мембране, и никак не можем с неё выйти в дополнительные измерения. В нашем измерении гравитация слабая, а в дополнительных измерениях эта гравитация сильная. И оказалось, что хотя мы непосредственно не можем почувствовать эту сильную гравитацию в макроскопических опытах, но при высоких энергиях эта сильная гравитация может проявляться в процессах столкновения элементарных частиц на коллайдерах. Могут быть различные процессы…
Э.Б. Дело в том, что если только гравитационные взаимодействия могут распространяться вне мембраны, то тогда эти дополнительные измерения, хотя они и компактные, могут быть достаточно большими, и тогда обратный радиус будет очень маленьким. И поэтому на нашей мембране появляется вот это возбуждение, башня, о которой я говорил, с очень маленьким расстоянием между уровнями. И в этом случае, если у нас есть коллайдер ТэВных энергий, то может рождаться большое количество таких состояний. И это когерентное усиление могло бы приводить к видимым эффектам.
Это выглядело бы как процессы с нарушением энергии, например, когда испускается в каком-то процессе такая башня гравитационных взаимодействий в одну сторону, а в другую сторону скажем, струя, о которой я говорил, или лептон, а на эксперименте это выглядело бы как лептон в одну сторону, и ничего другого. И целый ряд других предсказаний. Но, к сожалению, у этого так называемого АДД-сценария есть целый ряд своих собственных недостатков. Может быть, у нас сейчас уже очень немного времени, чтобы…
И.В. Тем не менее, я думаю, можно сказать, что основная проблема в том, что в этом сценарии мембрана предполагалась безмассовой, у неё нет плотности энергии, это безмассовый объект, поэтому в соответствии с законами специальной теории относительности он должен двигаться со скоростью света. И тогда это плохая система отсчёта, потому что мембрана не имеет системы покоя. Таким образом, этот объект должен быть массивным, чтобы иметь систему покоя, но в таком случае он должен иметь собственное гравитационное поле, а в этой модели гравитационным полем пренебрегалось – вот такое противоречие возникало. И это противоречие замечательно было разрешено в новой модели, которая появилась годом позже, в 1999 году, это так называемая модель Рэндалл-Сундрума. В этой модели также предполагается, что поля Стандартной Модели локализованы на мембранах…
Э.Б. Но таких мембран не одна, а две.
И.В. Две мембраны, и было найдено точное решение для двух мембран, взаимодействующих с гравитационным полем в пятимерном пространстве-времени.
Э.Б. Точное решение уравнения Эйнштейна. Это совершенно замечательный факт.
И.В. Замечательное решение. Причём, оказалось, что решение очень интересное. Метрика этого решения экспоненциально быстро меняется в направлении дополнительного измерения, и постоянно на мембранах. То есть на каждой мембране реализуется обычное плоское пространство-время Минковского. А вот переход с одной мембраны на другую сопровождается сильным, очень сильным, экспоненциально сильным изменением метрики. И такая структура фоновой метрики (вакуума) модели Рэндалл-Сундрума действительно приводит к замечательным предсказаниям.
Во-первых, оказывается, что пятимерная гравитация в пространстве между мембранами тоже приводит к существованию массивных гравитонов. Помимо безмассовых гравитонов, которые воспроизводят нам 4-х мерную гравитацию, есть также массивные гравитоны, которые могут приводить к новым эффектам…
Э.Б. Только теперь эти гравитоны, в отличие от АДД-сценария, исключительно массивны, они имеют примерно обратный радиус как свою массу – это величина порядка ТэВ или 10 ТэВ.
И.В. И кроме того, они обладают сильной связью с материей. То есть в АДД-сценарии взаимодействие с материей было такое же слабое, как у безмассовых гравитонов…
Э.Б. …у каждой индивидуальной моды. Эффект получался за счёт того, что складывалось много мод, а здесь одна массивная мода, но сильное взаимодействие.
И.В. Фактически может взаимодействовать так же, как слабое взаимодействие. Вот такой замечательный сценарий, который тоже можно попытаться проверять.
Э.Б. Эти гравитационные резонансы можно пытаться найти в прямых столкновениях – как новые частицы. В этом сценарии появилось ещё одно замечательное предсказание. Возникает дополнительное скалярное поле – так называемый радион, от слова радиус, – и отвечает он за возможность колебания одной мембраны относительно другой в этом дополнительном измерении.
И.В. Когда есть две мембраны, то уже есть возможность мембранам относительно чего колебаться. Когда есть одна мембрана, то непонятно, относительно чего она колеблется, а вот когда есть две, то возникает новая степень свободы, и она называется радионом.
И оказывается, что в первоначальном варианте модели Рэндалл-Сундрума это просто скалярное безмассовое поле. Но безмассовым оно оставаться не может – это противоречит наблюдаемым вещам, поэтому оно должно каким-то образом приобретать массу. Но эта масса может быть порядка, например, 100 ГэВ, то есть где-то близко к массе Хиггса. И появились даже работы, которые говорят о том, что может происходить какое-то смешивание поля Хиггса и поля радиона.
Э.Б. В общем, очень интересная ситуация с точки зрения эксперимента и наблюдаемости.
А.Г. Тот новый каллайдер, который сейчас строится, он позволяет ответить на некоторые из этих вопросов экспериментально?
Э.Б. В это все верят и на это надеются. Точнее можно сказать так – если массы этих гравитонов и радиона будут лежать в области нескольких ТэВ, то они могут быть обнаружены, и тогда это будет очень красивое, совершенно фундаментальное открытие.
И.В. Невероятное, я бы сказал, открытие. Я бы даже добавил ещё, что сейчас фактически стало уже стандартом, что результаты всех экспериментов, в частности, на Тэватроне, представляются с оценками на размер дополнительных измерений. То есть при обработке результатов экспериментов обязательно учитывается эта модель – либо АДД-сценарий, либо модель Рэндалл-Сундрума, – и даётся оценка размеров дополнительных измерений с точки зрения этого сценария. По-моему, там есть ещё одна картинка, которую, наверное, стоит показать в конце.
