Скачать fb2
Солнечный луч

Солнечный луч

Аннотация

    В книге рассказывается о роли Солнца и солнечного света в возникновении и развитии жизни на Земле, в процессах фотосинтеза. Анализируются физическая природа и особенности действия на организм видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей; рассматривается влияние физических процессов, протекающих в недрах Солнца, на ритм разнообразных процессов в биосфере. Особое внимание автор уделяет изучению воздействия солнечных лучей на организм человека.
    Утверждено к печати редколлегией серии научно-популярных изданий Академии наук СССР


    Солнечные лучи несут с собой солнечную массу. Свет — не бестелесный посланник Солнца, а само Солнце, часть его, долетевшая до нас в совершенной, раскрытой, в энергетическом смысле, форме, в форме слота.
С. И. Вавилов [С. И. Вавилов. Глаз и Солнце. М., Изд-во АН СССР, 1956, с. 79.]
    Обзор физических и химических свойств жизни должен начинаться не с Земли, а с Солнца, точнее, с самого его центра. Именно здесь находится источник энергии, которую Солнце непрерывно излучает в пространство в виде света и тепла.
М. Овенден [М. Овенден. Жизнь во Вселенной. М., «Мир», 1965, с. 17.] 

Введение

    Солнечный луч — обязательная и необходимая составная часть нашего мира. Естественный и вездесущий, как сама жизнь, он встречает каждого из нас на самом пороге жизни. Геологические катаклизмы и драмы мировой истории, великие оледенения и дрейф континентов, землетрясения и извержения вулканов, всемирные потопы и образование коралловых островов, процессы химической и биологической эволюции, рост и плодоношение великого древа жизни, на котором человечество — лишь одна из бесчисленных ветвей,— все эти главы истории Земли проходят одна за другой под лучами Солнца. Но Солнце — не просто часть равнодушной природы, не пассивный фон, а активный участник событий на Земле.
    В первобытной атмосфере безжизненной еще Земли излучение Солнца было одним из активных стимулов образования (из простейших молекул метана, водорода, аммиака и окиси углерода) различных органических веществ — исходного материала для возникновения первичных форм жизни. С появлением живых существ солнечный свет стал играть все более широкую и разнообразную роль в преобразовании лика Земли. Энергия солнечных лучей в процессе фотосинтеза обусловила выход свободного кислорода в атмосферу, сделала воздух пригодным для дыхания. Под лучами Солнца кислород на больших высотах в атмосфере превратился в своеобразный озоновый шатер, оберегающий нежные ростки жизни от горячего дыхания светила.
    Энергия излучения Солнца была, особенно на ранних этапах развития жизни па Земле, одним из важнейших факторов изменчивости, одной из движущих сил эволюции, так как способствовала возникновению многочисленных мутаций — исходного материала для естественного отбора.
    Спектральный состав и энергетика солнечного света наложили свой непосредственный отпечаток на формирование органа зрения, стали для всего животного мира основным каналом поступления информации о среде обитания.
    Использование свободной энергии солнечных лучей сделало возможным возникновение все более сложных органических соединений вплоть до биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Если строительные материалы, необходимые для возведения столь сложных молекулярных конструкций — атомы углерода, водорода, кислорода, азота и также фосфора, серы и некоторых других элементов,— имелись в изобилии на Земле, то энергия, необходимая для осуществления синтеза, имела в основном внеземное происхождение, поступала из неисчерпаемого источника — Солнца.
    Благодаря фотосинтезу, осуществляющемуся в тканях зеленого растения, в зернах хлорофилла, на земной поверхности накопилась такая огромная масса органического вещества, что стало возможным возникновение животного мира и его наиболее высокоорганизованной формы — человека, вида Homo sapiens.
    «Когда-то, где-то на Землю упал луч Солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, оп рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода [По современным представлениям энергия света расходуется на расщепление молекул воды], соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. В той или иной форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. ...И вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы нашего тела. При этом луч Солнца, таившийся в них в виде химического напряжения, вновь принимает форму явной силы. Этот луч Солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу» [К. А. Тимирязев. Растение как источник силы (1875 г.). Избр. соч., т. I. M., Сельхозгиз, 1948, с. 203.].
    Итак, Солнце было родителем и повивальной бабкой жизни. Солнечный луч с незапамятных времен (жизнь на Земле, по подсчетам ученых, существует не менее 3— 3,5 млрд. лет) и до сего дня непрерывно заряжает энергией машину жизни-, стимулирует появление все новых жизненных форм, эволюцию живого против энтропии — в направлении создания более сложных и совершенных живых существ. Венец биологической эволюции на Земле — человек — сумел возвыситься над природой, стал элементом нового качества — человеческого общества, социальной формы существования и движения материи. По мере развития психики, трудовой деятельности, членораздельной речи, письменности, человек стал изменять условия своей жизни, развивать собственные возможности, знания и умения совершенно невиданными для биологической (и тем более геологической) истории Земли темпами. Опираясь на накопленные предыдущими поколениями производительные силы, на багаж научных знаний, производственное мастерство, человек все в более широких, теперь уже глобальных масштабах преобразует Землю, создает вторую, рукотворную природу — гигантские города, промышленные предприятия, плотины и водохранилища, каналы и нефтепроводы, линии электропередач и рудники.
    Но и в своей преобразующей деятельности человечество использует почти исключительно энергию солнечного света, законсервированную в нефти, каменном угле, газе, древесине, в энергия ветра и падающей воды. Все в более широких масштабах оно начинает использовать и непосредственно энергию солнечного света для опреснения воды, получения электроэнергии и т. п. Солнечные батареи обеспечивают энергией спутники Земли, космические корабли и автоматические станции, исследующие Луну, Венеру, Марс. Энергия солнечных лучей будет служить людям и при более далеких и продолжительных космических полетах, и при создании внеземных поселений. Земная жизнь, с первых своих шагов связанная с солнечным светом неразрывными узами, сохранит и преумножит эти связи и в будущем, когда, покинув свою земную колыбель, человечество в соответствии с гениальным предвидением К. Э. Циолковского приступит к планомерному завоеванию околосолнечного пространства.
    Вот почему так важно и интересно узнать побольше о луче Солнца, о его физической природе, возникновении и распространении, познакомиться поближе с возможностями, скрытыми в солнечной энергии.
    Автор рассчитывает, что эта книга в какой-то мере удовлетворит естественный интерес читателей к проблеме «Солнечный луч и жизнь на Земле». 

Глава I.
Солнце и жизнь на Земле

    Возникновение жизни на поверхности Земли — одной из планет, вращающихся вокруг Солнца, стало возможным на определенном этапе эволюции солнечной системы. В силу сочетания таких факторов, как соотношение масс Солнца и Земли, расстояние между ними, интенсивность солнечного излучения, прозрачность и состав земной ат­мосферы и т. п., создались условия для возникновения простейших форм жизни. Но еще задолго до этого судьба Земли была теснейшим образом связана с Солнцем, в семье которого — Солнечной системе — Земля казалась с самого начала одним из обычных, ничем не примеча­тельных отпрысков.

Прошлое, настоящее и будущее Солнечной системы

    Солнце — это звезда. По своим размерам, массе, температуре поверхности, световому потоку Солнце принадлежит к числу наиболее распространенных, типичных для нашей Галактики звезд. Это сравнительно холодная желтая звезда (температура поверхности Солнца «всего» около 6000°) спектрального класса G2 —заурядное светило среди миллиардов звезд. На диаграмме Герцшпрунга — Рессела (рис. 1) графически изображена связь между светимостью звезды (зависящей от ее массы, размеров, температуры и характеризующейся абсолютной звездной величиной) и спектральным составом ее излучения (спектральный класс, обусловленный температурой поверхности звезды). Солнце, обозначенное крестиком, расположено в самой середине так называемой главной последовательности — сравнительно узкой полосы, протянувшейся от левого верхнего к правому нижнему углу диаграммы.
   
Рис. 1. Диаграмма Герцшпрунга — Рессела для ярчайших звезд неба и звезд, расположенных ближе 4 парсек к Солнцу.
Указаны последовательность сверхгигантов (Iа), гигантов (III) и главная последовательность (V), в центре которой расположено Солнце. Шкала показателя цвета В — V соответствует спектральным классам звезд главной последовательности. Звездочкой обозначены ярчайшие звезды неба, точкой — звезды, расположенные ближе 4 парсек к Солнцу.

