Страница:
В.Х. Это атавизм, у млекопитающих это атавизм со времён рыб и рептилий, которые выходили в пресные воды и на сушу. В пресные воды они могли выйти, только создав механизм внутренней солёности. При этом работают так называемые осморегуляторные структуры.
Вот проблема, там, где миллиграммы солей, в этих низко минерализованных водах живут молодые лососята, здесь живёт колюшка, такая рыбка, которая очень легко переносит транспортировку с моря в пресные воды. Она живёт в среде, из которой она должна захватывать своими клетками (для этого работают специальные клетки жаберного аппарата) необычайно дефицитные ионы и вгонять их в кровь. И кровь у неё солёная, тоже около 9-10 промилле. А дальше второй механизм: когда образуется моча, необходимо выделять жидкости, при этом почки захватывают дефицитные ионы и забирают их назад.
Рыбы, даже морские, как теперь принято считать, совершенно определённо – пресноводного происхождения. Поэтому в море с её солёностью 30 с лишним промилле рыбы имеют внутреннюю солёность не больше 12-15. Видимо, то, что выработалось в пресной воде, оказалось оптимальным. Эта внутренняя солёность, наверное, оптимальна для тонкого регулирования некоторых процессов.
А.Г. Означает ли это, что вся жизнь вышла из пресных вод, раз рыбы, которые обитают сегодня в океане, имеют пресноводных предков?
В.Х. Они вторично морские. Они проникли в пресные воды благодаря этому аппарату гиперосмотической регуляции, захвату ионов и удержанию высокой солёности и, привыкнув к этой величине, они, даже выйдя в море, сохранили ту самую внутреннюю солёность.
А.Г. А можно предположить, какой солёности было море, из которого вышли первые амфибии?
В.Х. Вот тут, тут как говорится, учёные спорят. С одной стороны есть мнение, что солёность моря – та самая константа Вернадского – существует около миллиарда лет. А жизнь в пресные воды вышла значительно позже. И в то же время в море присутствует величайшее разнообразие классов и типов. Ведь в пресные воды до сих пор – за эти два миллиарда лет существования жизни – не вышли ни одного коралла, ни одной актинии, ни одного головоногого моллюска, ни одной асцидии (а это целый тип), ни одной погонофоры. То есть, в своём продвижении от великого разнообразия моря в сторону пресной воды только избранные перешагнули этот барьер. Но, перешагнув его, они отработали, наверное, оптимальные способы регулирования процессов во внутренней среде. И поэтому, возвращаясь назад, они сохранили тот же уровень. Кстати, не только рыбы, очевидно, сохранили низкую солёность, но и некоторые креветки.
А.Г. А как обстоит дело у дельфинов с солёностью крови?
В.Х. У дельфинов абсолютно, как у нас.
А.Г. То есть, 10 промилле…
В.Х. Это 10 промилле, прекрасно работают почки. У них другая проблема. У тех, кто живёт в море, у тех, которые вернулись, у них проблема удаления избыточной соли. Та же колюшка, которая захватывает в пресной воде соли, их удерживает, попадая в море. А в море она должна решать другую задачу – иметь биологический опреснитель. И механизм заключается в том, что колюшка в море пьёт непрерывно воду, чего она не делает в пресной воде, и её жабры выбрасывают излишки солей – в первую очередь жабры – отдельные ионы магния и почками могут выбрасываться, а излишний натрий выбрасывается жабрами, специальными клетками, через которые протекает кровь, несущая все это.
В.Ф. Владислав Вильгельмович, к вам просьба расшифровать ещё один момент, который касается ваших исследований. А каков же механизм? Почему 5-7, почему не остановились на 9? Как это связано с биохимией? Здесь есть следующий уровень рассмотрения. Вы же понимаете, что должно быть объяснение, откуда те сакраментальные 5-7? Что за этим стоит? Регулятор биохимический? Либо экологический? Что, почему? Это от Бога или от какого-то эволюционного тормоза?
В.Х. Я попробовал уже объяснять, что формирование, во всяком случае, критического значения этих соленостей в экологии – это, скорее всего, изменение физико-химических свойств среды. Наверное, и в организме тоже – ниже этих же самых пределов та самая среда меняется очень невыгодно. Например, есть опыты академика Трошина, когда он разбавлял кровь лошади дистиллированной водой, и при перевале за 5-7 промилле эритроциты лопались. Нарушаются мембраны, нарушаются, наверное, биохимические процессы. Если мы представим себе наши белки, макромолекулы в виде полиионов, то есть в виде огромных глобулов молекул, которые сохраняют нативные свойства, благодаря неорганическим противоионам, так, наверное, и здесь играет роль внутренняя солёность, которая обеспечивает насыщение противоионов. Отсюда, наверное, и коагуляция белков…
В.Ф. Разные конформационные переходы на уровне макромолекул. Можно их свернуть, можно сделать так, что они начнут в клубки сворачиваться. Можно наоборот насытить, они будут растопыриваться. То есть, это регуляторный механизм биохимической активности макромолекул различной химической природы, на которых зиждется вся наша биохимия – это белки, это могут быть полисахариды, это полимеры, прежде всего. Переход одной конформации в другую… Первичная структура, которая задана последовательностью образующих эту цепь оснований. Вторичная структура – спирализация. Третичная структура – укладка этих спирализованных участков – всё это подчиняется и регулируется этим изменением состояния.
В.Х. Именно поэтому, наверное, и нормальная наша внутренняя солёность близка к критической.
В.Ф. Совершенно верно.
В.Х. Потому что благодаря минимальным изменениям в работе почек, ионорегулирующим механизмам можно каким-то образом влиять на конформацию макромолекул…
В.Ф. …и, стало быть, на всю биохимию наших жизненных процессов, будем так говорить.
В.Х. Поэтому-то мы и сохраняем всё это, выйдя в море.
Я хотел бы обратить внимание, если позволите, на ещё один интересный момент. Внутренняя среда изучается физиологией. Внешняя среда – экологией, которую мы с Вадимом Дмитриевичем в большей степени представляем здесь, чем физиологию. Но внутренняя среда изучается разными ведомствами. Они редко контактируют друг с другом. Наверное, это нехорошо, наверное, надо чаще обмениваться своими открытиями.