Э.Б. Это просто как пример того, что можно ожидать на каллайдере LHC в ЦЕРНе в сценарии АДД. Это когда наблюдается в конечном состоянии струя и гравитон, причём гравитона не видно. Такое же конечное состояние в процессе может быть в Стандартной Модели, когда рождается струя и Z-бозон и Z распадается в пару невидимых нейтрино и антинейтрино, тогда это выглядит также.
Но поведение, как функция энергии этого джета в поперечном направлении, энергии в поперечном направлении к оси столкновения, это поведение разное. И вот видите, вот эта чёрная линия, это как выглядел бы (и как он будет выглядеть) график, если есть только Стандартная Модель. А дальше – кривые как бы это выглядело, если есть разное количество дополнительных измерений, вот там два, три, четыре и разный характерный масштаб, новый фундаментальный масштаб. Таким образом, это говорит о том, до каких масштабов может быть эта теория проверена. Либо эффект будет обнаружен, либо будут поставлены новые ограничения. Это как маленькая иллюстрация того, что ожидается в АДД-сценарии. Такие же картинки есть для сценария Рэндалл-Сундрума.
А.Г. У меня последний вопрос. Что мешает в этой теории увеличить количество мембран до бесконечности?
И.В. Ну, можно конечно, увеличивать, и есть такие модели, кстати. Но, наверное…
Э.Б. Эти работы породили огромное количество и теоретических, и феноменологических, и теперь уже псевдоэкспериментальных работ…
А.Г. Предэкспериментальных.
Э.Б. Предэкспериментальных, да. С самыми разными вариантами, тут столько фантазии, что даже трудно сейчас… Но есть варианты, когда есть много мембран…
И.В. Я бы сказал так, что теряются красота и простота. Дирак когда-то сказал, что физический закон должен быть математически прекрасен. Вот в модели Рэндалл-Сундрума это есть. Если вы увеличите число мембран, то не будет точного решения, и такая красота и простота пропадёт.
И вот ещё одна загадка этой модели – пока существует такая модель только с одним дополнительным измерением. Попытки получить такие же красивые, точные решения с большим числом дополнительных измерений пока не приводят к успеху. Либо это действительно уникально, либо это просто пока ещё не удаётся. По крайней мере, до сих пор существует такая модель только с одним дополнительным измерением.
Э.Б. Ещё очень интересная вещь, что вторая мембрана даёт, собственно говоря, некий прообраз того, что называется скрытым миром.
И.В. Зеркальным миром.
Э.Б. В научно-фантастической литературе уже давным-давно это понятие эксплуатировалось, а здесь возникло теперь уже на научной основе.
А.Г. Это тоже 4-х-мерное пространство?
И.В. 4-х-мерное, но совершенно с другими свойствами.
Э.Б. Которое по дополнительному измерению отстоит от нашего на величину обратного ТэВ.
И.В. Предполагается, может быть.
Э.Б. Может быть, да. 10^-19, 10^-20 сантиметра.
И.В. Но в модели предполагается, что мы можем взаимодействовать с этим миром только гравитационно. В частности, если в нашем мире гравитация такая, какая она есть, то в зеркальном мире гравитация должна быть очень сильная. И, скажем, если там есть какие-то объекты с большой массой, то мы можем наблюдать, например, отклонения света в нашем мире в пустом пространстве. То есть, ничего нет, даже нет чёрной дыры, но всё равно происходит отклонение света. То есть это может быть влиянием масс в зеркальном мире.
А.Г. Вы хотите сказать, что в ближайшее время, если эта теория подтвердится, мы будем иметь и абсолютно новую космологическую теорию, поскольку…
И.В. Космологию, конечно, будут пересматривать. Кстати, уже есть такие работы.
Э.Б. Конечно, в модели Рэндалл-Сундрума есть и целый набор своих собственных проблем, и над их разрешением сейчас многие люди бьются, не вполне понятно, как они будут преодолены…
Формы жизни бактерий
Участники:
Саббит Салахутдинович Абызов – доктор биологических наук
Михаил Владимирович Иванов – академик РАН
Михаил Иванов: И первые организмы, скорее всего, всё-таки поступили живьём на Землю.
Александр Гордон: В собранном виде. Вы придерживаетесь этой же точки зрения?
Саббит Абызов: Да. Я думаю, что если жизнь привнесена из космического пространства на Землю, то она привнесена, очевидно, в ледниковых образованиях, которых очень много встречается в космическом пространстве. И внутри, скажем просто, куска льда – идеальные условия для сохранения жизнеспособности микроорганизмов.
А.Г. То есть, любая комета, состоящая из…
С.А. Есть такая точка зрения, что в ядрах комет возможны какие-то формы жизни. Это современная гипотеза, конечно. И это может быть одним из источников появления жизни на Земле. Когда-то в очень отдалённые времена, миллиарды лет тому назад.
А.Г. Но это всё равно парадоксальным образом не отвечает нам на вопрос – где и когда и, главное, каким образом зародилась жизнь. Она просит относить ответ на этот вопрос туда, за пределы места и времени, в котором мы живём.
М.И. Совершенно верно. Но развивать эту гипотезу надо. Одно время ведь от неё полностью пытались отказаться. Почему пытались отказаться? Потому что в метеоритах, которые исследовались на Земле, сначала обнаруживали жизнеспособные клетки микроорганизмов, но потом, когда методы исследований жизнеспособных клеток в метеоритах были улучшены, оказалось, что всё это загрязнение метеоритов земной микрофлорой.
Это очень интересно, Саббит Салахутдинович как раз был одним из тех исследователей, который ещё задолго до антарктических исследований провёл очень тщательное исследование большого числа метеоритов, поступивших на Землю. И показал, что в них жизнеспособных организмов нет. И это в какой-то степени лило воду на гипотезу о происхождении жизни на Земле, отвергая возможность переноса живых клеток.