    Но в недрах этой ничем не примечательной звезды вот уже 5 млрд. лет совершается таинство освобождения и излучения в мировое пространство гигантских количеств лучистой энергии. Этот процесс и есть главнейшая предпосылка возникновения, существования и развития жизни. Эволюция Земли, возникновение и прогресс жизни на ее поверхности есть частный случай, одно из многочисленных следствий существования нашего светила, эволюции солнечной системы.
    Как и другие звезды, Солнце, очевидно, возникло из газопылевого облака межзвездной материи под влиянием взаимного притяжения частиц. Силы всемирного тяготения довольно быстро (по астрономическим масштабам) превращают такое облако в относительно плотный и непрозрачный газовый шар. По мере гравитационного сжатия (а силы тяготения тем больше, чем больше масса шара) давление и температура в центральных областях будущей звезды довольно быстро растут. Газовый шар начинает светиться. Но только тогда, когда разогрев его недр запускает термоядерную топку, когда в процессе самосожжения водорода начинает освобождаться внутриядерная энергия, а светимость и температура газа резко возрастают,— газовый шар становится звездой. При этом давление и температура в ее недрах достигают величин, препятствующих дальнейшему гравитационному сжатию. Размеры звезды становятся стабильными.
    Если температура поверхности Солнца не превышает 6000° С, то в его центральных областях она достигает 15—25 млн. градусов. Каждую секунду Солнце излучает 4·1033 эрг световой энергии, что соответствует превращению 600 млн. т водорода в гелий. И это самосожжение продолжается с постоянной интенсивностью не менее 4,5 млрд. лет! Таковы масштабы процесса, которому мы с вами обязаны жизнью. Конечно, масса Солнца огромна, выражается поистине астрономическими цифрами: 2,00·1033 г или 2,00·1027 т, что соответствует 333 343 массам Земли. За миллиарды лет существования Солнца лишь доли процента этой гигантской массы улетучились в виде излучения. Но, разумеется, всему есть предел. Устойчивое свечение звезды за счет термоядерных реакций не может продолжаться бесконечно долго. То Солнце, которое мы видим и можем изучать — это только один из этапов в биографии звезды, период в ее миллиардолетней истории.
    Вещество наружных слоев звезды вследствие относительно низкой температуры и слабого перемешивания о веществом ядра в термоядерных реакциях не участвует. Высокое содержание водорода (и гелия) в нем сохраняется неизменным. В центральных же областях звезды водород и гелий постепенно выгорают, выделение термоядерной энергии начинает уменьшаться и, наконец, прекращается. Одновременно нарушается устойчивое равновесие между силами тяготения и силами внутреннего давления, которое миллиарды лет поддерживало стабильное существование и свечение звезды. Противодействие силам тяготения становится недостаточным — ядро звезды начинает сжиматься и по мере уплотнения разогревается.
    Термоядерные реакции продолжаются в сравнительно тонком слое между горячим и плотным ядром звезды и сравнительно холодными, разреженными периферическими слоями. Дальнейшие судьбы ядра и периферии звезды различны. Размеры звезды и ее светимость постепенно возрастают: она становится красным гигантом, вступает в период нестабильности, сравнительно быстрой эволюции. Когда термоядерные реакции исчерпывают себя, то в тонком слое, окружающем плотное ядро, звезда как бы «сбрасывает» свою наружную оболочку. Периферические слои звезды удаляются с большей или меньшей скоростью от ядра и через несколько десятков тысяч лет рассеются в мировом пространстве. Так за стадией красного гиганта возникает планетарная туманность, а после рассеивания ее наружной оболочки остается очень горячая небольшая плотная звезда. Постепенно остывая, она превращается в белый карлик — заключительный этап эволюции звезд.
    Такова общая схема. Скорости прохождения отдельных этапов зависят главным образом от первоначальной массы звезды. Те многочисленные звезды нашей Галактики, масса которых больше Солнца хотя бы па 15—20%, эволюционируют значительно быстрее Солнца. Многие из них уже достигли стадии белого карлика. А если масса звезды превышает определенную критическую величину (примерно в 1,5 раза больше солнечной), ее развитие оказывается еще более бурным. Выгорание водорода и гелия в центральных областях массивных звезд приводит к более интенсивному гравитационному сжатию и завершается грандиозной космической катастрофой. Сбрасывание оболочки такой звезды происходит в форме взрыва, во время которого светимость, яркость звезды внезапно возрастает в десятки и сотни тысяч раз. На месте скромной и малозаметной звездочки (в силу ее отдаленности от Земли) вдруг вспыхивает яркая звезда, свет которой может конкурировать даже с полной Луной. Такие звезды астрономы называют сверхновыми.
    Древние китайские летописи рассказывают, что в 1049 г. произошла вспышка ярчайшей звезды. В современные телескопы удалось рассмотреть в том участке неба, где когда-то зажглась сверхновая, так называемую Крабовидную туманность. В центре се сияет довольно яркая звезда, а оболочка (собственно, туманность) разлетается от нее с такой скоростью, что обратный расчет подтверждает: эта туманность действительно образовалась в середине XI в.
    Взрыв сверхновой — это гигантский термоядерный котел, в котором рождаются тяжелые элементы (расположенные дальше в таблице Менделеева, чем железо), не образующиеся в недрах звезд в обычных условиях. Взрыв звезды разбрасывает осколки ее вещества, часть которых затем под влиянием сил тяготения вновь стягивается в одно тело и дает начало новому светилу — звезде второго поколения, масса которой существенно меньше первоначальной. Поскольку возраст нашей Галактики — около 20 млрд. лет, некоторые ее звезды могли пройти даже два-три и более подобных периода взрывного уменьшения массы, пока она не достигла значения ниже критического. Благодаря спектральным исследованиям ученые обнаружили в составе Солнца почти все элементы таблицы Менделеева, в том числе и более тяжелые, чем железо; это позволяет думать, что наше светило — звезда второго поколения.
    Расчеты ученых показывают, что по крайней мере еще 6 млрд. лет Солнце будет устойчиво и стабильно излучать энергию. Только примерно через 8 млрд. лет оно станет красным гигантом. Но еще задолго до того, как раскаленные слои красного чудовища, в которое превратится когда-то наше доброе Солнце, поглотят все околосолнечное пространство с орбитами Меркурия, Венеры и Земли, все живое на Земле будет сожжено тысячекратно возросшим смертоносным потоком излучения. К тому времени, когда Земля перестанет быть уютным жилищем для людей, человечество, несомненно, сумеет осуществить переселение на планеты более молодых звездных систем, отыщет или создаст условия для своего дальнейшего нормального существования и развития.
    История Земли и других планет солнечной системы теснейшим образом связана с эволюцией центрального светила. Разнообразные научные теории, пытающиеся объяснить возникновение Земли и планет, так или иначе связывают его с Солнцем. Одна из теорий, выдвинутая в середине XVIII в. французским ученым Ж. Бюффоном, а в XX в. развитая американскими учеными Чемберленом и Мультоном и английскими физиками Дж. Джинсом и Г. Джеффрисом, прямо предполагала, что Земля и другие планеты состоят из вещества Солнца. Чтобы объяснить, как большая масса вещества оказалась вырванной из объятий солнечного тяготения, пришлось допустить столкновение Солнца с другой звездой (Джине и Джеффрис) или кометой (Бюффон), либо чудовищной силы взрыв на самом Солнце (Чемберлен и Мультон), либо прохождение вблизи Солнца другой звезды, вырвавшей значительную массу вещества из сферы притяжения Солнца.
    Так или иначе, эта теория связывала возникновение планет с крайне редким и маловероятным событием и, следовательно, признавала исключительность солнечной планетной системы, земной жизни. Вещество Земли и других планет, согласно этой теории, было сначала расплавленным, а затем остыло.
    По мере накопления знаний о Земле и о Вселенной ошибочность этой теории становилась все более очевидной. Косвенные данные, а также прямые наблюдения убедили ученых, что планетные системы есть, по-видимому, у большинства звезд, расположенных на расстоянии 20—30 световых лет от Солнца. Значит, солнечная система — не исключение, а скорее правило. Для возникновения планет должен существовать общий и постоянно действующий механизм, не имеющий ничего общего с гипотезой столкновения.
    Изучение земной коры до глубин в 5—7 км привело ученых также к убеждению, что горные породы нашей планеты скорее всего не были с самого начала расплавленными, а подверглись частичному разогреву и расплавлению вторично в результате радиоактивного распада. Значит, Земля (и, вероятно, другие планеты солнечной системы) возникла не из раскаленного солнечного вещества, а из холодной газопылевой материи, которая послужила материалом для образования самого Солнца. Это привело к возрождению некоторых старых представлений и способствовало появлению новых теорий.
    Еще во второй половине XVIII в. немецкий философ Кант и французский математик Лаплас высказали мысль, что Солнце и планеты образовались из одного и того же облака газопылевой материи. По мере сжатия туманности скорость ее вращения увеличивалась, облако сплющивалось в диск. Края диска вращались настолько быстро, что отрывались от него, образовывая ряд колец, расположенных приблизительно в плоскости экватора облака. В конце концов из центральной части диска сформировалось Солнце, а из колец — планеты. Эта теория отлично объясняла процесс образования звездных и планетных систем, не прибегая к помощи столкновений, взрывов и тому подобных маловероятных событий, исходя лишь из закона всемирного тяготения. Простое объяснение получил и факт расположения планетных орбит солнечной системы приблизительно в одной плоскости. Наконец, эта теория предполагает «холодное» образование Земли из того же материала, из которого возникло Солнце. Теория Канта — Лапласа была развита и усовершенствована в XIX—XX вв., но главное ее содержание сохранилось неизменным.
    Наконец, третья группа теорий, также допускающая «холодное» рождение Земли, предполагает, что Солнце в процессе движения вокруг центра Галактики благодаря силам притяжения захватывало вещество газопылевых скоплений, из которого затем формировались планеты. Впервые эту «теорию захвата» выдвинул в 1943 г. академик О. Ю. Шмидт. Американский астрофизик Г. Юри, развивая эту теорию, предположил, что образование небесных тел, подобных Луне, и их обломков происходило задолго до формирования солнечной системы, возможно, в результате взрыва звезды первого поколения — предшественницы Солнца. Под влиянием солнечного ветра и светового давления легкие атомы выталкивались на периферию. Когда началось формирование планет, ближайшие к Солнцу Меркурий, Венера, Земля и Марс оказались построенными из более тяжелого вещества, чем внешние планеты. Лишь сравнительно легкая Луна, по представлениям Юри, является остатком ранней стадии формирования солнечной системы.
    С точки зрения возникновения жизни на Земле теории захвата и одновременного формирования Солнца и планет равно вероятны и допускают одинаковую эволюцию условий на поверхности Земли, холодной планеты, подвергшейся затем вторичному разогреву и частичному расплавлению. Разница заключается лишь в том, что возраст Земли, согласно теории захвата, может быть и больше, и меньше возраста Солнца, тогда как теория Канта — Лапласа в ее современном варианте предполагает примерно одновременное формирование Солнца и планет.
    Наша планета все еще недостаточно исследована, чтобы можно было на основании изучения земных пород четко определить ее возраст. Имеющиеся данные дают ориентировочную цифру, близкую к 4,5 млрд. лет. Наука сегодняшнего дня, очевидно, близка к признанию «холодного» рождения Земли в период, отдаленный от наших дней примерно на 5 млрд. лет. Во всяком случае, современные теории возникновения жизни на Земле исходят из этого допущения. Но и в случае рождения Земли из холодного материала роль Солнца в формировании планетной системы, в эволюции условий на поверхности Земли, необходимых для рождения жизни, огромна.