Физиология движется и медицинскими потребностями. Поэтому отсюда интерес к крови, к работе почек. Это же функционирование наших органов. И мне кажется, что иногда физиология может дать кое-что интересное и для экологии. В частности, в экологии много лет обсуждался вопрос: могут ли животные поглощать растворённое органическое вещество внекишечно? То есть через покровы.
Спор шёл чуть ли не столетия. О том, что поглощается, доказательств почти не было. То, что не поглощается, было показано перевязыванием рта конским волосом. И вдруг оказалось, что правы те медики, которые говорят, что эта растворённая органика, которая представлена мономерами, простыми сахарами, аминокислотами, всасывается через стенку кишечного тракта, меняясь на натрий. Она идёт в сторону нашей внутренней солёности.
Так вот оказалось, что поглощение растворённой органики совершенно естественно для морских, у которых внутренняя солёность достаточна и не годится для пресноводных. Поставлена была серия опытов – это оказался соленостнозависимый процесс. Тот процесс, который медики знали давно, всасывание веществ и транспортировка их через мембраны, этот процесс экологи узнали сравнительно недавно.
Ещё один момент очень интересный. Благодаря, наверное, той самой внутренней конформации, в нашем организме очень тонко работает регуляция пептидными гормонами. То есть белками, которые имеют строго сигнальное значение. Все наши железы внутренней секреции, органы, ткани часто разговаривают друг с другом пептидными гормонами, так регулируются тонкие циклы. Оказалось, что в море, это потрясающий факт, личинки сцифомедуз сидящие в виде полипов, ждут сигнала – когда можно будет весной размножаться, когда нагреется вода? При 15-16 градусах вода прогревается, и они начинают, как тарелки, на себе образовывать весной личинок медуз. Сигнал здесь – температура. Но оказалось, что если на наклонной плоскости, на скале, верхние полипчики прогреваются первыми, они выделяют совершенно конкретный белок, который сигнализирует всем другим, которые живут при холоде – пора готовиться, пришла весна. Температурного сигнала нет, сигнал только белковый. Я просто уверен, что сейчас надо искать эти сигнальные разговоры посредством стабилизированных белковых молекул между популяциями и видами в море.
А.Г. И всё-таки вернёмся к проблеме Арала, поскольку время как раз для этого осталось.
В.Ф. Ну, что же, я хочу продолжить линию Владислава Вильгельмовича, который абсолютно точно обрисовал внутреннюю сущность проблемы, которая легла в основу тех предложений, которые мы делаем – мы, представители всех тех разных биологических дисциплин, которые предлагают изменить стратегию восстановления Арала. Ясно совершенно, что у нас нет сейчас возможности спасти Аральское море, восстановить его в том виде, как это было несколько десятилетий назад. Поэтому в основе нашей стратегии – конкретные предложения. Я буду делать их поочерёдно, каждый раз мотивируя, почему надо делать так.
Западная глубоководная часть, которую питает в основном Амударья, где ещё осталось воды до 40 метров глубины, сейчас чётко отгораживается от большой испарительной площадки в восточной части и от севера, который питает Сырдарья. Поэтому сейчас есть возможность, не внося существенных изменений, направить в проекте внимание на то, чтобы попытаться как-то распреснить эту глубинную часть, которая теперь существует в виде протоки. Распреснить как-то, чтобы снизить и свести на нет избыточный соленостный фактор. Это единственный путь.
Что можно сделать? Известно, что Амударья ежегодно выбрасывает около 10 кубокилометров пресной воды. Есть возможность пропускать всю эту воду через западный рукав этой длинной части. Западную часть надо промывать для этого пресной водой, чтобы потихоньку снизить солёность, учитывая, что Амударья не каждый год даёт 10 кубокилометров. Бывают годы, когда она даёт даже ноль – в засушливые годы. Но в среднем, 7-8 кубокилометров есть. Значит, воду нужно направить вдоль для того, чтобы через северный узкий глубокий пролив промывалась солёность, удалялась из этого рукава. И как раз пресная вода будет попадать в центральную часть, где будет идти испарение.
Более того, точно такая же проблема связана с Сырдарьей, которая меньшую – верхнюю – часть Арала также будет промывать, и солёность будет уходить в испаряющую часть Аральского моря. За эту испаряющуюся часть нам сейчас бороться сложно. Надо поставить задачу – той водой, которую дают эти две реки, распреснять западную часть и северную часть. Причём, подсчёт показывает, что если 10 кубокилометров будут сбрасываться Амударьей, то потребуется примерно 10 лет, чтобы можно было уменьшить вдвое эту солёность.
Это уже будет 30 промилле, когда можно уже продуцировать виды, приспособленные к такой солёности. Спектр их не обязательно должен состоять из видов, которые были там изначально. Но здесь на помощь должны прийти ихтиологи и рекомендовать, подбирая виды, такую интродукцию, чтобы мы могли посмотреть, какие из них могли бы прижиться и составить основу круговорота пищевых цепей в этих двух маленьких районах.
Возникает вопрос: а что же делать с большой частью? Большую часть мы теряем и будем терять. Тут ничего поделать нельзя. Но есть – и Владислав Вильгельмович говорил об этом – виды, которые переносят и 200 промилле. Например, Артемия салина, один из любимых пищевых объектов всех наших аквариумистов, ею питаются безумное количество мелких рыб.
В.Х. Стартовый корм.
В.Ф. Поэтому можно в восточной части, в которой продолжает расти солёность, во-первых, культивировать Артемию салину, и это можно сделать промышленным процессом. Он отчасти будет даже выгоден с точки зрения производства товара.
И ещё. Сейчас есть много генетических работ, которые позволили поставить вопрос о продвижении многих растений и животных в сторону повышенной солёности. Сейчас есть генетические сорта риса, которые выдерживают до 12 промилле, есть и другие полезные сельскохозяйственные сорта. Значит, можно на это поле, которое потихоньку пересыхает, наступать с юга для того, чтобы попытаться внедрять именно солеустойчивые сорта, полученные, может быть, искусственно, полученные в лабораториях – они уже есть и их надо внедрять, чтобы мы могли использовать этот большой испаритель, который мы именуем восточной частью. По-видимому, других вариантов нет.