А в последнее время появились новые данные, которые показывают, что не жизнеспособные, а отмершие клетки микроорганизмов, фассилизированные клетки микроорганизмов в космических телах распространены очень широко. И вот тут некоторые снимки будут эту точку зрения иллюстрировать.
Живых микроорганизмов пока в метеоритах не найдено, но эти работы продолжаются, и вы правы, что вне Земли отнесён этот первый этап, но, я ещё раз повторяю, что по данным биохимиков и молекулярных биологов три миллиарда – слишком короткое время, чтобы от неживой материи перейти к высокоорганизованной живой материи, к тем организмам, которые сейчас населяют Землю. А если хотя бы первичные формы жизни, прежде всего, бактериальные или бактереоподобные организмы, на Землю попали, то уже какой-то этап, очень важный и очень длительный этап структурированной жизни в виде этих клеток, уже пройден где-то вне Земли, и тогда вроде трех миллиардов лет хватает на эволюцию до нас с вами.
А.Г. Но для того, чтобы бактерии или другие простейшие могли пережить такое космическое путешествие (и мы могли искать не только их следы, но жизнеспособные организмы в метеоритах и других образованиях), нужно было сделать то открытие, которое вы сделали – для того, чтобы доказать, что это возможно. Жизнеспособность микроорганизмов после сверхдлительного анабиоза. Вы можете рассказать, как это было сделано?
С.А. Вообще, спор о длительности анабиоза микроорганизмов продолжался многие десятки лет. И не было ни одного экспериментального доказательства существования такого сверхдлительного анабиоза микроорганизмов. Были находки в древнейших отложениях, в кладках египетских пирамид, в вечной мерзлоте, но каждый раз эти находки отвергались, как загрязнение окружающей микрофлорой…
М.И. Современной микрофлорой.
С.А. Современной микрофлорой, потому что мы находимся в окружении микроорганизмов. И нужно было разработать такую методику проверки этой гипотезы, чтобы полностью исключить сомнения в том, что найденные в данном объекте микроорганизмы находятся действительно внутри этого объекта.
М.И. Мало было разработать методику, надо было найти естественную экосистему найденной клетки, возраст которой составлял бы, как минимум, сотни тысяч лет. Такой экосистемой и явились антарктические ледники.
С.А. Да, такой экосистемой как раз и явились антарктические льды, почему мы и обратили внимание на, как общепринято говорить, вечные ледники Антарктиды. Было известно давно, что биологические объекты внутри ледниковых образований прекрасно сохраняются очень длительные сроки. И можно было предположить, что если микроорганизмы попадают в этот объект, то, по-видимому, при отрицательных температурах они также могут очень длительное время сохраниться. Поэтому нужно было разработать такую методику, чтобы действительно показать, что микроорганизмы присущи этому объекту.
По счастливому стечению обстоятельств в конце 60-х – начале 70-х годов в Центральной Антарктиде были начаты очень интересные и обстоятельные работы по глубокому бурению антарктического ледника, который в районе станции «Восток» достигает 3 тысяч 750 метров, по данным гляциологов.
М.И. И возраст нижних горизонтов где-то больше 400 тысяч лет, насколько я помню.
С.А. У ледникового ложа он по некоторым данным оценивается в 500 тысяч лет. А новейшие данные научных сотрудников института Арктики и Антарктики даже говорят о миллионе лет.
А.Г. По крайней мере, возраст того озера, которое находится под этой станцией, люди, которые занимались бурением и были у нас здесь, в этой студии, оценивают в миллион лет.
С.А. Да. И речь идёт о тех слоях, которые находятся непосредственно над этим знаменитым озером Восток. Но, как известно, эти буровые работы сейчас приостановлены. Я об этом не буду рассказывать, потому что предыдущие наши коллеги уже рассказывали об этом.
А.Г. И о причинах тоже.
С.А. Да, это очень интересная часть работы.
Но что касается наших исследований, первые пробы мы взяли в конце 74-го года – в начале 75-го года. И уже первые наши результаты были положительные. Очень мало мы обнаружили микроорганизмов, но всё-таки они там были. У нас возникли сомнения. Может быть, это загрязнение, несмотря на то, что мы всё тщательно продумывали? Здесь я не буду рассказывать подробно эту методику.
М.И. Это специальный, конечно, вопрос.
А.Г. всё-таки расскажите в двух словах о методике, чтобы мы представляли себе, о чём идёт речь.
С.А. Методика заключается вот в чём. Бурение проводил институт, который тогда назывался Ленинградский горный институт. Там очень хорошие специалисты-буровики, хорошая школа. И сотрудники института Арктики и Антарктики проводили эти работы, работы велись под их руководством.
Из скважины извлекается ледяной керн, это такой цилиндр. Затем из этого керна нужно было отобрать пробу. Пробу надо было отобрать таким образом, чтобы микроорганизмы, случайно попавшие на поверхность этого керна, не попали бы в наши пробы. И для этой цели была разработана специальная технология отбора пробы из центральной части этого керна.
Для этой цели мы прибегли к такому методу. Откалывали торец керна таким образом, чтобы не происходило никакого прикосновения к центральной части керна. Поэтому мы придумали такое кольцевое скалывающее устройство. При незначительном сжатии этого кольцевого устройства торец керна откалывался, и получалась девственно чистая поверхность. Мы эту поверхность опускали на ледотаялку с воронкообразной поверхностью.
А.Г. Которая была стерильной, разумеется.
С.А. Да, стерильной, и затем через специальную приёмную трубку проба попадала в стерильную колбу с перетянутым горлышком, в которой уже находилась питательная среда.
М.И. То есть, из центральной части керна получалась талая вода, которая не соприкасалась ни с краями керна, ни с чем. Только с этой стерильной поверхностью. И эта талая вода и служила уже для изучения количества микроорганизмов, ледового их состава и так далее.
С.А. Горлышко колбы мы немедленно запаивали, не разъединяя. Таким образом, получалась такая огромная ампула, так что мы были абсолютно уверены, что ничего в эту колбу, кроме как из центральной части керна, не попало. Вот, в общем, очень коротко, в чём суть этой методики.