Как возникла жизнь

    Многие сотни, а может быть, и тысячи лет ищут люди ответ на этот вопрос. И чем дальше шагает в будущее человечество, тем большую остроту он приобретает. Но конкретные пути и возможности разгадки тайны зарождения земной жизни весьма немногочисленны и очень затруднены. Ведь интересующие нас первые, простейшие, начальные формы жизни, существовавшие 3—3,5 млрд. лет назад (а может быть и ранее), давным-давно исчезли под натиском своих более сильных, более приспособленных к земным условиям потомков. И даже если бы процесс рождения жизни из неживого материала повторился на Земле в наши дни (что маловероятно), человечеству вряд ли удалось бы познакомиться с нашими возродившимися предками: простейшие живые формы неминуемо были бы уничтожены современными микроорганизмами.
    В распоряжении науки остаются лишь косвенные, окольные пути. О возникновении жизни на Земле мы можем судить по разнообразным уцелевшим остаткам ее древних форм (но наиболее интересные, наиболее древние существа не оставили никаких следов!), по разрозненным данным геологии, палеонтологии, астрономии, физики, химии, генетики.
    Еще 100—200 лет назад таких разрозненных данных было совершенно недостаточно, чтобы сделать даже самую первую попытку научного рассмотрения этого вопроса. Великие ученые-биологи XVIII—XIX вв. Луи Пастер, Клод Бернар, Герман Гельмгольц, отвергая идеи «сотворения» живых существ в прошлом, их самозарождения в настоящее время (что было важной победой научной биологии), в то же время не могли противопоставить им строго обоснованную материалистическую теорию возникновения жизни. Если Omnis cellula e cellula (каждая клетка — из клетки), то как возникла первая клетка? Ответ па этот вопрос в рамках метафизического материализма, отрицающего развитие, не мог быть получен. Да и фактов, относящихся к проблеме возникновения жизни, было тогда слишком мало. Вот почему выдающиеся биологи-материалисты XIX в. либо оставляли открытым вопрос о возникновении жизни, либо отстаивали мысль о вечности жизни: «...ничто не рождается, ничто не творится, а все продолжается. Природа не представляет нам ни одного акта творения; она есть вечное продолжение» [К. Бернар. Жизненные явления, общие животным и растениям 1878, с. 53.]. «Пройдет еще немало времени, прежде чем мы сможем сами увидеть, как слизь, или протоплазма, или что-либо в этом роде породит живое существо... Рассуждать в настоящее время о возникновении жизни просто нелепо. С таким же успехом можно говорить о возникновении материи» [Ч. Дарвин. Из письма к Дж. Д. Гукэру, 29 марта 1863 г.].
    В геологическом и тем более в астрономическом масштабе времени столетие — срок ничтожный. Однако последнее столетие принесло несравненно больше фактов, гипотез, теорий, относящихся к проблеме возникновения жизни, чем тысячелетия предшествующего развития науки. Сегодня над загадкой жизни бьются не ученые-одиночки, а целые научные коллективы, тысячи ученых. Первая подлинно научная теория происхождения жизни была создана в 1924 г. советским ученым А. И. Опариным. Значительный вклад в эту проблему внесли и другие советские ученые: Н. Холодный, А. Г. Пасынский, А. Н. Теренин, английские исследователи Дж. Холдейн, Дж. Бернал, американцы М. Кальвин, С. Фоке, С. Миллер, К. Поннамперума, К. Саган, Г. Юри, Дж. Оро, японский ученый Ш. Акабори и другие. Из крупиц истины, отдельных опытов, предположений, сопоставлений постепенно складывается стройная картина далекого прошлого нашей планеты, картина зарождения жизни.
    Начальный период возникновения жизни был, вероятно, и самым длительным. Миллиарды лет потребовались для возникновения первых, самых примитивных жизненных форм. Следующие этапы эволюции живого совершались уже быстрее. А биологическая история человека насчитывает «всего» два, максимум три миллиона лет.
    С чего же начался процесс образования живого? На этот вопрос можно дать точный ответ: с образования на поверхности нашей планеты органических веществ, соединений углерода. Именно этот элемент обладает уникальной способностью образовывать длинные цепочки из десятков, сотен и даже тысяч атомов — скелет органических молекул. Сложные органические соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором и другими элементами — это строительный материал живых тел. Из таких молекул состоят и вещества жизни — нуклеиновые кислоты и белки.
    Биологической эволюции, процессу развития живых организмов на Земле, очевидно, предшествовала эволюция химическая — процесс абиотического (вне организма) образования все более сложных соединений углерода. Простейшие из них — углеводороды — обнаружены во всей доступной наблюдению Вселенной: и в раскаленной атмосфере звезд (в том числе и Солнца), и в холодных газопылевых облаках межзвездной среды, и на поверхности больших планет и их спутников, и в веществе космических странниц — комет, и в упавших на Землю метеоритах. Были они, очевидно, и на древней, еще безжизненной Земле.
    Чтобы понять, как совершался переход от углеводородов к более сложным соединениям углерода, нужно ясно представить себе условия на первобытной Земле, состав ее атмосферы.
    Древнейшая атмосфера Земли состояла в основном из водорода с примесью гелия — самых легких элементов, наиболее распространенных во Вселенной, в том материале, из которого формировалась древняя Земля. Однако притяжение Земли оказалось недостаточным, чтобы удержать эту легкую атмосферу. Спустя определенное время водород почти полностью улетучился в мировое пространство. На смену водородно-гелиевой пришла первичная атмосфера Земли, состоявшая из простейшего углеводорода метана, водяных паров, аммиака, а также, вероятно, сероводорода, некоторого количества углекислоты и окиси углерода. Все эти газы выделялись из горных пород по мере постепенного радиогенного разогрева Земли. В этой-то атмосфере и начали действовать силы, способствовавшие возникновению разнообразных и достаточно сложных соединений углерода.
    Какие это силы? Это ионизирующие излучения (космические лучи и излучение радиоактивных изотопов земной коры), ультрафиолетовое излучение Солнца, атмосферные электрические разряды (молнии), извержения вулканов, удары метеоритов. Из пяти перечисленных источников энергии именно ультрафиолетовые лучи Солнца — наиболее мощный, постоянно и глобально действующий фактор — сыграли самую выдающуюся роль.
    Чтобы узнать, какие вещества могли возникать в первичной атмосфере Земли под влиянием названных выше источников энергии, нужны точные эксперименты, в которых бы смесь газов подвергалась воздействию одной из этих сил. Такие опыты ставились во многих странах начиная с 1950 г. Первый опыт с облучением смеси С02, водяных паров, водорода (в присутствии ионов железа Fe++) а-частицами с энергией 40 Мэв был поставлен в 1950 г. М. Кальвином. Ученому удалось обнаружить образование муравьиной кислоты и формальдегида.
    В 1953 г. американский биохимик С. Миллер в смесь газов ввел аммиак, что сразу увеличило количество возникающих веществ. Кроме того, в установке было предусмотрено удаление из реагирующей смеси образующихся соединений. В этой смеси при электрическом разряде образуются циан, а также аминокислоты и альдегиды — достаточно сложные и важные органические соединения.
    Советские ученые А. Н. Теренин, Т. А. Павловская и А. Г. Пасынский в 1955—1960 гг. использовали действие ультрафиолетовых лучей и наблюдали образование в газовой смеси, имитирующей первичную атмосферу Земли, аминокислот глицина, аланина, ряда карбоновых кислот и т. п. Американский ученый С. Фоке получил сходные результаты, пропуская смесь газов через горячую трубку.
    Интересно, что набор возникающих органических соединений почти не зависит от источника энергии и определяется исключительно составом смеси газов и соотношением их элементов.
    После всех описанных выше опытов стало ясно, что в атмосфере древней Земли естественным абиогенным путем возникали такие сложные органические молекулы, как аминокислоты глицин, аланин, серии, валин, пролин — составные части белков; аденин и азотистые основания — компоненты нуклеиновых кислот; формальдегид и сахара — продукты его конденсации; простейшие жирные кислоты, а также цианиды, выступающие в роли катализаторов (ускорителей) синтеза органических соединений. Таким образом, можно считать доказанным образование на древней Земле основных видов органических молекул.
    Следующий этап химической эволюции — образование полимеров, гигантских молекул, столь характерных для всех форм жизни. Этот новый этап стал возможен после того, как на Земле накопились большие количества мономеров — простых органических соединений, перечисленных выше. В месте их образования, в атмосфере, концентрация этих веществ не могла быть большой: те же факторы, которые способствовали образованию органических соединений, обусловливали их разрушение. Очевидно, молекулы образовавшихся соединений вымывались из атмосферы дождями и попадали в водоемы, в первичный древний океан. Здесь они были защищены от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов и т. п., здесь они могли беспрепятственно накапливаться. По мнению А. И. Опарина, это происходило в мелководных заливах океана, по мысли Дж. Бернала,— в заливаемых морскими приливами устьях рек — эстуариях. Под действием теплых лучей Солнца воды первобытного моря превратились в своеобразный «питательный бульон» жизни.
    Накоплению органических молекул, соединению их в длинные цепи могли способствовать их оседание и концентрация на частицах глины, кристаллах кварца, апатита, глины, особенно благоприятствовало присутствие цианидов и аммиака. Наибольшие шансы «выжить», сохраниться в этих условиях имели, конечно, вещества, склонные к аутокатализу, т. е. к химическому самовоспроизведению. Таковы, например, порфирины — активная часть столь важных органических веществ, как хлорофилл, гемоглобин, многие ферменты,— образующиеся, как показали опыты, абиогенно из веществ первичной атмосферы в присутствии ионов некоторых металлов.
    В морском мелководье, на отмелях и в эстуариях древнего океана в результате накопления и взаимодействия органических веществ возникали и распадались тысячи различных соединений. Реакции совершались причудливым образом, хаотически. Количество вариантов химической структуры увеличивалось, но пока не было преемственности, не было и дальнейшего прогресса. Не было и не могло еще быть жизни.
    Новый этап химической эволюции начался только после того, как сложные белковоподобные молекулы образовали первичные комплексы, выделились в виде капель (их называют коацерватными), отделились от раствора поверхностью раздела. Это был, по представлениям А. И. Опарина, зачаток организации, первый зародыш живого организма. Коацерваты могли избирательно поглощать «нужные» им вещества из воды, усложняя свою организацию. С появлением коацерватов становится возможным отбор более устойчивых и совершенных систем, в ходе которого постепенно складывались отдельные цепи обменных реакций, отбирались белковоподобные вещества, способные ускорять эти реакции — зачатки ферментов. ' Были ли коацерваты переходной формой от неживого к живому, или этот переход совершался несколько иначе — пока мы не знаем. В современных теориях возникновения жизни немало белых пятен. И самое большое из них — это вопрос о том, каким образом возник простейший механизм сохранения и наследования полезных свойств первичных организмов. Ведь без закрепления достигнутого немыслимо движение вперед.
    Молекулярная биология в содружестве с биохимией, биофизикой, физической химией, кибернетикой, фото- и радиобиологией добилась в последние 20—25 лет колоссальных успехов в разгадке самых сокровенных тайн жизни. Стало ясно, что жизнедеятельность клеток — от бактерий и синезеленых водорослей до клеток мозга человека — протекает по одним и тем же законам, на основе единых принципов организации.
    Любой сложный организм начинает свой индивидуальный жизненный путь с одноклеточной стадии, с оплодотворенной яйцеклетки — зиготы. В этой единственной клетке-прародительнице уже заложена, закодирована вся программа развития будущего организма, закреплена «навечно» и передается от клетки к клетке, из поколения в поколение наследственная память вида — совокупность наиболее ценных и важных черт организации, накопленных за тысячелетия развития.
    Хранителем и передатчиком наследственной информации является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Наследственный «алфавит» насчитывает всего четыре «буквы» — четыре варианта азотистых оснований. Различные комбинации этих четырех исходных элементов определяют порядок чередования аминокислот в белках — основных структурных элементах клетки и главных «дирижерах» ее жизненных процессов. Молекула ДНК — единственная в своем роде органическая молекула, обладающая удивительным свойством самокопирования, самовоспроизведения. При клеточном делении каждая дочерняя клетка получает полный набор копий, отпечатков с материнской матрицы — ДНК. А в процессе жизнедеятельности клетки матрица ДНК, полученная по наследству, отдает зашифрованную в ней наследственную информацию, обеспечивает клетку набором вторичных штампов для производства всех необходимых белков.
    Этот матричный принцип организации наследственного механизма присущ всем живым существам на Земле. Способ зашифровки наследственной информации в молекулах ДНК — генетический код — также идентичен, един и для плесневого грибка, и для кузнечика, и для березы, и для человека. Таким образом, внутриклеточный наследственный механизм в главных чертах одинаков у всех земных организмов. Это великое открытие нашего времени особенно надежно утверждает мысль, что все живые существа на нашей планете — более или менее близкие родственники и что этот единый наследственный механизм сложился где-то на самой заре жизни. И лишь с этого момента стало возможно закрепление достигнутого, а значит, и дальнейший прогресс живого. Проблема зарождения земной жизни лишь тогда приблизится к своему разрешению, когда будет понят и объяснен в самых общих чертах процесс возникновения этого механизма. Современные теории эту проблему еще не могут решить.
    Предполагается, что одновременно с возникновением простейших белковоподобных соединений образовывались и полифосфаты — прообразы нуклеиновых кислот. Их образованию и усложнению способствовали кристаллическая структура частиц глины, апатитов, цианистые соединения. В процессе синтеза в числе источников энергии важная роль принадлежит ультрафиолетовому излучению Солнца.
    Простейшие формы жизни постепенно использовали запасы органических веществ, накопленные на Земле за миллионы лет добиологического развития, химической эволюции. Условием их дальнейшего развития стал процесс усвоения неорганических веществ, синтеза живого из неживого при помощи живого. Новый процесс получил название фотосинтеза, потому что в нем для синтеза органических соединений используется энергия солнечного света.