И поскольку у нас остаётся мало времени, я думаю, что всем понятно, что эти работы надо начинать сейчас уже. И только в этом направлении мы могли бы ожидать успеха, ради которого мы все это и затеяли. Это могут быть только международные проекты. Потому что они очень финансово-ёмкие, но другого пути у нас нет.
А.Г. Вы упоминали о проектах, которые были разработаны в советское время. Сейчас мэр Москвы предлагает перебросить часть стока северных рек в этом направлении. Как вы к этому относитесь?
В.Ф. Я боялся этого вопроса, имея абсолютно своё мнение по этому вопросу…
А.Г. Почему боялись-то?
В.Ф. Да потому что споры идут – надо, не надо. Некоторые за, некоторые против. Дело в том, что, конечно, весь вопрос в переброске. Да и был даже такой проект – даже с Каспия можно перебрасывать воду, но её надо будет через трубопроводы поднимать на 15 метров. Это чудовищно дорогой проект. Казалось бы, Сибирь более подходит для этого. Мы сейчас всё время должны бороться с весенними паводками в Сибири, очень много воды в Сибири, и надо её куда-то девать. Мы защищаем смытые деревни и прочее, прочее.
Да, можно поставить вопрос переброски. Но это должна быть локализованная переброска в определённые периоды и в основном… Сибирь богата такими реками. От Енисея можно брать, например. От Оби трудно уже брать, это более мелководная река и там будет осушение. Западная Сибирь очень болотистая, а мы знаем, к чему приводит исчезновение болот. Это вторые лёгкие нашей планеты.
Поэтому эти проекты можно рассматривать – как и мы предлагаем – в узком направлении, в стратегии удерживания. Мы должны знать, откуда мы имеем право брать и в какой период. Противники переброски в основном говорят: почему не надо брать реки? Ведь это вода, теплоёмкость её огромная, и выносится на север не просто большая масса воды, но и тепло. А что это означает? У нас есть много умных людей. Гидрологи подсчитали, климатологи подсчитали, что если температура ввиду сброса рек по северным артериям вдруг снизится на Северном Ледовитом океане на полтора-два градуса, это приведёт к замерзанию северного морского пути и вымиранию целых территорий. Никакие ледоколы уже этот лёд не пробьют. Поэтому нельзя сбрасывать огромные массы в Арал, это приведёт к изменению микроклимата Севморпути, и тогда наши ледоколы вообще не смогут обеспечить жизнь Севера.
А.Г. У меня ещё один вопрос. Подобно тому, как Каспийское море стало стремительно понижать свой уровень, а потом возвращаться к прежнему, может быть, и то, что происходит с Аральским, – это некие природные флуктуации, которые естественны для этого водохранилища?
В.Ф. Если бы это были природные флуктуации, то тогда бы мы не имели таких бесспорных фактов, как почти полное пересыхание в сухие годы Амударьи, потому что её воду просто разбирают на орошение полей и прочее. Эти факторы раньше не существовали, и поэтому могла формироваться та эндемичная фауна и флора, которую мы имеем в Арале. Но главная причина фактически – просто наступление человека на земли, расширение сельского хозяйства, своего рода урбанизация дельты Амударьи и Сырдарьи. Таких причин раньше не было и не могло быть. И поэтому я думаю, что это не флуктуации. Хотя они были, но были в более разумных пределах, потому что для формирования эндэмических видов требовалось гигантское количество лет. И если эта флуктуация может оборвать жизнь на Арале, то тогда, простите, что делает предшествующая флуктуация?
А.Г. Сколько лет Аралу?
В.Х. Самому Аралу не много, но впадине очень много.
В.Ф. По-моему, порядка двух миллионов лет. То, что сейчас образовалось, это и было раньше первым фарватером для сброса этих рек.
А.Г. Часть большого внутреннего моря.
В.Ф. И фактически оно было проточным. И в период большого половодья оно наполнялось. И эта масса воды играла стабилизирующую роль. Поэтому небольшие флуктуации соленостей ещё ничего не решали, ещё ничего не нарушали. Из-за этого не исчезали лопатоносы и другие виды. А теперь их просто нет. Их уже нет. И нет рыбаков там уже. Теперь они переходят на рис, переходят на сельское хозяйство. И поэтому очень важны эти устойчивые к солёности искусственные сорта риса, выведенные в лабораториях. Получается, что население изменило свою профессию. Вместо рыболовства они теперь пытаются внедрять совсем другие типы деятельности, не имея исторического навыка.
А.Г. Но, кроме того, рис ведь требует ещё большего оводнения. Вода забирается…
В.Ф. Да, это правильно. Но мы куда её сбрасываем? Туда же. Там ещё дренажные воды, сливы с полей идут, которые содержат пестициды, они содержат ещё и вымываемые биогенные вещества. Поэтому здесь палка о двух концах. С одной стороны, стимулируется процесс первичного включения фотосинтеза, а с другой стороны, получается как бы накопитель и привносятся как раз пестициды, которые, нас уверяют, теперь всё меньше и меньше якобы потребляются. Но в общем, практика говорит немножко об обратном.
А.Г. А кто-то из эндемичных видов ещё остался в Арале, или уже всё, там совсем мёртвое море?
В.Ф. Нет, в Амударье осталось несколько эндемичных видов. Сейчас как раз ихтиологи спорят: на Балхаше как будто бы тоже есть такие виды, но генетики должны показать – это оставшиеся старые популяции или это возникшие параллельно популяции, и тогда это не имеет смысла. Тогда ничего не осталось. Это как раз генетика популяций рыб, это ихтиологи должны решить.
А.Г. Интродукция новых видов: если будет достигнута солёность около 30 промилле, то это могут быть и океанические рыбы?
В.Х. Одно время в Хаджибее была солёность около 30 промилле. И туда для акклиматизации привозились дальневосточные креветки. Дальше опыт был прекращён, но довольно долгое время эксперимент проходил успешно. Фактически, создание новых…
Перенос излучения
Участник:
Юрий Николаевич Барабаненков – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: Для меня «фотоника» – это неологизм. В моей жизни впервые встречается это слово, хотя слово «фотон» мне известно и я понимаю, что это производное. Но всё-таки чем занимается эта наука?