М.И. Надо сказать, что лёд в этом отношении идеальный объект, потому что он монолитный. Если в этом керне есть трещины или какие-то изъяны, этот кусок просто бракуется. А если это монолитный столбик льда, то этот столбик как раз и используется для исследований.
А.Г. Это гарантия того, что в него не попали посторонние…
М.И. Вы ж понимаете, много ведь изучалось микрофлоры буровых кернов, скважин, которые бурятся в различных горных породах. Но практически во всех этих горных породах есть поры, есть трещины, есть возможность загрязнения керна при бурении. Лёд в этом отношении практически идеален.
А.Г. И что вам удалось обнаружить при первой же пробе?
С.А. Уже при первой экспедиции мы пробурили 105 метров, обнаружили различные формы микроорганизмов – бактерии, грибы, дрожжи, актиномицеты.
А.Г. Которые находились в состоянии анабиоза?
С.А. Да. И после рассева в строго стерильных условиях из этой колбы мы получали незначительное количество представителей названных групп.
М.И. То есть культуры этих групп.
А.Г. Они начинала делиться, то есть они были жизнеспособны?
С.А. И вот на первой схеме у нас показано распределение различных групп микроорганизмов в толще ледника. Здесь очень интересная получается картина. Неспорообразующие микроорганизмы преобладают в верхних горизонтах ледника. А по мере углубления в ледник увеличивается относительное количество спорообразующих бактерий по отношению к неспорообразующим. И в то же время общая картина идёт к тому, что количество обнаруживаемых этим методом микроорганизмов постепенно падает. И уже на глубине, я уже не буду подробно рассказывать, примерно две с половиной тысячи метров уже процент колб, давших рост микроорганизмов, составляет только около трех процентов.
А.Г. А какой вывод вы делаете: что количество микроорганизмов вообще уменьшается или уменьшается количество жизнеспособных?
С.А. Количество жизнеспособных микроорганизмов уменьшается. Я назвал бы эту часть нашей работы первым этапом исследователей.
А.Г. То есть вы нашли предел анабиоза?
М.И. Нет, до предела не дошли…
С.А. Так была экспериментально проверена возможность длительного анабиоза микроорганизмов, исчисляемого десятками и сотнями тысяч лет.
М.И. Самые нижние образцы какой возраст имеют?
С.А. Самые нижние образцы имеют возраст 400 тысяч лет – по нашим данным. Но уже после наших работ (это уже общеизвестные работы) другие исследователи из Московского университета и из Пущино, которые проводили активные работы с вечной мерзлотой, нашли в слоях вечной мерзлоты образцы, которые имеют возраст пять миллионов лет, семь миллионов лет. Им уже теперь стало легче, потому что действительно экспериментально было показано существование сверхдлительного анабиоза. Теперь уже с этим никто не спорит.
А.Г. И на этих горизонтах в семь миллионов лет они находят жизнеспособные организмы, да?
С.А. Да, да.
М.И. Причём, интересно, что в работах с вечномёрзлыми грунтами, с вечномёрзлыми породами находят даже большее количество жизнеспособных клеток. Потому что в антарктический ледник микрофлора попадает через атмосферу вместе с пылевыми частицами, Саббит Салахутдинович нам об этом ещё два слова скажет.
С.А. Да, обязательно скажу.
М.И. Поэтому в леднике их относительно небольшое количество. Понимаете, ледник не является сферой активной жизни микроорганизмов. А вот мёрзлые породы и мёрзлые почвы до того, как они стали мёрзлыми, они являлись активной системой.
А.Г. Органикой.
М.И. Да. Поэтому там исходное количество микроорганизмов было на порядки больше, чем исходное количество тех микроорганизмов, которые поступили с пылью в Антарктиду. И, естественно, при том же проценте там гораздо большее количество микроорганизмов обнаруживается в этих мёрзлых породах, чем во льдах, и гораздо больше разнообразие микроорганизмов. Но, так сказать, система остаётся прежней. Вот уже образцы мерзлоты с пятимиллионным возрастом содержат жизнеспособную микрофлору в достаточно большом разнообразии и в большом количестве.
С.А. Возвращаясь к нашим исследованиям, на этой схеме очень хорошо представлена эта картина. Нам интересно посмотреть вот что: ну, хорошо, микроорганизмы на наших питательных средах не растут. Это не значит, что их там нет. Во-первых, мы можем не угадать, какая требуется среда для тех микроорганизмов, которые мы можем обнаружить.
А.Г. А вы какие среды использовали?
С.А. У нас среда была очень простая. Это был картофельный отвар, обогащённый дрожжевым автолизатом. Оказалось, что, в общем-то, очень широкий круг микроорганизмов растёт на этой среде.
Теперь о следующем, втором этапе наших исследований – когда мы изучали пробы на мембранных фильтрах. При подсчёте под микроскопом там мы обнаруживали очень большое количество микроорганизмов – в сравнении, конечно, с тем, что мы обнаружили первым нашим методом, методом высева. Здесь уже мы обнаруживали порядка ста, тысячи клеток в одном миллилитре.
И.В. Да, это 10^-5 грамма, то есть это уже частица, которая каким-то образом проявлялась бы макроскопически. Так вот, проблема была такая: либо рассматривать только сектор так называемых безмассовых полей, либо нужно было отбрасывать массивные поля. И вот оказалось, что на этом пути тоже не удаётся построить хорошую теорию, которая воспроизводила бы Cтандартную Модель, но каким-то образом выходила за её рамки.
Новый шаг был сделан в 1983-м году. В 1983-м году Рубаков и Шапошников написали работу, в которой они показали, что дополнительные измерения могут быть ненаблюдаемыми не только в том случае, когда они очень малые, а и в том случае, когда существует какой-то механизм удержания полей Стандартной Модели (то есть тех частиц, из которых состоим мы, из которых состоит обычное вещество) на некотором 4-х-мерном подмногообразии – такие подмногообразия получили название мембран. И в этом случае дополнительные измерения могут иметь любые размеры, могут быть даже бесконечными. Но эта замечательная гипотеза тоже в течение длительного времени оставалась как-то невостребованной.