Зеленый покров Земли

    Луч Солнца, долетев до Земли, перестает быть светом, но не исчезает и не расходуется впустую, не отражается полностью обратно в безжизненные пространства космоса. Поглощенный зелеными листьями растений, их хлорофилловыми зернами, солнечный луч превращается в великую силу, приводящую в движение машину жизни. В микроскопически малых органоидах клетки световой луч превращается в скрытую энергию химической связи между атомами. Он как бы сжимается в мощную пружину, которая затем, постепенно расправляясь, отдает запасенную энергию Солнца, экономно расходуя ее в ходе каждого жизненного процесса, будь то движение ресничек инфузории или трепет мысли гения, улыбка девушки или последнее усилие штангиста, блеск светлячка в ночи или балетное па Екатерины Максимовой. Чудо превращения энергии солнечного луча в движущую силу жизни совершается ежесекундно в тканях зеленого растения. И если луч Солнца мы по праву считаем первопричиной жизни (точнее, одним из важнейших компонентов причинного комплекса), то зеленый лист, зерно хлорофилла — это связующее звено между Солнцем и жизнью на Земле.
    Великий русский ученый К. А. Тимирязев первый понял и оценил значение зеленого пигмента растений — хлорофилла в развитии земной жизни, его роль посредника, космическую роль зеленого растения. Эту роль с равным успехом выполняют как микроскопические одноклеточные синезеленые водоросли — быть может, наиболее древние из существующих ныне живых существ, так и гиганты растительного царства — секвойи и эвкалипты, взметнувшие свои зеленые кроны на 100—120 м над поверхностью Земли.
    Зеленая масса растений Земли поглощает и усваивает всего около 0,3% энергии излучения Солнца, падающей на земную поверхность. Но и этого количества энергии достаточно, чтобы обеспечить синтез гигантской массы органического вещества биосферы, чтобы радикально изменить условия, существовавшие на безжизненной Земле.
    Одним из важнейших проявлений преобразующего влияния жизни (начавшегося на самой ее заре, с появлением хлорофилла) было изменение состава земной атмосферы. Древняя атмосфера Земли не содержала свободного кислорода.
    Первые простейшие формы жизни, использовавшие запасы органических веществ, накопленные абиогенным путем в «первичном бульоне», не меняли заметным образом состава атмосферы. С началом процесса фотосинтеза обстановка изменилась коренным образом. Поглощенная зелеными тканями растения энергия Солнца шла теперь па расщепление молекул воды на атомы водорода и кислорода. Молекулярный кислород выделялся в атмосферу. За миллиарды лет существования зеленых растений этот процесс привел к радикальному изменению состава атмосферы Земли и условий, существующих на ее поверхности. Накопление благодаря жизнедеятельности растений органической массы, с одной стороны, и свободного молекулярного кислорода, с другой — создало условия для возникновения совершенно новых живых существ, второй великой ветви жизни — мира животных.
    В организме животных (и человека в том числе) идут процессы окисления, по своей сути противоположные фотосинтезу. Углеводы, жиры и белки освобождают в теле животных скрытую энергию солнечного луча, когда-то пойманного и закованного в кандалы химических связей в «тюремных камерах» хлорофилловых зерен. Весь животный мир — постоянный потребитель огромных богатств, накапливаемых мириадами зеленых тружеников — растений.
    Все люди на Земле (а их сейчас около четырех миллиардов), принимая пищу, ежегодно переваривают, используют и окисляют около 700 млн. т органических пищевых веществ; рассеивают, отдают окружающей среде около трех квадриллионов (3·1015) ккал тепла. Это количество тепловой энергии превышает годовую продукцию 350 электростанций, подобных Волжской ГЭС им. В. И. Ленина. А ведь потребляют солнечные «консервы» — органическую пищу — не только люди, но и весь гигантский животный мир. Однако постоянный расход органических соединений непрерывно возмещается в великом круговороте веществ и энергии благодаря процессу фотосинтеза, постоянной подзарядке жизненных батарей бесплатной энергией солнечного света.
    В наше время зеленый покров Земли связывает и использует всего 0,3% падающего солнечного света. Однако в хороших условиях растения способны усваивать 5—10% энергии лучей Солнца, а в принципе возможно повышение «коэффициента полезного действия» растений и до 25—30%. Резервы и возможности земной жизни, следовательно, далеко еще не исчерпаны.
    Пройдут годы. Человек будущего — гражданин коммунистического общества, высший продукт эволюции земной жизни и подлинный, рачительный хозяин земных богатств — найдет пути разумного использования океанских просторов и обширных пустынь, горных массивов и закованных во льды пространств Арктики и Антарктики для улавливания и использования энергии Солнца.
    А когда станут реальностью далекие межпланетные и межзвездные экспедиции, он и на борту космического корабля создаст крохотный замкнутый мирок, в котором так же, как в большом земном мире, будет осуществляться круговорот веществ и энергии. Важнейшим и непременным звеном этой искусственной экологической системы, малой биосферы будут зеленые оранжереи. Зеленое растение войдет в просторы космоса как необходимый спутник человека, поставщик пищи и кислорода, заботливый санитар. Так, по мере развития и расцвета земной жизни изменяется, возрастает космическая роль растения, гениально понятая К. А. Тимирязевым.
    Каков же этот великий и таинственный процесс, в ходе которого стремительный и неуловимый солнечный луч превращается в узника, и, гремя оковами — цепями углеродных атомов, приводит в движение гигантский маховик биосферы?
    В самом общем виде фотосинтез, т. е. синтез при участии света, состоит в образовании из углекислоты воздуха и почвенной влаги сложных органических соединений углерода, кислорода и водорода. Благодаря использованию минеральных солей почвы в их состав включается также азот, фосфор, сера, железо, калий, натрий и другие элементы. В итоге возникают огромные молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров, служащие, в свою очередь, строительным материалом клеток, кирпичиками здания жизни.
    Со времен К. А. Тимирязева (70—80-е годы прошлого столетия) и почти до середины XX в. ученые были убеждены, что солнечная энергия, уловленная хлорофиллом, расходуется на расщепление молекул углекислоты: кислород выделяется в атмосферу, а углерод идет на синтез органических веществ. Суммарная формула процесса изображалась таким образом:
    6С02 + 6Н20 -> С6Н1206 + 602.
    Формулу С6Н1208 имеют такие продукты фотосинтеза, как глюкоза, фруктоза и другие простейшие сахара. В них водород и кислород содержатся в том же соотношении 2 : 1, как в воде, поэтому эти вещества называют еще углеводами. Простейшие углеводы — моносахариды, теряя воду, могут образовывать более сложные соединения — дисахариды — сахарозу (тростниковый сахар), лактозу (молочный сахар), полисахариды — крахмал, целлюлозу и т. п. Применение метода меченых атомов внесло в эту схему существенную поправку. Оказалось, что сила, заключенная в солнечном луче, расходуется на разложение воды, а не двуокиси углерода, и что кислород атмосферы имеет, следовательно, не углекислотное, а водное происхождение. В уточненном виде основное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:
    С02 + 2Н20 + свет -> 02 + Н20 + (СН20) + 112 ккал.
    Иными словами, в органических соединениях, синтезированных из одной грамм-молекулы углекислоты, запасается 112 ккал энергии.
    Фотосинтез — сложный, многоступенчатый процесс, детали которого не полностью расшифрованы поныне. Состоит он из большого количества последовательных этапов, реакций. Реакции эти можно подразделить на два типа: одни осуществляются под непосредственным влиянием поглощенного света, другие — в темноте. Непременным участником световых, фотохимических реакций являются вещества, избирательно поглощающие излучение определенной длины волны. Если фотохимическая реакция активируется видимым светом, для ее осуществления нужно красящее вещество, пигмент. В реакциях фотосинтеза эту роль выполняет хлорофилл. Важная способность фотохимических реакций: их скорость практически не зависит от температуры среды, в которой они протекают. И это естественно: поглотив порцию солнечных лучей, хлорофилл не нуждается больше в притоке энергии, чтобы начать процесс фотосинтеза.
    Реакции фотосинтеза, протекающие в темноте, называют темповыми, химическими (без приставки «фото»). Эти реакции регулируются и управляются белковыми катализаторами — ферментами. Каждая последующая реакция фотосинтеза для своего осуществления нуждается в присутствии специального фермента. Скорость темновых, как и всех вообще химических реакций, зависит от температуры и при ее повышении на 10° С возрастает в два-три раза.
    Процесс фотосинтеза начинается с поглощения света хлорофиллом. Это замечательное вещество, к свойствам которого мы будем еще неоднократно возвращаться. По своему составу хлорофилл очень близок к тему — красящему веществу гемоглобина крови и переносчику кислорода. Структурной основой обоих служат порфирины — вещества, которые, как говорилось в предыдущем разделе, могут при определенных условиях образовываться абиогенно. Следовательно, фотосинтез на древней Земле мог явиться закономерным итогом естественного хода событий и, в свою очередь, открыл новую главу в эволюции земной жизни.
   