Юрий Барабаненков: Вы знаете, мне бы не хотелось начинать с фотоники, потому что эту тему я оставляю для завершения разговора.
А.Г. Хорошо, начните с того, с чего вам удобно.
Ю.Б. Я хотел бы начать с того, что тема нашей беседы формулируется как «Перенос излучения в рассеивающих средах». И в рамках этой темы я хотел бы обсудить следующие 4 вопроса. Первый вопрос. В чём заключаются основные представления о переносе излучения в рассеивающих средах и как эти представления изменялись с годами по мере изучения новых явлений, новых сред. Первый вопрос. Он касается феноменологического и микроскопического подходов при рассмотрении вопросов переноса излучения в рассеивающей среде. Третий вопрос. Как изменились феноменологические представления о переносе излучения в рассеивающих средах после предсказания явления локализации излучения в рассеивающих средах. И четвёртый вопрос касается того, насколько феноменологические представления в состоянии оказать какую-то заметную помощь при исследовании оптических свойств так называемых фотонных кристаллов.
Замечу, что большой интерес к явлениям переноса излучения в рассеивающих средах связан с тем, что эти явления весьма часто встречаются в природе. Поэтому такие области науки и техники как связь, зондирование сред, обнаружение объектов, передача изображений, биооптика, молекулярная оптика постоянно сталкиваются с проблемами распространения и рассеивания электромагнитного излучения, радиоизлучения, СВЧ и оптических частот в средах со случайными неоднородностями, в рассеивающих средах. Примерами таких сред могут быть турбулентная атмосфера и турбулентный океан. Это такие геофизические явления как ураган, дождь, град, снег, как песчаные бури. Это такие объекты как лесные покровы, листья и такие объекты как фотографические слои, люминесцентные экраны, бумага, биологические объекты с клетками и так далее. Все это примеры переноса электромагнитного излучения в рассеивающих средах. Можно было бы ещё назвать такие примеры как перенос акустического излучения в турбулентной атмосфере или же перенос тепловых нейтронов в жидкости и другие. Примеров очень много.
При рассмотрении вопросов распространения излучения в рассеивающих средах применяются два подхода: феноменологический и микроскопический подходы. Феноменологический подход более старый. Он исходит непосредственно от самого явления («феноменон» – явление и «логос» – просто логика). В этом случае никаких особенных гипотез о строении рассеивающей среды не делается, и главный упор делается на соблюдении закона сохранения энергии, который применяется к узким по направлению распространения лучам. Вот, собственно говоря, на этой первой картинке, которая показывается, и иллюстрируются основные представления фенологического подхода.
Согласно этому подходу, рассеивающая среда рассматривается как набор эффективных рассеивающих неоднородностей или элементарных объёмов, которые как-то разбросаны в пространстве. На каждой такой неоднородности излучение испытывает элементарный акт рассеивания с каким-то угловым распределением и далее происходит свободный пробег этого излучения до следующей неоднородности, на которой оно опять рассеивается. Вот, собственно говоря, основа феноменологических представлений. В основе аналитических представлений здесь лежит так называемое «уравнение переноса», которое формулирует энергетический баланс при таком рассеянии излучения и где главная величина – это лучевая интенсивность. Это поток энергии в заданные точки и в заданном направлении.
Микроскопический же подход исходит уже из некоторой модели рассеивающей среды и пользуется волновыми уравнениями. Кроме того, при микроскопическом подходе учитывается, что частицы среды случайно распределены в пространстве, то есть их распределение флуктуирует. И, кроме того, само волновое поле при этом тоже становится флюктуирующим.
Феноменологические представления появились в конце позапрошлого столетия и начале прошлого в трудах Хвольсона, Шварцшильда и Шустера при изучении распространения света в молочных стёклах, солнечной атмосфере и туманной атмосфере Земли. Далее эти представления были усовершенствованы в работах Соболева, Чандрасекара, Розенберга. Усовершенствованы по форме, но не по содержанию – для учёта эффектов поляризации излучения. И вот в таком виде эти феноменологические представления успешно разрабатывались до 60-х годов прошлого столетия, после чего возникла необходимость эти представления критически переосмыслить.
Такая необходимость возникла в связи с предсказанием явления локализации излучения, которое с феноменологическими представлениями не согласовывалось. Однако для большинства задач эти представления успешно применялись, и было установлено существование трех основных режимов распространения излучения через рассеивающую среду: баллистический, промежуточный и диффузионный режимы. При баллистическом режиме излучение в основном идёт вперёд и несколько ослабевает вследствие того, что отдельные лучи выбывают из первоначального потока вследствие рассеяния. Этот баллистический режим действует где-то около поверхности среды, на которую падает излучение, или недалеко от источника. При промежуточном режиме уже произошло заметное число актов рассеяния на отдельных неоднородностях, и траектория движения излучения представляет из себя некую ломаную, узлы которой расположены на этих неоднородностях. И наконец, диффузионный режим действует в глубоких слоях рассеивающей среды, когда произошло много актов рассеяния. В области диффузионного режима поле излучения является почти изотропным.
Конечно, самым сложным является промежуточный режим. Я буду благодарен, если покажут картинку №2. Для исследования переноса излучения в области промежуточного режима до 60-х годов прошлого столетия было разработано много эффективных подходов, но особенно интересным оказался подход, предложенный Амбарцумяном в 1943 году. Этот подход получил название «метод сложения слоёв». Согласно этому подходу, рассеивающая среда мысленно расслаивалась на параллельные срезы с небольшими зазорами между ними. И далее рассматривались потоки излучения в зазорах между срезами, а также отражённые всей средой излучения и прошедшие через весь слой среды излучения. Важнейшим достоинством метода сложения слоёв Амбарцумяна является то, что он позволяет рассчитывать коэффициент отражения последовательно, начиная от нижнего среза и передвигаясь к верхнему срезу. То есть при этом коэффициент отражения рассчитывается примерно так же, как рассчитывается траектория движения частиц в заданном силовом поле, согласно механике Ньютона. В этом проявляется некоторый вариант так называемой оптико-механической аналогии – аналогии между оптикой и механикой.