И вот буквально в последние годы 20-го века и тысячелетия вдруг появилась работа трех авторов, Аркани Хамед, Димопулус и Двали, которые обратили внимание на то, что если поля Стандартной Модели локализованы на мембране, а дополнительные измерения компактны и имеют достаточно большой размер (они писали даже о субмиллиметровых дополнительных измерениях), то в этом случае гравитационное взаимодействие во всём многомерном пространстве может стать сравнимым по силе с остальными взаимодействиями. И слабость этого взаимодействия в нашем мире объясняется только тем, что мы живём на этой мембране, и никак не можем с неё выйти в дополнительные измерения. В нашем измерении гравитация слабая, а в дополнительных измерениях эта гравитация сильная. И оказалось, что хотя мы непосредственно не можем почувствовать эту сильную гравитацию в макроскопических опытах, но при высоких энергиях эта сильная гравитация может проявляться в процессах столкновения элементарных частиц на коллайдерах. Могут быть различные процессы…
Э.Б. Дело в том, что если только гравитационные взаимодействия могут распространяться вне мембраны, то тогда эти дополнительные измерения, хотя они и компактные, могут быть достаточно большими, и тогда обратный радиус будет очень маленьким. И поэтому на нашей мембране появляется вот это возбуждение, башня, о которой я говорил, с очень маленьким расстоянием между уровнями. И в этом случае, если у нас есть коллайдер ТэВных энергий, то может рождаться большое количество таких состояний. И это когерентное усиление могло бы приводить к видимым эффектам.
Это выглядело бы как процессы с нарушением энергии, например, когда испускается в каком-то процессе такая башня гравитационных взаимодействий в одну сторону, а в другую сторону скажем, струя, о которой я говорил, или лептон, а на эксперименте это выглядело бы как лептон в одну сторону, и ничего другого. И целый ряд других предсказаний. Но, к сожалению, у этого так называемого АДД-сценария есть целый ряд своих собственных недостатков. Может быть, у нас сейчас уже очень немного времени, чтобы…
И.В. Тем не менее, я думаю, можно сказать, что основная проблема в том, что в этом сценарии мембрана предполагалась безмассовой, у неё нет плотности энергии, это безмассовый объект, поэтому в соответствии с законами специальной теории относительности он должен двигаться со скоростью света. И тогда это плохая система отсчёта, потому что мембрана не имеет системы покоя. Таким образом, этот объект должен быть массивным, чтобы иметь систему покоя, но в таком случае он должен иметь собственное гравитационное поле, а в этой модели гравитационным полем пренебрегалось – вот такое противоречие возникало. И это противоречие замечательно было разрешено в новой модели, которая появилась годом позже, в 1999 году, это так называемая модель Рэндалл-Сундрума. В этой модели также предполагается, что поля Стандартной Модели локализованы на мембранах…
Э.Б. Но таких мембран не одна, а две.
И.В. Две мембраны, и было найдено точное решение для двух мембран, взаимодействующих с гравитационным полем в пятимерном пространстве-времени.
Э.Б. Точное решение уравнения Эйнштейна. Это совершенно замечательный факт.
И.В. Замечательное решение. Причём, оказалось, что решение очень интересное. Метрика этого решения экспоненциально быстро меняется в направлении дополнительного измерения, и постоянно на мембранах. То есть на каждой мембране реализуется обычное плоское пространство-время Минковского. А вот переход с одной мембраны на другую сопровождается сильным, очень сильным, экспоненциально сильным изменением метрики. И такая структура фоновой метрики (вакуума) модели Рэндалл-Сундрума действительно приводит к замечательным предсказаниям.
Во-первых, оказывается, что пятимерная гравитация в пространстве между мембранами тоже приводит к существованию массивных гравитонов. Помимо безмассовых гравитонов, которые воспроизводят нам 4-х мерную гравитацию, есть также массивные гравитоны, которые могут приводить к новым эффектам…
Э.Б. Только теперь эти гравитоны, в отличие от АДД-сценария, исключительно массивны, они имеют примерно обратный радиус как свою массу – это величина порядка ТэВ или 10 ТэВ.
И.В. И кроме того, они обладают сильной связью с материей. То есть в АДД-сценарии взаимодействие с материей было такое же слабое, как у безмассовых гравитонов…
Э.Б. …у каждой индивидуальной моды. Эффект получался за счёт того, что складывалось много мод, а здесь одна массивная мода, но сильное взаимодействие.
И.В. Фактически может взаимодействовать так же, как слабое взаимодействие. Вот такой замечательный сценарий, который тоже можно попытаться проверять.
Э.Б. Эти гравитационные резонансы можно пытаться найти в прямых столкновениях – как новые частицы. В этом сценарии появилось ещё одно замечательное предсказание. Возникает дополнительное скалярное поле – так называемый радион, от слова радиус, – и отвечает он за возможность колебания одной мембраны относительно другой в этом дополнительном измерении.
И.В. Когда есть две мембраны, то уже есть возможность мембранам относительно чего колебаться. Когда есть одна мембрана, то непонятно, относительно чего она колеблется, а вот когда есть две, то возникает новая степень свободы, и она называется радионом.
И оказывается, что в первоначальном варианте модели Рэндалл-Сундрума это просто скалярное безмассовое поле. Но безмассовым оно оставаться не может – это противоречит наблюдаемым вещам, поэтому оно должно каким-то образом приобретать массу. Но эта масса может быть порядка, например, 100 ГэВ, то есть где-то близко к массе Хиггса. И появились даже работы, которые говорят о том, что может происходить какое-то смешивание поля Хиггса и поля радиона.
Э.Б. В общем, очень интересная ситуация с точки зрения эксперимента и наблюдаемости.