    Активный центр хлорофилла (и тема) состоит из порфириновых группировок. Но если у гемоглобина в центре активной группы расположен атом железа, то в хлорофилле эту роль выполняет атом магния. Молекула хлорофилла в целом выполняет две функции: поглощает порцию солнечной энергии и затем передает ее строго по назначению. Функцию улавливания энергии света выполняют порфириновые кольца, тогда как атом магния выступает в качестве посредника и катализатора в фотохимической реакции разложения воды на атомы водорода и кислорода. Кислород уходит в атмосферу, а атомы водорода, снабженные при освобождении запасом энергии, постепенно расходуют ее, проходя лестницу темповых реакций.
    В растениях имеется несколько видов хлорофилла, из которых главные два — хлорофилл а и хлорофилл б. Поглощают хлорофиллы не все видимые глазом лучи Солнца, а главным образом красные и синие лучи. Максимумы поглощения света для хлорофилла а лежат в области 400—440 и 630—600 нм (1 нм = 10-9 м), для хлорофилла б — в области 440—470 и 620—650 нм. Хлорофилл плохо поглощает зеленые лучи, но зато он хорошо их отражает и рассеивает, поэтому те части растений, которые содержат хлорофилл, имеют зеленую окраску. В зеленых частях растения содержатся и желтые пигменты — каротиноиды, которые хорошо поглощают синие лучи. Есть основания полагать, что каротиноиды передают поглощенную энергию хлорофиллу либо наряду с ним участвуют в фотохимических реакциях процесса фотосинтеза (рис. 2).
    Все химические реакции, совершающиеся самопроизвольно, идут с потерей энергии. Чем больше величина отданной энергии, тем прочнее, устойчивее образовавшееся вещество. В процессе фотосинтеза совершается последовательный ряд реакций, общее направление которых противоположно естественному сродству атомов. При помощи энергии солнечного света растение преодолевает силы связи между водородом и кислородом в молекулах воды, между кислородом и углеродом в углекислоте. Образующиеся при этом активные продукты (атомы кислорода, водорода, гидроксильные ионы и др.) стремятся, отдав избыточную энергию, вновь соединиться. Если бы реакции фотосинтеза происходили в растворе или в другой простой среде, обратные реакции сводили бы на нет результаты основного процесса. В зеленом растении этого не происходит, так как образующиеся активные продукты с момента своего возникновения пространственно разделены. Каждый из них проходит свою цепочку превращений.
   
Рис. 2. Спектры поглощения каротиноидов (1) и хлорофиллов (2)

    Водород и углерод как бы движутся навстречу друг другу по ступенькам темновых реакций.
    Для пространственного разделения основных активных продуктов и путей их обмена зеленое растение в ходе эволюции выработало сложный аппарат — систему мембран, своего рода органы фотосинтеза. Пигменты, участвующие в фотосинтезе, сосредоточены внутри клеток в хлоропластах, имеющих правильную пластинчатую структуру. Под микроскопом хорошо видно, что и в пластинках есть правильно чередующиеся структурные элементы — диски. Диски состоят из чередующихся слоев белковых и жироподобных (липоидных) веществ (рис. 3). Молекулы хлорофилла, связанные с веществами белково-липоидного комплекса, образуют с ними единую мембранную структуру.
    На первой, фотохимической, стадии процесса происходит захват, поглощение энергии света (рис. 4).

   
Рис. 3. Схема строения граны хлоропласта. Между монослоями белка (1) лежат отдельные молекулы хлорофилла (2) и слои фосфолипидов (3)

    Каждая молекула хлорофилла а поглощает по одному кванту света. Поглощенная энергия кванта передается одному из электронов, который благодаря избытку энергии отдаляется от молекулы. Чем больше запас энергии возбужденного электрона, тем на большее расстояние он отдаляется. Но в обычных условиях состояние возбуждения кратковременно. Через десяти- или стомиллионную долю секунды возбужденный электрон возвращается на свое место, отдав избыточную энергию в виде кванта излучения.
    В условиях сложной структуры фотосинтетического аппарата растений возбужденный электрон не возвращается на место, а захватывается вместе с избытком энергии особым железосодержащим белком — ферредоксином. Затем электрон передается на пиридиннуклеотиды — вещества, играющие в клетке роль переносчиков водорода. Вслед за электроном пиридиннуклеотиды принимают положительно заряженный ион водорода, образующийся в результате расщепления молекул воды. Второй осколок молекулы воды — отрицательно заряженный ион гидроксила — участвует в реакциях, регулируемых хлорофиллом б. Ион водорода и электрон образуют атом водорода.
   
    Пиридиннуклеотиды используют в дальнейшем водород для частичного восстановления углерода в молекуле углекислоты.
    Другие электроны молекул хлорофилла а, возбужденные квантами солнечного света, проходят иную цепочку превращений, и в конце концов их избыточная энергия расходуется на образование богатых энергией молекул аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ. В результате поглощенная хлорофиллом энергия солнечного света превращается в энергию химических соединений, в форму привычных для организма, «удобоваримых» переносчиков энергии и электронов, таких, как АТФ и пиридиннуклеотиды.
    Дальнейшие их превращения идут уже по обычным биохимическим законам. В результате потери электронов в активных слоях хлоропластов, содержащих молекулы хлорофилла я, образуются электронные вакансии — дырки, которые стремятся поглотить электрон из любого источника. В процессе фотосинтеза таким источником является вода. При ее расщеплении наряду с положительными ионами водорода образуются отрицательно заряженные, несущие избыточный электрон ионы гидроксила. Молекула хлорофилла б после поглощения кванта света передает возбужденный электрон через особую цепочку реакций молекуле хлорофилла а, а свою структуру восстанавливает за счет электрона гидроксильного иона. Гидроксилы, потеряв избыточный электрон, взаимодействуют между собой, образуя перекись водорода, которая разлагается на воду и свободный кислород, уходящий в атмосферу.
    Итак, при участии двух форм хлорофилла и двух фотохимических реакций в хлоропластах растений от воды к пиридиннуклеотидам и АТФ проходит «сквозной поток» электронов, приводимый в движение энергией света. Навстречу ему идет поток превращений углекислоты, поглощенной растением из воздуха, который целиком складывается из темновых реакций. Согласно представлениям американского ученого, лауреата Нобелевской премии М. Кальвина, молекула углекислоты присоединяется в процессе фотосинтеза к рибулезодифосфату (РДФ) — веществу, содержащему пять атомов углерода. Образующееся шестиуглеродное соединение распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты, содержащие по три атома углерода. Так, с самого начала превращений углекислота оказывается включенной в состав углеродной цепи в виде карбоксильной группы СООН.
    Чтобы осуществить дальнейший синтез углеводов, белков и липоидов, необходимо частично восстановить углерод, т. е. вытеснить из карбоксильной группы атом кислорода, заместить его водородом. В этой реакции поставщиками водорода являются пиридиннуклеотиды, а снабжение энергией происходит за счет молекул АТФ. И те и другие образуются в результате фотохимических реакций расщепления воды. Так сливаются два шедших навстречу друг другу потока: превращений углекислоты, поглощаемой растениями из воздуха, и превращений воды, расщепляемой при участии солнечного света. В результате частично восстанавливается углерод, и по ходу различных цепочек превращений под влиянием специальных сложных рядов ферментов осуществляется синтез белков, углеводов и других сложных органических веществ. Суммарный результат процесса можно изобразить в таком виде:
   