Вот проблема, там, где миллиграммы солей, в этих низко минерализованных водах живут молодые лососята, здесь живёт колюшка, такая рыбка, которая очень легко переносит транспортировку с моря в пресные воды. Она живёт в среде, из которой она должна захватывать своими клетками (для этого работают специальные клетки жаберного аппарата) необычайно дефицитные ионы и вгонять их в кровь. И кровь у неё солёная, тоже около 9-10 промилле. А дальше второй механизм: когда образуется моча, необходимо выделять жидкости, при этом почки захватывают дефицитные ионы и забирают их назад.
Рыбы, даже морские, как теперь принято считать, совершенно определённо – пресноводного происхождения. Поэтому в море с её солёностью 30 с лишним промилле рыбы имеют внутреннюю солёность не больше 12-15. Видимо, то, что выработалось в пресной воде, оказалось оптимальным. Эта внутренняя солёность, наверное, оптимальна для тонкого регулирования некоторых процессов.
А.Г. Означает ли это, что вся жизнь вышла из пресных вод, раз рыбы, которые обитают сегодня в океане, имеют пресноводных предков?
В.Х. Они вторично морские. Они проникли в пресные воды благодаря этому аппарату гиперосмотической регуляции, захвату ионов и удержанию высокой солёности и, привыкнув к этой величине, они, даже выйдя в море, сохранили ту самую внутреннюю солёность.
А.Г. А можно предположить, какой солёности было море, из которого вышли первые амфибии?
В.Х. Вот тут, тут как говорится, учёные спорят. С одной стороны есть мнение, что солёность моря – та самая константа Вернадского – существует около миллиарда лет. А жизнь в пресные воды вышла значительно позже. И в то же время в море присутствует величайшее разнообразие классов и типов. Ведь в пресные воды до сих пор – за эти два миллиарда лет существования жизни – не вышли ни одного коралла, ни одной актинии, ни одного головоногого моллюска, ни одной асцидии (а это целый тип), ни одной погонофоры. То есть, в своём продвижении от великого разнообразия моря в сторону пресной воды только избранные перешагнули этот барьер. Но, перешагнув его, они отработали, наверное, оптимальные способы регулирования процессов во внутренней среде. И поэтому, возвращаясь назад, они сохранили тот же уровень. Кстати, не только рыбы, очевидно, сохранили низкую солёность, но и некоторые креветки.
А.Г. А как обстоит дело у дельфинов с солёностью крови?
В.Х. У дельфинов абсолютно, как у нас.
А.Г. То есть, 10 промилле…
В.Х. Это 10 промилле, прекрасно работают почки. У них другая проблема. У тех, кто живёт в море, у тех, которые вернулись, у них проблема удаления избыточной соли. Та же колюшка, которая захватывает в пресной воде соли, их удерживает, попадая в море. А в море она должна решать другую задачу – иметь биологический опреснитель. И механизм заключается в том, что колюшка в море пьёт непрерывно воду, чего она не делает в пресной воде, и её жабры выбрасывают излишки солей – в первую очередь жабры – отдельные ионы магния и почками могут выбрасываться, а излишний натрий выбрасывается жабрами, специальными клетками, через которые протекает кровь, несущая все это.
В.Ф. Владислав Вильгельмович, к вам просьба расшифровать ещё один момент, который касается ваших исследований. А каков же механизм? Почему 5-7, почему не остановились на 9? Как это связано с биохимией? Здесь есть следующий уровень рассмотрения. Вы же понимаете, что должно быть объяснение, откуда те сакраментальные 5-7? Что за этим стоит? Регулятор биохимический? Либо экологический? Что, почему? Это от Бога или от какого-то эволюционного тормоза?
В.Х. Я попробовал уже объяснять, что формирование, во всяком случае, критического значения этих соленостей в экологии – это, скорее всего, изменение физико-химических свойств среды. Наверное, и в организме тоже – ниже этих же самых пределов та самая среда меняется очень невыгодно. Например, есть опыты академика Трошина, когда он разбавлял кровь лошади дистиллированной водой, и при перевале за 5-7 промилле эритроциты лопались. Нарушаются мембраны, нарушаются, наверное, биохимические процессы. Если мы представим себе наши белки, макромолекулы в виде полиионов, то есть в виде огромных глобулов молекул, которые сохраняют нативные свойства, благодаря неорганическим противоионам, так, наверное, и здесь играет роль внутренняя солёность, которая обеспечивает насыщение противоионов. Отсюда, наверное, и коагуляция белков…
В.Ф. Разные конформационные переходы на уровне макромолекул. Можно их свернуть, можно сделать так, что они начнут в клубки сворачиваться. Можно наоборот насытить, они будут растопыриваться. То есть, это регуляторный механизм биохимической активности макромолекул различной химической природы, на которых зиждется вся наша биохимия – это белки, это могут быть полисахариды, это полимеры, прежде всего. Переход одной конформации в другую… Первичная структура, которая задана последовательностью образующих эту цепь оснований. Вторичная структура – спирализация. Третичная структура – укладка этих спирализованных участков – всё это подчиняется и регулируется этим изменением состояния.
В.Х. Именно поэтому, наверное, и нормальная наша внутренняя солёность близка к критической.
В.Ф. Совершенно верно.
В.Х. Потому что благодаря минимальным изменениям в работе почек, ионорегулирующим механизмам можно каким-то образом влиять на конформацию макромолекул…
В.Ф. …и, стало быть, на всю биохимию наших жизненных процессов, будем так говорить.
В.Х. Поэтому-то мы и сохраняем всё это, выйдя в море.
Я хотел бы обратить внимание, если позволите, на ещё один интересный момент. Внутренняя среда изучается физиологией. Внешняя среда – экологией, которую мы с Вадимом Дмитриевичем в большей степени представляем здесь, чем физиологию. Но внутренняя среда изучается разными ведомствами. Они редко контактируют друг с другом. Наверное, это нехорошо, наверное, надо чаще обмениваться своими открытиями.