А.Г. Тот новый каллайдер, который сейчас строится, он позволяет ответить на некоторые из этих вопросов экспериментально?
Э.Б. В это все верят и на это надеются. Точнее можно сказать так – если массы этих гравитонов и радиона будут лежать в области нескольких ТэВ, то они могут быть обнаружены, и тогда это будет очень красивое, совершенно фундаментальное открытие.
И.В. Невероятное, я бы сказал, открытие. Я бы даже добавил ещё, что сейчас фактически стало уже стандартом, что результаты всех экспериментов, в частности, на Тэватроне, представляются с оценками на размер дополнительных измерений. То есть при обработке результатов экспериментов обязательно учитывается эта модель – либо АДД-сценарий, либо модель Рэндалл-Сундрума, – и даётся оценка размеров дополнительных измерений с точки зрения этого сценария. По-моему, там есть ещё одна картинка, которую, наверное, стоит показать в конце.
Э.Б. Это просто как пример того, что можно ожидать на каллайдере LHC в ЦЕРНе в сценарии АДД. Это когда наблюдается в конечном состоянии струя и гравитон, причём гравитона не видно. Такое же конечное состояние в процессе может быть в Стандартной Модели, когда рождается струя и Z-бозон и Z распадается в пару невидимых нейтрино и антинейтрино, тогда это выглядит также.
Но поведение, как функция энергии этого джета в поперечном направлении, энергии в поперечном направлении к оси столкновения, это поведение разное. И вот видите, вот эта чёрная линия, это как выглядел бы (и как он будет выглядеть) график, если есть только Стандартная Модель. А дальше – кривые как бы это выглядело, если есть разное количество дополнительных измерений, вот там два, три, четыре и разный характерный масштаб, новый фундаментальный масштаб. Таким образом, это говорит о том, до каких масштабов может быть эта теория проверена. Либо эффект будет обнаружен, либо будут поставлены новые ограничения. Это как маленькая иллюстрация того, что ожидается в АДД-сценарии. Такие же картинки есть для сценария Рэндалл-Сундрума.
А.Г. У меня последний вопрос. Что мешает в этой теории увеличить количество мембран до бесконечности?
И.В. Ну, можно конечно, увеличивать, и есть такие модели, кстати. Но, наверное…
Э.Б. Эти работы породили огромное количество и теоретических, и феноменологических, и теперь уже псевдоэкспериментальных работ…
А.Г. Предэкспериментальных.
Э.Б. Предэкспериментальных, да. С самыми разными вариантами, тут столько фантазии, что даже трудно сейчас… Но есть варианты, когда есть много мембран…
И.В. Я бы сказал так, что теряются красота и простота. Дирак когда-то сказал, что физический закон должен быть математически прекрасен. Вот в модели Рэндалл-Сундрума это есть. Если вы увеличите число мембран, то не будет точного решения, и такая красота и простота пропадёт.
И вот ещё одна загадка этой модели – пока существует такая модель только с одним дополнительным измерением. Попытки получить такие же красивые, точные решения с большим числом дополнительных измерений пока не приводят к успеху. Либо это действительно уникально, либо это просто пока ещё не удаётся. По крайней мере, до сих пор существует такая модель только с одним дополнительным измерением.
Э.Б. Ещё очень интересная вещь, что вторая мембрана даёт, собственно говоря, некий прообраз того, что называется скрытым миром.
И.В. Зеркальным миром.
Э.Б. В научно-фантастической литературе уже давным-давно это понятие эксплуатировалось, а здесь возникло теперь уже на научной основе.
А.Г. Это тоже 4-х-мерное пространство?
И.В. 4-х-мерное, но совершенно с другими свойствами.
Э.Б. Которое по дополнительному измерению отстоит от нашего на величину обратного ТэВ.
И.В. Предполагается, может быть.
Э.Б. Может быть, да. 10^-19, 10^-20 сантиметра.
И.В. Но в модели предполагается, что мы можем взаимодействовать с этим миром только гравитационно. В частности, если в нашем мире гравитация такая, какая она есть, то в зеркальном мире гравитация должна быть очень сильная. И, скажем, если там есть какие-то объекты с большой массой, то мы можем наблюдать, например, отклонения света в нашем мире в пустом пространстве. То есть, ничего нет, даже нет чёрной дыры, но всё равно происходит отклонение света. То есть это может быть влиянием масс в зеркальном мире.
А.Г. Вы хотите сказать, что в ближайшее время, если эта теория подтвердится, мы будем иметь и абсолютно новую космологическую теорию, поскольку…
И.В. Космологию, конечно, будут пересматривать. Кстати, уже есть такие работы.
Э.Б. Конечно, в модели Рэндалл-Сундрума есть и целый набор своих собственных проблем, и над их разрешением сейчас многие люди бьются, не вполне понятно, как они будут преодолены…
Формы жизни бактерий
29.04.03
(хр.00:49:05)
Участники:
Саббит Салахутдинович Абызов – доктор биологических наук
Михаил Владимирович Иванов – академик РАН
Михаил Иванов: И первые организмы, скорее всего, всё-таки поступили живьём на Землю.
Александр Гордон: В собранном виде. Вы придерживаетесь этой же точки зрения?
Саббит Абызов: Да. Я думаю, что если жизнь привнесена из космического пространства на Землю, то она привнесена, очевидно, в ледниковых образованиях, которых очень много встречается в космическом пространстве. И внутри, скажем просто, куска льда – идеальные условия для сохранения жизнеспособности микроорганизмов.
А.Г. То есть, любая комета, состоящая из…
С.А. Есть такая точка зрения, что в ядрах комет возможны какие-то формы жизни. Это современная гипотеза, конечно. И это может быть одним из источников появления жизни на Земле. Когда-то в очень отдалённые времена, миллиарды лет тому назад.
А.Г. Но это всё равно парадоксальным образом не отвечает нам на вопрос – где и когда и, главное, каким образом зародилась жизнь. Она просит относить ответ на этот вопрос туда, за пределы места и времени, в котором мы живём.