    (звездочкой обозначена молекула Н20, находящаяся в состоянии возбуждения за счет энергии солнечного света, переданной хлорофиллом).
    Чтобы завершить полный цикл фотосинтеза, на каждую молекулу углекислоты, усвоенную и включенную в сложные структуры, необходимо не менее четырех молекул восстановленных пиридиннуклеотидов и три-четыре молекулы АТФ. Поскольку для образования каждой такой молекулы нужен по крайней мере один квант энергии Солнца, на единичный цикл фотосинтеза расходуется минимум восемь квантов.
    В книге «Путешествия Гулливера» Джонатан Свифт дал ядовитую сатиру на английскую Академию наук (Королевское общество), изобразив ее как сборище чудаков и умалишенных, занятых решением нелепых задач. Один из этих «чудаков» восемь лет созерцал зеленый огурец, запаянный в стеклянной банке, надеясь разрешить задачу улавливания солнечных лучей и их использования. Однако то, что 200 лет назад казалось верхом бессмыслицы, примером бесполезной траты времени, в наше время стало одной из самых крупных и увлекательных проблем биологии.
    Пройдет, вероятно, немного лет, и процесс фотосинтеза перестанет быть загадкой. Лежащие в его основе механизмы будут изучены, смоделированы и поставлены на службу человечеству. Наука вплотную приблизится к познанию одного из важнейших этапов возникновения и эволюции жизни на Земле.
    За миллиарды лет существования Земли облик ее менялся непрерывно. Даже с того времени, как сформировались воздушная оболочка Земли — атмосфера, земная кора — литосфера, покрытая частично морями и океанами — гидросферой, Земля изменилась неузнаваемо. Этому способствовали с самого начала естественные процессы, развертывающиеся как в недрах Земли, так и на ее поверхности.
    Движение материков и колебания уровня Мирового океана, процессы горообразования и опускания морского дна и участков суши, извержения вулканов и землетрясения, периодические наступления и отступления ледников, разрушение горных пород под влиянием ветров, колебаний температуры и работы воды — все эти постоянно и глобально действующие силы миллиарды лет преобразовывали облик нашей планеты.
    По мере того как человек познает облик Земли и проникает в глубины ее истории, становится все более ясной непосредственная связь всех процессов, протекающих в земной коре, ее недрах и на поверхности, с деятельностью Солнца, с таинственной периодикой его активности. Более подробно говорится об этом в следующих разделах этой главы.
    Возникшая на Земле жизнь, «питаясь» энергией солнечного света, по мере своего развития во все возрастающих масштабах изменяла, преобразовывала облик нашей планеты. Мириады живых существ в своей постоянной незаметной деятельности выступали как своего рода посредники между Солнцем и Землей, способствуя изменению лика последней.
    Активная фотосинтетическая деятельность зеленых растений радикально изменила состав земной атмосферы. Углекислый газ, миллионы лет выделявшийся в атмосферу при извержениях вулканов и из трещин земной коры, почти полностью был усвоен растениями, «связан» и использован для построения углеродных скелетов органических молекул. В настоящее время в атмосфере Земли его содержание не превышает 0,03%. Зато освобождающийся в процессе фотосинтеза молекулярный кислород стал одним из основных компонентов атмосферы — 20,9%, что послужило толчком для выхода жизни из океана па сушу, для эволюции органического мира. «В смысле создания свободной энергии, действенной энергии планеты основным является перевод лучистой энергии Солнца через живое вещество в свободный кислород, охватывающий всю поверхность планеты, дающий ей совсем особые, нигде вне ее не наблюдаемые свойства» [В. PL Вернадский. Очерки геохимии. Избранные сочинения, т. I. 1954, с. 180.].
    Изменение состава атмосферы оказало громадное влияние на химический состав горных пород, на ход и направленность химических процессов в атмосфере, литосфере и гидросфере. Древняя атмосфера Земли была восстановительной благодаря присутствию в ней водорода, аммиака, метана и других простейших углеводородов. Выделение свободного кислорода наряду с потреблением растениями углекислоты, аммиака и углеводородов сделало атмосферу окислительной. Взаимодействие кислорода с веществами литосферы и гидросферы привело к образованию окислов, кислот, солей, к изменению строения минералов и горных пород. В химических процессах стали доминировать окислительные реакции. Резкое изменение состава горных пород, как установлено геологами, произошло примерно 1,8—1,3 млрд. лет назад. Никакой другой причины, помимо деятельности живых существ, для столь радикального изменения облика Земли не существует.
    Завоевание суши, постепенное эволюционное приспособление живых существ к экстремальным условиям, существующим на нашей планете: к гигантским давлениям в океанических безднах, к леденящему холоду Арктики и Антарктики, к вечному безмолвию горных вершин и разреженному воздуху высот — привело к формированию на Земле новой оболочки — биосферы, той области планеты, где существует живое вещество и проявляется его влияние. На суше это так называемая кора выветривания, толща осадочных пород, достигающая местами нескольких километров в глубину. Это вся толща водных бассейнов Земли. Наконец, это тропосфера — приземной и приводный слой воздуха толщиной 12—18 км, в котором происходит непрерывное перемешивание воздушных масс.
    Однако влияние жизни, биологических процессов можно уловить и в стратосфере, и в глубоких слоях Земли, пока недоступных для непосредственного проникновения живых существ. Так, возникновение на высоте около 30 км слоя озона было результатом накопления в атмосфере свободного кислорода за счет фотосинтеза. С другой стороны, некоторые горные породы (в том числе, видимо, и граниты) могут возникать в глубинах Земли при воздействии высоких температур и давлений на осадочные породы, содержащие остатки живых существ.
    Размножение и гибель организмов на протяжении миллиардов лет обогащают постоянно формирующиеся на Земле осадочные породы, включающие продукты выветривания (частицы глины, песка, лёсса и т. п.), с остатками живых существ (скелетами, раковинами, особыми химическими соединениями). Погребенные в недрах Земли осадочные породы со временем превращаются в месторождения нефти, угля, торфа, горючих сланцев. Жизнедеятельность микроорганизмов, растений, а затем и животных (в меньшей степени) породила на поверхности суши особое образование — почву, в которой вещество литосферы подверглось сложным превращениям и вовлечено в постоянный круговорот жизни. Размножение морских колониальных организмов привело к появлению целых новых островов, атоллов, рифов и скал. Большой барьерный риф у северо-восточного побережья Австралии тянется на протяжении 2300 км и оказывает существенное влияние на направление морских течений, ветров — на весь комплекс природных условий на значительном участке земной поверхности.
    Биосфера — это сложное соединение географических сред и планетарного живого вещества. В каждой географической зоне, каждом районе Земли одновременно с комплексом природных условий складывается и определенная сложная система организмов, постоянно и неразрывно связанных с неорганическими компонентами среды. В биосфере движение и взаимодействие вещества происходит не только в силу химических законов, но и под влиянием жизнедеятельности организмов. «Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик... исходит от Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное — длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы. Этот великий планетарный процесс есть миграция химических элементов в биосфере, движение земных атомов, длящееся больше двух миллиардов лет согласно определенным законам» [В. И. Вернадский. Геохимическая энергия жизни в биосфере. Избранные сочинения, т. V, I960, с. 228.].
    Человек — высший продукт эволюции биосферы. По мере роста могущества человеческого разума увеличивается численность особей вида Homo sapiens и в еще большей степени возрастают масштабы вмешательства человека в природу, его преобразующей деятельности. Человек вырубает и выжигает леса, на огромных пространствах наиболее плодородных земель искусственно насаждает и культивирует нужные ему растения, оберегая их от конкуренции со стороны более приспособленных диких растений — сорняков. Все большую часть суши человек занимает своими поселениями, строит шахты и открытые карьеры, электростанции, дороги и плотины, меняет русло рек, использует их воду для орошения и создания водохранилищ. Добывая из-под земли растущие количества нефти, угля, природного газа и сжигая их, он возвращает в биологический круговорот громадные количества углерода, погребенные в прошлые геологические эпохи, и в то же время в возрастающих масштабах загрязняет атмосферу, гидросферу и литосферу. Человек создает вокруг себя и для себя вторую, искусственную среду: заводы и фабрики, города, строит корабли, подводные лодки, воздушные лайнеры и космические корабли.
    Пространство Земли, где так или иначе проявляется преобразующая деятельность человека, академик В И. Вернадский назвал ноосферой (от греческого слова «разум»). Но и в ноосфере человек использует в той или иной форме энергию Солнца. Все основные источники энергии, эксплуатируемые человеком (за исключением глубинного тепла Земли, которое еще почти не используется, и энергии атомного ядра, тайной которого люди овладели совсем недавно), имеют своим первоисточником энергию солнечного излучения.
    Следовательно, и земная жизнь в целом, и человек как ее высшее творение используют и преобразуют солнечную энергию в процессе преобразования облика Земли, выступая в этом процессе как посредники между Солнцем и Землей.

Мы видим мир

    Одно из основных свойств живых существ — способность реагировать на внешние воздействия, раздражимость. Без этого живой организм не может существовать. Не воспринимая внешние влияния, нельзя отличить врага от друга и своевременно принять меры для защиты. Живые организмы, более чувствительные к воздействию окружающей среды, имеют больше шансов выжить в ежедневной борьбе за существование. «Над каждым живым существом постоянно висит вопрос: „быть или не быть”, и сохраняет он свое право на жизнь только под условием — в каждое мгновение своего существования быть совершеннее своих соперников»,— писал К. А. Тимирязев. Свойство раздражимости благодаря механизму естественного отбора закреплялось и прогрессировало в длинном ряду поколений.
    Одним из самых древних, постоянных и привычных раздражителей, действующих на живые существа, являются солнечные лучи. Воспринимая влияние лучей Солнца, большинство земных организмов стремится навстречу им. Например, одноклеточные водоросли или амёбы под микроскопом собираются на освещенной половине поля зрения. Пресноводные гидры и некоторые водяные растения всегда располагаются у стенки аквариума, обращенной к окну. Зеленые растения тянутся вверх, к Солнцу. Известны и другие движения, совершаемые живыми организмами под влиянием влажности почвы, различных химических веществ, силы земного притяжения, колебаний температуры среды и др. Такие движения организмов, совершаемые под воздействием внешнего раздражения, получили название тропизмов. Пример положительного гелиотропизма (гелиос — по-гречески Солнце) — свойство подсолнуха поворачивать свою головку вслед за Солнцем. Отрицательный гелиотропизм (фототропизм) проявляется у ночных бабочек, которые прячутся от дневного света. Комар анофелес — переносчик малярии — отрицательно реагирует на сильный свет, но положительно — на слабый.
    Вернемся к явлению положительного гелиотропизма. Еще в 1693 г. английский ученый Дж. Рей предположил, что причиной выгибания стебля растения является неравномерное поступление к нему солнечных лучей. С освещенной стороны рост стебля замедляется, поэтому преобладание роста на затененной стороне приводит к повороту стебля в направлении Солнца. В 1832 г. швейцарский ботаник О. П. Декандоль сумел доказать, что в этом случае решающее значение имеет именно солнечный свет, а не тепло.
    По мере эволюции животных организмов чувствительность их органов чувств становилась совершеннее. Способность организма реагировать на химические вещества (хемотропизм) помогла развитию органа обоняния — специализированных групп клеток, расположенных на пути вдыхаемого воздуха и улавливающих присутствие химических примесей — запахи. Из восприятия механических прикосновений возникла способность ощущать движения частиц воздуха — звук, сопровождающий движение дичи или приближение врага. Но с помощью этих органов чувств даже при самой высокой степени их совершенства нельзя точно определить направление, откуда доносятся звуки или запахи, расстояние до их источника. И уже совсем невозможно воспринять на расстоянии форму, величину предметов, их количество и порядок расположения. А между тем именно такая информация очень нужна организму.
    Осязание, вкус и восприятие температуры должны были возникнуть раньше зрения — ведь они прямо передают информацию, важную для организма: предмет горячий или твердый, съедобный или нет. Зрительные образы нуждаются в истолковании, поэтому развитие органа зрения ж функции зрения шло параллельно развитию мозга.
    Решающий шаг вперед был сделан тогда, когда лучи Солнца стали восприниматься не как самостоятельные раздражители, а как рассеянные лучи, отраженные от окружающих предметов и несущие информацию о них. Зрение развилось, вероятно, из восприятия колебаний освещенности, из реакции на движущиеся по поверхности кожи тени — сигнал возможной и близкой опасности. Из простых чувствительных клеточек, лежащих на поверхности тела, путем длительной эволюции развился важнейший, наиболее связанный с мыслительной деятельностью орган чувств — глаз. «Глаз обязан бытием своим свету», говорил И. В. Гете — великий писатель и поэт, выдающийся естествоиспытатель.
    По определению академика С. И. Вавилова, «глаз есть результат чрезвычайно длительного процесса «естественного отбора», итог изменений организма под действием внешней среды и борьбы за существование, за лучшую приспособленность к внешнему миру» [С. И. Вавилов. Глаз и Солнце. М., Изд-во АН СССР, 1956, с. 82.]. «Глаз в отношении энергии приспособлен не к самому Солнцу, а к солнечному свету, рассеянному от окружающих тел» [Там же, с. 108.].
    Реакцию гелио- или фототропизма мы можем рассматривать как примитивную, зачаточную форму зрения, а глаз человека — как конечный этап эволюции важнейшей функции живого.
    «Глаз» одноклеточного организма устроен весьма примитивно: обычно это простое глазное пятно — скопление красного или черного пигмента, окружающего чувствительный участок протоплазмы. Роль хрусталика порой играет просто-напросто зернышко крахмала. Конечно, такой простой и ничтожный по размерам аппарат не может дать отчетливого изображения. Светочувствительные органы дождевого червя, разбросанные по его поверхности, не приспособлены к восприятию изображений, а дают лишь ощущение света. При помощи зрительного углубления червь приблизительно определяет направление светящегося тела. Пигментные клетки нередко образуют углубление — «бокал», ограждающий зрительную клетку от попадания боковых лучей. Пользуясь таким зрительным аппаратом, приходится довольствоваться созерцанием лишь тех предметов, которые находятся прямо «перед носом». Перемещение воспринимается, если двигающийся объект переходит из одного поля зрения в другое, последовательно раздражая зрительные клетки соседних глазков.
    Зрительный орган моллюска представляет собой более совершенную конструкцию — полость с маленьким отверстием и внутренним светочувствительным слоем, от которого отходит нерв. В глазу скорпиона перед светочувствительным слоем имеется прозрачный шар. У головоногих и позвоночных наблюдается постепенный переход к человеческому глазу.
    Глаза большинства рыб, выпуклые и снабженные круглым, а не уплощенным хрусталиком, воспринимают свет подобно широкоугольному объективу. Рыбы одинаково хорошо видят происходящее не только впереди, но и с боков и даже сзади. Некоторые глубоководные рыбы сами излучают свет с помощью специальных люминесцирующих органов, расположенных вблизи глаза. Такой «прожектор» очень полезен при отыскании пищи. А при опасности рыбы могут прятать его, закрывая специальными складками кожи.
    Глаз человека имеет форму почти правильного шара диаметром 24 мм. Снаружи глаз покрыт толстой белой оболочкой — склерой. Ее передняя прозрачная выпуклая часть носит название роговой оболочки, или роговицы. Позади роговицы расположена прозрачная чечевицеобразная линза — хрусталик. Между роговицей и хрусталиком, в передней камере глаза расположена непрозрачная для света радужная оболочка. Присутствие в ней пигмента придает окраску глазу. Пигмент один — меланин, а цвет глаз бывает различный — от бледно-голубого до черного. Цвет зависит как от количества пигмента, так и от места и характера его расположения. У голубоглазых людей (а также у коз, сиамских кошек) зерна темного пигмента расположены на задней стороне радужной оболочки и при отражении создают впечатление голубизны. Зерна меланина, рассеянные на передней стороне оболочки, делают глаза серыми, а по мере возрастания количества пигмента цвет глаз становится карим, а потом и черным.
    Окраска радужной оболочки — наследственный признак, передача его потомкам подчиняется особым закономерностям. В центре оболочки имеется круглое отверстие — зрачок. Радужная оболочка играет роль диафрагмы: она может сокращаться и расслабляться, изменяя величину просвета зрачка, т. е. диаметр попадающего внутрь глаза светового пучка. Внутренняя поверхность склеры выстлана сосудистой оболочкой, обеспечивающей питание всех частей глаза. Внутренний слой, выстилающий глаз изнутри, носит название сетчатой оболочки, сетчатки, или ретины. Он-то и воспринимает лучи света, проникающие внутрь глаза. Задняя камера глаза заполнена прозрачным стекловидным телом (рис. 5).
   