Физиология движется и медицинскими потребностями. Поэтому отсюда интерес к крови, к работе почек. Это же функционирование наших органов. И мне кажется, что иногда физиология может дать кое-что интересное и для экологии. В частности, в экологии много лет обсуждался вопрос: могут ли животные поглощать растворённое органическое вещество внекишечно? То есть через покровы.
Спор шёл чуть ли не столетия. О том, что поглощается, доказательств почти не было. То, что не поглощается, было показано перевязыванием рта конским волосом. И вдруг оказалось, что правы те медики, которые говорят, что эта растворённая органика, которая представлена мономерами, простыми сахарами, аминокислотами, всасывается через стенку кишечного тракта, меняясь на натрий. Она идёт в сторону нашей внутренней солёности.
Так вот оказалось, что поглощение растворённой органики совершенно естественно для морских, у которых внутренняя солёность достаточна и не годится для пресноводных. Поставлена была серия опытов – это оказался соленостнозависимый процесс. Тот процесс, который медики знали давно, всасывание веществ и транспортировка их через мембраны, этот процесс экологи узнали сравнительно недавно.
Ещё один момент очень интересный. Благодаря, наверное, той самой внутренней конформации, в нашем организме очень тонко работает регуляция пептидными гормонами. То есть белками, которые имеют строго сигнальное значение. Все наши железы внутренней секреции, органы, ткани часто разговаривают друг с другом пептидными гормонами, так регулируются тонкие циклы. Оказалось, что в море, это потрясающий факт, личинки сцифомедуз сидящие в виде полипов, ждут сигнала – когда можно будет весной размножаться, когда нагреется вода? При 15-16 градусах вода прогревается, и они начинают, как тарелки, на себе образовывать весной личинок медуз. Сигнал здесь – температура. Но оказалось, что если на наклонной плоскости, на скале, верхние полипчики прогреваются первыми, они выделяют совершенно конкретный белок, который сигнализирует всем другим, которые живут при холоде – пора готовиться, пришла весна. Температурного сигнала нет, сигнал только белковый. Я просто уверен, что сейчас надо искать эти сигнальные разговоры посредством стабилизированных белковых молекул между популяциями и видами в море.
А.Г. И всё-таки вернёмся к проблеме Арала, поскольку время как раз для этого осталось.
В.Ф. Ну, что же, я хочу продолжить линию Владислава Вильгельмовича, который абсолютно точно обрисовал внутреннюю сущность проблемы, которая легла в основу тех предложений, которые мы делаем – мы, представители всех тех разных биологических дисциплин, которые предлагают изменить стратегию восстановления Арала. Ясно совершенно, что у нас нет сейчас возможности спасти Аральское море, восстановить его в том виде, как это было несколько десятилетий назад. Поэтому в основе нашей стратегии – конкретные предложения. Я буду делать их поочерёдно, каждый раз мотивируя, почему надо делать так.
Западная глубоководная часть, которую питает в основном Амударья, где ещё осталось воды до 40 метров глубины, сейчас чётко отгораживается от большой испарительной площадки в восточной части и от севера, который питает Сырдарья. Поэтому сейчас есть возможность, не внося существенных изменений, направить в проекте внимание на то, чтобы попытаться как-то распреснить эту глубинную часть, которая теперь существует в виде протоки. Распреснить как-то, чтобы снизить и свести на нет избыточный соленостный фактор. Это единственный путь.
Что можно сделать? Известно, что Амударья ежегодно выбрасывает около 10 кубокилометров пресной воды. Есть возможность пропускать всю эту воду через западный рукав этой длинной части. Западную часть надо промывать для этого пресной водой, чтобы потихоньку снизить солёность, учитывая, что Амударья не каждый год даёт 10 кубокилометров. Бывают годы, когда она даёт даже ноль – в засушливые годы. Но в среднем, 7-8 кубокилометров есть. Значит, воду нужно направить вдоль для того, чтобы через северный узкий глубокий пролив промывалась солёность, удалялась из этого рукава. И как раз пресная вода будет попадать в центральную часть, где будет идти испарение.
Более того, точно такая же проблема связана с Сырдарьей, которая меньшую – верхнюю – часть Арала также будет промывать, и солёность будет уходить в испаряющую часть Аральского моря. За эту испаряющуюся часть нам сейчас бороться сложно. Надо поставить задачу – той водой, которую дают эти две реки, распреснять западную часть и северную часть. Причём, подсчёт показывает, что если 10 кубокилометров будут сбрасываться Амударьей, то потребуется примерно 10 лет, чтобы можно было уменьшить вдвое эту солёность.
Это уже будет 30 промилле, когда можно уже продуцировать виды, приспособленные к такой солёности. Спектр их не обязательно должен состоять из видов, которые были там изначально. Но здесь на помощь должны прийти ихтиологи и рекомендовать, подбирая виды, такую интродукцию, чтобы мы могли посмотреть, какие из них могли бы прижиться и составить основу круговорота пищевых цепей в этих двух маленьких районах.
Возникает вопрос: а что же делать с большой частью? Большую часть мы теряем и будем терять. Тут ничего поделать нельзя. Но есть – и Владислав Вильгельмович говорил об этом – виды, которые переносят и 200 промилле. Например, Артемия салина, один из любимых пищевых объектов всех наших аквариумистов, ею питаются безумное количество мелких рыб.
В.Х. Стартовый корм.
В.Ф. Поэтому можно в восточной части, в которой продолжает расти солёность, во-первых, культивировать Артемию салину, и это можно сделать промышленным процессом. Он отчасти будет даже выгоден с точки зрения производства товара.
И ещё. Сейчас есть много генетических работ, которые позволили поставить вопрос о продвижении многих растений и животных в сторону повышенной солёности. Сейчас есть генетические сорта риса, которые выдерживают до 12 промилле, есть и другие полезные сельскохозяйственные сорта. Значит, можно на это поле, которое потихоньку пересыхает, наступать с юга для того, чтобы попытаться внедрять именно солеустойчивые сорта, полученные, может быть, искусственно, полученные в лабораториях – они уже есть и их надо внедрять, чтобы мы могли использовать этот большой испаритель, который мы именуем восточной частью. По-видимому, других вариантов нет.