М.И. Совершенно верно. Но развивать эту гипотезу надо. Одно время ведь от неё полностью пытались отказаться. Почему пытались отказаться? Потому что в метеоритах, которые исследовались на Земле, сначала обнаруживали жизнеспособные клетки микроорганизмов, но потом, когда методы исследований жизнеспособных клеток в метеоритах были улучшены, оказалось, что всё это загрязнение метеоритов земной микрофлорой.
Это очень интересно, Саббит Салахутдинович как раз был одним из тех исследователей, который ещё задолго до антарктических исследований провёл очень тщательное исследование большого числа метеоритов, поступивших на Землю. И показал, что в них жизнеспособных организмов нет. И это в какой-то степени лило воду на гипотезу о происхождении жизни на Земле, отвергая возможность переноса живых клеток.
А в последнее время появились новые данные, которые показывают, что не жизнеспособные, а отмершие клетки микроорганизмов, фассилизированные клетки микроорганизмов в космических телах распространены очень широко. И вот тут некоторые снимки будут эту точку зрения иллюстрировать.
Живых микроорганизмов пока в метеоритах не найдено, но эти работы продолжаются, и вы правы, что вне Земли отнесён этот первый этап, но, я ещё раз повторяю, что по данным биохимиков и молекулярных биологов три миллиарда – слишком короткое время, чтобы от неживой материи перейти к высокоорганизованной живой материи, к тем организмам, которые сейчас населяют Землю. А если хотя бы первичные формы жизни, прежде всего, бактериальные или бактереоподобные организмы, на Землю попали, то уже какой-то этап, очень важный и очень длительный этап структурированной жизни в виде этих клеток, уже пройден где-то вне Земли, и тогда вроде трех миллиардов лет хватает на эволюцию до нас с вами.
А.Г. Но для того, чтобы бактерии или другие простейшие могли пережить такое космическое путешествие (и мы могли искать не только их следы, но жизнеспособные организмы в метеоритах и других образованиях), нужно было сделать то открытие, которое вы сделали – для того, чтобы доказать, что это возможно. Жизнеспособность микроорганизмов после сверхдлительного анабиоза. Вы можете рассказать, как это было сделано?
С.А. Вообще, спор о длительности анабиоза микроорганизмов продолжался многие десятки лет. И не было ни одного экспериментального доказательства существования такого сверхдлительного анабиоза микроорганизмов. Были находки в древнейших отложениях, в кладках египетских пирамид, в вечной мерзлоте, но каждый раз эти находки отвергались, как загрязнение окружающей микрофлорой…
М.И. Современной микрофлорой.
С.А. Современной микрофлорой, потому что мы находимся в окружении микроорганизмов. И нужно было разработать такую методику проверки этой гипотезы, чтобы полностью исключить сомнения в том, что найденные в данном объекте микроорганизмы находятся действительно внутри этого объекта.
М.И. Мало было разработать методику, надо было найти естественную экосистему найденной клетки, возраст которой составлял бы, как минимум, сотни тысяч лет. Такой экосистемой и явились антарктические ледники.
С.А. Да, такой экосистемой как раз и явились антарктические льды, почему мы и обратили внимание на, как общепринято говорить, вечные ледники Антарктиды. Было известно давно, что биологические объекты внутри ледниковых образований прекрасно сохраняются очень длительные сроки. И можно было предположить, что если микроорганизмы попадают в этот объект, то, по-видимому, при отрицательных температурах они также могут очень длительное время сохраниться. Поэтому нужно было разработать такую методику, чтобы действительно показать, что микроорганизмы присущи этому объекту.
По счастливому стечению обстоятельств в конце 60-х – начале 70-х годов в Центральной Антарктиде были начаты очень интересные и обстоятельные работы по глубокому бурению антарктического ледника, который в районе станции «Восток» достигает 3 тысяч 750 метров, по данным гляциологов.
М.И. И возраст нижних горизонтов где-то больше 400 тысяч лет, насколько я помню.
С.А. У ледникового ложа он по некоторым данным оценивается в 500 тысяч лет. А новейшие данные научных сотрудников института Арктики и Антарктики даже говорят о миллионе лет.
А.Г. По крайней мере, возраст того озера, которое находится под этой станцией, люди, которые занимались бурением и были у нас здесь, в этой студии, оценивают в миллион лет.
С.А. Да. И речь идёт о тех слоях, которые находятся непосредственно над этим знаменитым озером Восток. Но, как известно, эти буровые работы сейчас приостановлены. Я об этом не буду рассказывать, потому что предыдущие наши коллеги уже рассказывали об этом.
А.Г. И о причинах тоже.
С.А. Да, это очень интересная часть работы.
Но что касается наших исследований, первые пробы мы взяли в конце 74-го года – в начале 75-го года. И уже первые наши результаты были положительные. Очень мало мы обнаружили микроорганизмов, но всё-таки они там были. У нас возникли сомнения. Может быть, это загрязнение, несмотря на то, что мы всё тщательно продумывали? Здесь я не буду рассказывать подробно эту методику.
М.И. Это специальный, конечно, вопрос.
А.Г. всё-таки расскажите в двух словах о методике, чтобы мы представляли себе, о чём идёт речь.
С.А. Методика заключается вот в чём. Бурение проводил институт, который тогда назывался Ленинградский горный институт. Там очень хорошие специалисты-буровики, хорошая школа. И сотрудники института Арктики и Антарктики проводили эти работы, работы велись под их руководством.
Из скважины извлекается ледяной керн, это такой цилиндр. Затем из этого керна нужно было отобрать пробу. Пробу надо было отобрать таким образом, чтобы микроорганизмы, случайно попавшие на поверхность этого керна, не попали бы в наши пробы. И для этой цели была разработана специальная технология отбора пробы из центральной части этого керна.
Для этой цели мы прибегли к такому методу. Откалывали торец керна таким образом, чтобы не происходило никакого прикосновения к центральной части керна. Поэтому мы придумали такое кольцевое скалывающее устройство. При незначительном сжатии этого кольцевого устройства торец керна откалывался, и получалась девственно чистая поверхность. Мы эту поверхность опускали на ледотаялку с воронкообразной поверхностью.