Рис. 5. Глаз человека в разрезе
1 — ресничная мышца; 2 — радужная оболочка; 3 — водянистая влага передней камеры глаза; 4 — зрачок; 5 — роговица; 6 — связка, поддерживающая хрусталик; 7 — конъюнктива; 8 — хрусталик;9 — стекловидное тело; 10 — склера; 11 — сосудистая оболочка; 12 — сетчатая оболочка; 13 — центральная ямка; 14 — слепое пятно; 15 — зрительный нерв

    Таким образом, световой луч, попавший в глаз, проходит три прозрачные среды: роговицу, хрусталик и стекловидное тело. Все они преломляют свет, концентрируют его таким образом, что на светочувствительном слое получается четкое, а не расплывчатое изображение предмета, отражающего свет. Но ведь предметы могут находиться на различном расстоянии от глаза. Для ясного их видения необходим механизм изменения преломляющей силы глаза. Эту работу выполняет хрусталик. Посредством мускулов, расположенных вокруг хрусталика, может быть изменена его выпуклость, кривизна. Механизм, с помощью которого преломляющая сила хрусталика автоматически изменяется, обеспечивая четкое видение предметов, носит название аккомодации. Недостатки аккомодации (близорукость и дальнозоркость) можно исправить с помощью очков — стеклянных линз, дополнительно рассеивающих или концентрирующих лучи света.
    Глаз полностью воспринимает только небольшой по размерам или далеко расположенный предмет, так как диаметр зрачка невелик, а на ярком свету он уменьшается еще больше. Обычно же глаз очень легко поворачивается в своей орбите, быстро обегая все точки рассматриваемого предмета, как бы «обшаривая» его. Поэтому возникающая на сетчатке картина дает представление о форме предмета, даже если он неподвижен. А вот лягушки и некоторые их собратья из класса амфибий (земноводных) не видят неподвижные предметы. Лягушка скорее погибнет от голода, но не обратит внимания на лежащую рядом пищу, если она неподвижна. А ведь глаз амфибий — это не примитивный «бокал», а довольно совершенный орган. В чем же дело?
    Оказывается, мы видим неподвижные предметы только благодаря постоянным, незаметным движениям глазных яблок. Если диапозитив с картинкой прикрепить непосредственно к глазному яблоку (с помощью присоски), то он будет смещаться вместе с глазом, а на сетчатку спроецируется неподвижное изображение. Человек перестанет видеть картинку! Глаз человека, рассматривающего предмет, за считанные секунды совершает миллионы внешне беспорядочных координированных движений. И в результате зрительные ощущения от отдельных участков предмета сливаются в мозгу в цельный образ.
    Интересно, что в невесомости движения глазных яблок благодаря отсутствию силы тяжести совершаются гораздо легче, и острота зрения заметно возрастает. Это отмечали американские космонавты. Гордон Купер с высоты нескольких сот километров ясно видел трубы на домах в Тибете и грузовик на дороге в Мексике. Эдвард Уайт во время полета на корабле «Джемини» различал дороги, моторные лодки и даже волны, оставляемые ими. По его словам, Земля с орбиты «Джемини» видна была лучше, чем из кабины самолета, летевшего на высоте 13 км.
    Слежение за движущимся предметом — автоматическое, бессознательное свойство глаза, его нельзя удержать усилием воли. Это хорошо знают криминалисты, используя движение глазного яблока (оптокинетическую реакцию) для разоблачения мнимых слепых.
    Глаз насекомого в большинстве случаев так же неподвижен, как и глаз лягушки. Однако ощущение движения в нем создается благодаря так называемому фасеточному устройству. Глаз человека представляет собой одну линзу и одну сетчатку. У насекомого глаз состоит из десятка тысяч крохотных линзочек. Под каждой — 6—8 зрительных клеток, расположенных звездочкой. Каждый из глазков воспринимает движущийся предмет отдельно, последовательно и в совокупности создается ощущение движения. Более того, фасеточное устройство повышает способность глаза различать световые мелькания. Если для глаза, человека 20—24 мелькания в секунду уже сливаются в цельную картину (на этом основан принцип кинематографа, где за секунду сменяется 24 кадра), то глаз мухи различает до 300—350 раздельных, не сливающихся кадров в одну секунду!
    Для организма важно уметь определять не только форму предмета, но и расстояние до него, его размеры. Получать не плоскостное, а трехмерное представление об окружающих нас предметах мы можем благодаря наличию двух глаз (бинокулярному зрению). Чем ближе к нам находится предмет, тем ближе должны быть сведены оси обоях глаз. Величина угла, образуемого осями глаз, степень конвергенции, точно характеризует расстояние до предмета.
    Но так обстоит дело со зрением далеко не во всем мире животных. Только у человека и обезьяны оси обоих глаз при отсутствии конвергенции параллельны. У льва глазные оси образуют угол в 10°, у кошки 14—18°, у собаки — 30—50°, у оленя — более 100°, у жирафы — 140°, у зайца — даже 170°. Чем больше величина этого угла, тем труднее осуществить сведение осей глаз для одновременного рассмотрения предмета двумя глазами. Если глаза направлены в разные стороны так, что их поля зрения не соприкасаются, то, очевидно, трехмерное, стереоскопическое зрение невозможно. Поэтому зайцы лишены способности определять с помощью зрения расстояние до предметов, их глубину. И для собак мир в большой мере видится плоскостным, объем предметов и расстояние до них воспринимаются с трудом. В полной мере способностью к бинокулярному, трехмерному зрению обладают наряду с приматами все кошачьи, а также многие птицы — грифы, орлы, соколы и др.
    Очень важное значение имеет также определение размера предмета, его величины. Один и тот же предмет по мере удаления кажется нам все меньше и меньше. Это явление особенно легко наблюдать, глядя на уходящие вдаль телеграфные столбы. Очевидно, при оценке величины предмета мы должны невольно сообразовываться с расстоянием до него. Имеет значение также наш прошлый опыт, наблюдение этого предмета вблизи. Работа по сравнению, анализу зрительных впечатлений, сопоставление с опытом прошлого осуществляется в нашем мозгу подсознательно.
    Мозговые центры зрения постепенно вносят свои поправки в детали зрительных восприятий. Изображения предметов, возникающие на сетчатке наших глаз, обратны действительным, перевернуты. Ведь хрусталик, как самая настоящая линза, фокусирует и делает обратными изображения на сетчатке. Мы воспринимаем их в нормальном положении благодаря тому, что с первых месяцев жизни наш мозг, сопоставляя данные о предметах, полученные с помощью зрения и осязания, приводит зрительные образы в соответствие с их прототипами — предметами. Если с помощью специальных призматических очков еще раз перевернуть изображение мира на сетчатке, т. е. по существу вернуть его в нормальное положение,— мозг после некоторого усилия приспосабливается и к этому. Благодаря работе мозга человек, пользуясь одним глазом, может в известных пределах судить о расстоянии до предмета, получать правильное представление о его форме. Мозг, разум в сложной мозаике узоров, возникающих на сетчатке глаза, выбирает (путем анализа и синтеза, использования прошлого опыта) главное и второстепенное, изображение и фон. Глаза нуждаются в разуме, чтобы опознать предметы, локализовать их в пространстве. Но и мозг вряд ли мог бы развиться без глаза, без информации об отдаленных предметах.
    А теперь попробуем разобраться в самом сложном. Как возникает в сетчатке ощущение света? Полностью этот процесс еще не изучен, но основные принципы превращения светового раздражения в электрический импульс, бегущий по зрительному нерву в центры головного мозга, более или менее ясны.
   