И поскольку у нас остаётся мало времени, я думаю, что всем понятно, что эти работы надо начинать сейчас уже. И только в этом направлении мы могли бы ожидать успеха, ради которого мы все это и затеяли. Это могут быть только международные проекты. Потому что они очень финансово-ёмкие, но другого пути у нас нет.
А.Г. Вы упоминали о проектах, которые были разработаны в советское время. Сейчас мэр Москвы предлагает перебросить часть стока северных рек в этом направлении. Как вы к этому относитесь?
В.Ф. Я боялся этого вопроса, имея абсолютно своё мнение по этому вопросу…
А.Г. Почему боялись-то?
В.Ф. Да потому что споры идут – надо, не надо. Некоторые за, некоторые против. Дело в том, что, конечно, весь вопрос в переброске. Да и был даже такой проект – даже с Каспия можно перебрасывать воду, но её надо будет через трубопроводы поднимать на 15 метров. Это чудовищно дорогой проект. Казалось бы, Сибирь более подходит для этого. Мы сейчас всё время должны бороться с весенними паводками в Сибири, очень много воды в Сибири, и надо её куда-то девать. Мы защищаем смытые деревни и прочее, прочее.
Да, можно поставить вопрос переброски. Но это должна быть локализованная переброска в определённые периоды и в основном… Сибирь богата такими реками. От Енисея можно брать, например. От Оби трудно уже брать, это более мелководная река и там будет осушение. Западная Сибирь очень болотистая, а мы знаем, к чему приводит исчезновение болот. Это вторые лёгкие нашей планеты.
Поэтому эти проекты можно рассматривать – как и мы предлагаем – в узком направлении, в стратегии удерживания. Мы должны знать, откуда мы имеем право брать и в какой период. Противники переброски в основном говорят: почему не надо брать реки? Ведь это вода, теплоёмкость её огромная, и выносится на север не просто большая масса воды, но и тепло. А что это означает? У нас есть много умных людей. Гидрологи подсчитали, климатологи подсчитали, что если температура ввиду сброса рек по северным артериям вдруг снизится на Северном Ледовитом океане на полтора-два градуса, это приведёт к замерзанию северного морского пути и вымиранию целых территорий. Никакие ледоколы уже этот лёд не пробьют. Поэтому нельзя сбрасывать огромные массы в Арал, это приведёт к изменению микроклимата Севморпути, и тогда наши ледоколы вообще не смогут обеспечить жизнь Севера.
А.Г. У меня ещё один вопрос. Подобно тому, как Каспийское море стало стремительно понижать свой уровень, а потом возвращаться к прежнему, может быть, и то, что происходит с Аральским, – это некие природные флуктуации, которые естественны для этого водохранилища?
В.Ф. Если бы это были природные флуктуации, то тогда бы мы не имели таких бесспорных фактов, как почти полное пересыхание в сухие годы Амударьи, потому что её воду просто разбирают на орошение полей и прочее. Эти факторы раньше не существовали, и поэтому могла формироваться та эндемичная фауна и флора, которую мы имеем в Арале. Но главная причина фактически – просто наступление человека на земли, расширение сельского хозяйства, своего рода урбанизация дельты Амударьи и Сырдарьи. Таких причин раньше не было и не могло быть. И поэтому я думаю, что это не флуктуации. Хотя они были, но были в более разумных пределах, потому что для формирования эндэмических видов требовалось гигантское количество лет. И если эта флуктуация может оборвать жизнь на Арале, то тогда, простите, что делает предшествующая флуктуация?
А.Г. Сколько лет Аралу?
В.Х. Самому Аралу не много, но впадине очень много.
В.Ф. По-моему, порядка двух миллионов лет. То, что сейчас образовалось, это и было раньше первым фарватером для сброса этих рек.
А.Г. Часть большого внутреннего моря.
В.Ф. И фактически оно было проточным. И в период большого половодья оно наполнялось. И эта масса воды играла стабилизирующую роль. Поэтому небольшие флуктуации соленостей ещё ничего не решали, ещё ничего не нарушали. Из-за этого не исчезали лопатоносы и другие виды. А теперь их просто нет. Их уже нет. И нет рыбаков там уже. Теперь они переходят на рис, переходят на сельское хозяйство. И поэтому очень важны эти устойчивые к солёности искусственные сорта риса, выведенные в лабораториях. Получается, что население изменило свою профессию. Вместо рыболовства они теперь пытаются внедрять совсем другие типы деятельности, не имея исторического навыка.
А.Г. Но, кроме того, рис ведь требует ещё большего оводнения. Вода забирается…
В.Ф. Да, это правильно. Но мы куда её сбрасываем? Туда же. Там ещё дренажные воды, сливы с полей идут, которые содержат пестициды, они содержат ещё и вымываемые биогенные вещества. Поэтому здесь палка о двух концах. С одной стороны, стимулируется процесс первичного включения фотосинтеза, а с другой стороны, получается как бы накопитель и привносятся как раз пестициды, которые, нас уверяют, теперь всё меньше и меньше якобы потребляются. Но в общем, практика говорит немножко об обратном.
А.Г. А кто-то из эндемичных видов ещё остался в Арале, или уже всё, там совсем мёртвое море?
В.Ф. Нет, в Амударье осталось несколько эндемичных видов. Сейчас как раз ихтиологи спорят: на Балхаше как будто бы тоже есть такие виды, но генетики должны показать – это оставшиеся старые популяции или это возникшие параллельно популяции, и тогда это не имеет смысла. Тогда ничего не осталось. Это как раз генетика популяций рыб, это ихтиологи должны решить.
А.Г. Интродукция новых видов: если будет достигнута солёность около 30 промилле, то это могут быть и океанические рыбы?
В.Х. Одно время в Хаджибее была солёность около 30 промилле. И туда для акклиматизации привозились дальневосточные креветки. Дальше опыт был прекращён, но довольно долгое время эксперимент проходил успешно. Фактически, создание новых…
Перенос излучения
19.08.03
(хр.00:42:51)
Участник:
Юрий Николаевич Барабаненков – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: Для меня «фотоника» – это неологизм. В моей жизни впервые встречается это слово, хотя слово «фотон» мне известно и я понимаю, что это производное. Но всё-таки чем занимается эта наука?