А.Г. Которая была стерильной, разумеется.
С.А. Да, стерильной, и затем через специальную приёмную трубку проба попадала в стерильную колбу с перетянутым горлышком, в которой уже находилась питательная среда.
М.И. То есть, из центральной части керна получалась талая вода, которая не соприкасалась ни с краями керна, ни с чем. Только с этой стерильной поверхностью. И эта талая вода и служила уже для изучения количества микроорганизмов, ледового их состава и так далее.
С.А. Горлышко колбы мы немедленно запаивали, не разъединяя. Таким образом, получалась такая огромная ампула, так что мы были абсолютно уверены, что ничего в эту колбу, кроме как из центральной части керна, не попало. Вот, в общем, очень коротко, в чём суть этой методики.
М.И. Надо сказать, что лёд в этом отношении идеальный объект, потому что он монолитный. Если в этом керне есть трещины или какие-то изъяны, этот кусок просто бракуется. А если это монолитный столбик льда, то этот столбик как раз и используется для исследований.
А.Г. Это гарантия того, что в него не попали посторонние…
М.И. Вы ж понимаете, много ведь изучалось микрофлоры буровых кернов, скважин, которые бурятся в различных горных породах. Но практически во всех этих горных породах есть поры, есть трещины, есть возможность загрязнения керна при бурении. Лёд в этом отношении практически идеален.
А.Г. И что вам удалось обнаружить при первой же пробе?
С.А. Уже при первой экспедиции мы пробурили 105 метров, обнаружили различные формы микроорганизмов – бактерии, грибы, дрожжи, актиномицеты.
А.Г. Которые находились в состоянии анабиоза?
С.А. Да. И после рассева в строго стерильных условиях из этой колбы мы получали незначительное количество представителей названных групп.
М.И. То есть культуры этих групп.
А.Г. Они начинала делиться, то есть они были жизнеспособны?
С.А. И вот на первой схеме у нас показано распределение различных групп микроорганизмов в толще ледника. Здесь очень интересная получается картина. Неспорообразующие микроорганизмы преобладают в верхних горизонтах ледника. А по мере углубления в ледник увеличивается относительное количество спорообразующих бактерий по отношению к неспорообразующим. И в то же время общая картина идёт к тому, что количество обнаруживаемых этим методом микроорганизмов постепенно падает. И уже на глубине, я уже не буду подробно рассказывать, примерно две с половиной тысячи метров уже процент колб, давших рост микроорганизмов, составляет только около трех процентов.
А.Г. А какой вывод вы делаете: что количество микроорганизмов вообще уменьшается или уменьшается количество жизнеспособных?
С.А. Количество жизнеспособных микроорганизмов уменьшается. Я назвал бы эту часть нашей работы первым этапом исследователей.
А.Г. То есть вы нашли предел анабиоза?
М.И. Нет, до предела не дошли…
С.А. Так была экспериментально проверена возможность длительного анабиоза микроорганизмов, исчисляемого десятками и сотнями тысяч лет.
М.И. Самые нижние образцы какой возраст имеют?
С.А. Самые нижние образцы имеют возраст 400 тысяч лет – по нашим данным. Но уже после наших работ (это уже общеизвестные работы) другие исследователи из Московского университета и из Пущино, которые проводили активные работы с вечной мерзлотой, нашли в слоях вечной мерзлоты образцы, которые имеют возраст пять миллионов лет, семь миллионов лет. Им уже теперь стало легче, потому что действительно экспериментально было показано существование сверхдлительного анабиоза. Теперь уже с этим никто не спорит.
А.Г. И на этих горизонтах в семь миллионов лет они находят жизнеспособные организмы, да?
С.А. Да, да.
М.И. Причём, интересно, что в работах с вечномёрзлыми грунтами, с вечномёрзлыми породами находят даже большее количество жизнеспособных клеток. Потому что в антарктический ледник микрофлора попадает через атмосферу вместе с пылевыми частицами, Саббит Салахутдинович нам об этом ещё два слова скажет.
С.А. Да, обязательно скажу.
М.И. Поэтому в леднике их относительно небольшое количество. Понимаете, ледник не является сферой активной жизни микроорганизмов. А вот мёрзлые породы и мёрзлые почвы до того, как они стали мёрзлыми, они являлись активной системой.
А.Г. Органикой.
М.И. Да. Поэтому там исходное количество микроорганизмов было на порядки больше, чем исходное количество тех микроорганизмов, которые поступили с пылью в Антарктиду. И, естественно, при том же проценте там гораздо большее количество микроорганизмов обнаруживается в этих мёрзлых породах, чем во льдах, и гораздо больше разнообразие микроорганизмов. Но, так сказать, система остаётся прежней. Вот уже образцы мерзлоты с пятимиллионным возрастом содержат жизнеспособную микрофлору в достаточно большом разнообразии и в большом количестве.
С.А. Возвращаясь к нашим исследованиям, на этой схеме очень хорошо представлена эта картина. Нам интересно посмотреть вот что: ну, хорошо, микроорганизмы на наших питательных средах не растут. Это не значит, что их там нет. Во-первых, мы можем не угадать, какая требуется среда для тех микроорганизмов, которые мы можем обнаружить.
А.Г. А вы какие среды использовали?
С.А. У нас среда была очень простая. Это был картофельный отвар, обогащённый дрожжевым автолизатом. Оказалось, что, в общем-то, очень широкий круг микроорганизмов растёт на этой среде.
Теперь о следующем, втором этапе наших исследований – когда мы изучали пробы на мембранных фильтрах. При подсчёте под микроскопом там мы обнаруживали очень большое количество микроорганизмов – в сравнении, конечно, с тем, что мы обнаружили первым нашим методом, методом высева. Здесь уже мы обнаруживали порядка ста, тысячи клеток в одном миллилитре.