Юрий Барабаненков: Вы знаете, мне бы не хотелось начинать с фотоники, потому что эту тему я оставляю для завершения разговора.
А.Г. Хорошо, начните с того, с чего вам удобно.
Ю.Б. Я хотел бы начать с того, что тема нашей беседы формулируется как «Перенос излучения в рассеивающих средах». И в рамках этой темы я хотел бы обсудить следующие 4 вопроса. Первый вопрос. В чём заключаются основные представления о переносе излучения в рассеивающих средах и как эти представления изменялись с годами по мере изучения новых явлений, новых сред. Первый вопрос. Он касается феноменологического и микроскопического подходов при рассмотрении вопросов переноса излучения в рассеивающей среде. Третий вопрос. Как изменились феноменологические представления о переносе излучения в рассеивающих средах после предсказания явления локализации излучения в рассеивающих средах. И четвёртый вопрос касается того, насколько феноменологические представления в состоянии оказать какую-то заметную помощь при исследовании оптических свойств так называемых фотонных кристаллов.
Замечу, что большой интерес к явлениям переноса излучения в рассеивающих средах связан с тем, что эти явления весьма часто встречаются в природе. Поэтому такие области науки и техники как связь, зондирование сред, обнаружение объектов, передача изображений, биооптика, молекулярная оптика постоянно сталкиваются с проблемами распространения и рассеивания электромагнитного излучения, радиоизлучения, СВЧ и оптических частот в средах со случайными неоднородностями, в рассеивающих средах. Примерами таких сред могут быть турбулентная атмосфера и турбулентный океан. Это такие геофизические явления как ураган, дождь, град, снег, как песчаные бури. Это такие объекты как лесные покровы, листья и такие объекты как фотографические слои, люминесцентные экраны, бумага, биологические объекты с клетками и так далее. Все это примеры переноса электромагнитного излучения в рассеивающих средах. Можно было бы ещё назвать такие примеры как перенос акустического излучения в турбулентной атмосфере или же перенос тепловых нейтронов в жидкости и другие. Примеров очень много.
При рассмотрении вопросов распространения излучения в рассеивающих средах применяются два подхода: феноменологический и микроскопический подходы. Феноменологический подход более старый. Он исходит непосредственно от самого явления («феноменон» – явление и «логос» – просто логика). В этом случае никаких особенных гипотез о строении рассеивающей среды не делается, и главный упор делается на соблюдении закона сохранения энергии, который применяется к узким по направлению распространения лучам. Вот, собственно говоря, на этой первой картинке, которая показывается, и иллюстрируются основные представления фенологического подхода.
Согласно этому подходу, рассеивающая среда рассматривается как набор эффективных рассеивающих неоднородностей или элементарных объёмов, которые как-то разбросаны в пространстве. На каждой такой неоднородности излучение испытывает элементарный акт рассеивания с каким-то угловым распределением и далее происходит свободный пробег этого излучения до следующей неоднородности, на которой оно опять рассеивается. Вот, собственно говоря, основа феноменологических представлений. В основе аналитических представлений здесь лежит так называемое «уравнение переноса», которое формулирует энергетический баланс при таком рассеянии излучения и где главная величина – это лучевая интенсивность. Это поток энергии в заданные точки и в заданном направлении.
Микроскопический же подход исходит уже из некоторой модели рассеивающей среды и пользуется волновыми уравнениями. Кроме того, при микроскопическом подходе учитывается, что частицы среды случайно распределены в пространстве, то есть их распределение флуктуирует. И, кроме того, само волновое поле при этом тоже становится флюктуирующим.
Феноменологические представления появились в конце позапрошлого столетия и начале прошлого в трудах Хвольсона, Шварцшильда и Шустера при изучении распространения света в молочных стёклах, солнечной атмосфере и туманной атмосфере Земли. Далее эти представления были усовершенствованы в работах Соболева, Чандрасекара, Розенберга. Усовершенствованы по форме, но не по содержанию – для учёта эффектов поляризации излучения. И вот в таком виде эти феноменологические представления успешно разрабатывались до 60-х годов прошлого столетия, после чего возникла необходимость эти представления критически переосмыслить.
Такая необходимость возникла в связи с предсказанием явления локализации излучения, которое с феноменологическими представлениями не согласовывалось. Однако для большинства задач эти представления успешно применялись, и было установлено существование трех основных режимов распространения излучения через рассеивающую среду: баллистический, промежуточный и диффузионный режимы. При баллистическом режиме излучение в основном идёт вперёд и несколько ослабевает вследствие того, что отдельные лучи выбывают из первоначального потока вследствие рассеяния. Этот баллистический режим действует где-то около поверхности среды, на которую падает излучение, или недалеко от источника. При промежуточном режиме уже произошло заметное число актов рассеяния на отдельных неоднородностях, и траектория движения излучения представляет из себя некую ломаную, узлы которой расположены на этих неоднородностях. И наконец, диффузионный режим действует в глубоких слоях рассеивающей среды, когда произошло много актов рассеяния. В области диффузионного режима поле излучения является почти изотропным.
Конечно, самым сложным является промежуточный режим. Я буду благодарен, если покажут картинку №2. Для исследования переноса излучения в области промежуточного режима до 60-х годов прошлого столетия было разработано много эффективных подходов, но особенно интересным оказался подход, предложенный Амбарцумяном в 1943 году. Этот подход получил название «метод сложения слоёв». Согласно этому подходу, рассеивающая среда мысленно расслаивалась на параллельные срезы с небольшими зазорами между ними. И далее рассматривались потоки излучения в зазорах между срезами, а также отражённые всей средой излучения и прошедшие через весь слой среды излучения. Важнейшим достоинством метода сложения слоёв Амбарцумяна является то, что он позволяет рассчитывать коэффициент отражения последовательно, начиная от нижнего среза и передвигаясь к верхнему срезу. То есть при этом коэффициент отражения рассчитывается примерно так же, как рассчитывается траектория движения частиц в заданном силовом поле, согласно механике Ньютона. В этом проявляется некоторый вариант так называемой оптико-механической аналогии – аналогии между оптикой и механикой.