Рис. 6. Схема строения сетчатки глаза (по С. И. Вавилову)
1 — пигментный слой; 2 — слой палочек и колбочек; 3—7 — зернистые слои; 8 — ганглиозные клетки; 9 — слой нервных волокон; 10 — внутренняя ограничивающая оболочка. Стрелкой указано направление световых лучей

    Сетчатка глаза человека имеет десять слоев (рис. 6), Наружный слой, примыкающий непосредственно к сосудистой оболочке глаза, состоит из клеток, заполненных черным пигментом и совершенно непроницаемых для света. Во втором слое расположены основные элементы восприятия света — нервные клетки, за форму названные палочками и колбочками (рис. 7). В последующих слоях ретины находятся биполярные, грушевидные и ганглиозные нервные клетки, а также последовательно соединяющие их нервные волокна. Отростки ганглиозных клеток, образующие десятый, самый внутренний слой сетчатки, прилегающий к стекловидному телу, собраны в один пучок — зрительный нерв, который выходит за пределы глазного яблока и направляется к мозгу. Таким образом, в сетчатке нервный импульс, возникший под влиянием светового раздражения, проходит по системе, состоящей из четырех последовательно связанных между собой нервных клеток, и лишь затем по зрительному нерву поступает в центры мозга.
    При взгляде на строение сетчатки удивляет такой непонятный на первый взгляд факт. Палочки и колбочки, непосредственно воспринимающие воздействие лучей, расположены не на поверхности сетчатки, не на границе со стекловидным телом, а где-то в глубине. Своими чувствительными верхушками они обращены не навстречу лучам Солнца, а в противоположную сторону. Возникающие в палочках и колбочках импульсы нервного возбуждения двигаются сначала как бы навстречу потоку световых квантов по системе нервных клеток и волокон. Чем же объяснить такое странное устройство зрительного аппарата? Очевидно, тем, что нежные палочки и колбочки в этом случае защищены от прямого действия света, сохраняют способность реагировать на незначительное воздействие лучей.
    Светочувствительные элементы сетчатки обладают также способностью к некоторому движению (ретиномоторные реакции), что позволяет им занять положение, наиболее удобное для восприятия света.
    Теперь рассмотрим непосредственный механизм зрительного восприятия. Существуют два самостоятельных механизма зрения. Один обеспечивает восприятие цвета и различение деталей изображения, предмета.1 Этот механизм дневного, цветового, зрения связан с колбочковым аппаратом. Другой, отличающийся несравненно большей световой чувствительностью, дает только ощущение темноты и света. Он связан с палочковым аппаратом и называется сумеречным зрением.
   
Рис. 7. Палочка (а) и колбочка (б) при увеличении 1000 раз

    На поверхности сетчатки более или менее равномерно расположено 130 млн. палочек. В центре сетчатки — в области так называемого желтого пятна и особенно центральной ямки (непосредственно напротив зрачка) находятся преимущественно колбочки — примерно 7 млн.
    Такое распределение имеет особый смысл. Дневное зрение осуществляется в условиях поступления в глаз света сравнительно большой интенсивности. Пучок света, проходящий через суженный вследствие этого зрачок, попадает на небольшой участок сетчатки, расположенный в самом ее центре, т. е. на область желтого пятна. Здесь же находятся колбочки — элементы зрительного восприятия, приспособленные к видению в этих условиях.
    У животных, лишенных способности различать цвета, желтое пятно отсутствует. Таковы кошка, собака, золотистый хомяк и многие другие животные. Лишь некоторые породы собак обнаруживают слабые зачатки цветового зрения. Колбочек в сетчатке собачьего глаза почти совсем нет. Собаки ведут свою родословную от сумеречных хищников (волков, шакалов), которые и не нуждались в совершенном аппарате дневного, цветового, зрения. Лошади, олени, овцы, свиньи различают некоторые участки спектра, например красный и зеленый, норки — желтый и синий. Среди животных лучше всего различают цвета обезьяны, особенно шимпанзе. Рыбы в большинстве также обладают цветовым зрением. В сетчатке глаза сокола, чайки, гуся, курицы — по два желтых пятна. Одно — для рассматривания предметов Двумя глазами одновременно, другое — для удобства пользования одним глазом. Есть в глазу и слепое пятно, лишенное светочувствительных элементов. Это то место, где в глаз входит зрительный нерв, образующий сосок, хорошо видный врачу-окулисту при осмотре глазного дна.
    При сумеречном зрении, в условиях слабой освещенности, зрачок максимально расширяется, чтобы пропустить в глаз возможно большее количество лучей. Падая на сетчатку под различными углами, лучи освещают ее более или менее равномерно. Такой освещенности соответствует и распределение палочек по сетчатке. Способность глаза приспосабливаться к условиям различной освещенности путем изменения диаметра зрачка — адаптация (к темноте или свету) — имеет существенное значение для создания условий наилучшего видения.
    Если вскрыть глаз животного, длительное время находившегося в темноте, и при слабом красном свете обнажить сетчатку, она окажется пурпурного или густо-розового цвета. После непродолжительного пребывания на свету окраска исчезает, сетчатка обесцвечивается. Пигмент, придающий окраску сетчатке в темноте и исчезающий на свету, получил название зрительного пурпура, или родопсина. Исчезновение пигмента на свету было названо выцветанием пигмента. Зрительный пурпур, содержащийся в наружных члениках палочек, принимает самое активное участие в восприятии света.
    Адаптация глаза к темноте — это прежде всего процесс восстановления зрительного пурпура, процесс, требующий для своего завершения около получаса. Спектр поглощения родопсина имеет максимум в области голубых лучей с длиной волны 5100 А (1 А = 10-10 м). Спектр поглощения родопсина совпадает со спектром светочувствительности палочек.
    Родопсин — сложный белок, состоящий из собственно белка-опсина и активного центра — ретиналя. По некоторым данным, опсин — соединение белка с фосфолипидом, основной строительный элемент светочувствительных мембран, на его долю приходится 92—95% мембранных белков. Две светочувствительные мембраны образуют диск. А стопка таких дисков (иногда несколько десятков и даже сотен) образует наружный членик палочки.
    Ретиналь — пигмент из группы каротиноидов — придает белку окраску. Его длинная молекула может изгибаться, приобретать разную геометрическую форму. Американский физиолог Дж. Уолд, удостоенный в 1967 г. Нобелевской премии за работу по фоторецепции, установил, что из всех возможных форм ретиналя только одна — цис-изомер — подходит к белковой части молекулы и участвует в механизме восприятия света. Квант света, попавший на молекулу родопсина, вызывает распрямление изогнутого цис-ретиналя. Распрямившаяся молекула ретиналя отщепляется от опсина и запускает процесс нервного возбуждения, для развития которого свет уже не нужен. В темноте родопсин восстанавливается, но продукты его распада не могут просто соединиться вновь. Этот процесс протекает в несколько стадий при участии ферментов. По строению ретиналь очень близок к витамину А, из которого он образуется. Если с пищей в организм поступает недостаточное количество витамина А, нарушается процесс синтеза ретиналя, восстановления обесцвеченного пурпура, что проявляется в сумеречной, так называемой куриной слепоте.
    Из колбочек глаза удалось выделить другой пигмент — йодопсин. Его спектральный максимум лежит в желто-зеленой области спектра (5550 А) и совпадает с максимумом чувствительности колбочек. Очевидно, йодопсин играет здесь ту же роль, что и родопсин в палочковом аппарате. Однако фотохимические превращения йодопсина изучены пока недостаточно.
    Итак, процесс восприятия света, как установил Д. Уолд, начинается с фотохимической реакции, в ходе которой происходит изменение конформации (геометрической формы) и распад молекул зрительных пигментов, а затем возникает электрический импульс. Колебания электрического потенциала сетчатки при ее освещении удается зарегистрировать в виде характерной кривой электроретинограммы (рис. 8). Однако энергия, освобождающаяся при фотохимической реакции, недостаточна для возникновения электрического импульса и распространения волны возбуждения по нерву. Расчеты показывают, что необходимо усиление этого процесса приблизительно на 4—5 порядков.
    Ученые Азербайджана во главе с Г. Б. Абдуллаевым получили данные, согласно которым в усилении фотоэлектрической реакции участвуют атомы селена. Этот «лунный» элемент, ближайший родственник серы, обладает полупроводниковыми свойствами и по своим оптическим характеристикам точно воспроизводит спектральную чувствительность глаза человека. Присутствие значительных количеств селена в сетчатке доказано. Даже однократное введение препарата этого элемента в организм значительно и длительно увеличивает световую чувствительность глаза.
   
Рис. 8. Электроретинограмма при слабой (1) и сильной (3) вспышках света и на фоне введения в организм селена (2, 4)

    Благодаря механизму цветового зрения мы воспринимаем окружающий мир во всем многообразии его цветов и окрасок. Каким же образом колбочки, имеющие примерно одинаковое гистологическое строение, могут «различать» не только интенсивность света, но и его качественные различия — цвета? Для объяснения этого явления предложено много гипотез. Великий исследователь природы М. В. Ломоносов первым высказал мысль о наличии в сетчатке разных цветочувствительных элементов. В исследованиях английского астронома Юнга и немецкого физиолога Гельмгольца эта идея приобрела форму научной теории. Ученые исходили из известного факта, что белый свет Солнца представляет собой смесь лучей разной длины волн (от 4000 до 8000 А) и разной окраски — от красных до фиолетовых. Давно известно, что можно подобрать такие пары цветов солнечного спектра, которые при смешении дают белый цвет (например, желтый и синий, оранжевый и голубой). Такие пары цветов носят название дополнительных. Смешением двух цветов можно получить и другие промежуточные цвета. Основываясь на чисто физических представлениях, Юнг и Гельмгольц предположили, что в сетчатке глаза имеются колбочки трех видов, обладающие максимальной чувствительностью в красной, зеленой и фиолетовой областях спектра. Каждый вид колбочек способен воспринимать лучи других длин волн, но с меньшей чувствительностью. Равномерное возбуждение всех трех видов колбочек дает ощущение белого цвета. Различные комбинации раздражений могут вызвать ощущение любого цвета солнечного спектра.
    Теория Юнга-Гельмгольца при всей ее простоте и логичности долгое время не располагала прямыми доказательствами. Смелое предположение ученых подтвердили опыты, в которых удалось отвести электрические потенциалы от отдельных палочек и колбочек. С помощью электроретинографии было доказано существование трех видов колбочек, обладающих различной чувствительностью к световым лучам с разной длиной волны.
    Еще одно убедительное доказательство существования трех различных видов колбочек представила медицина. Установлено, что до 8% мужчин и около 0,5% женщин страдает разными видами цветовой слепоты, называемой также дальтонизмом — по имени известного английского физика Дж. Дальтона, страдавшего наиболее распространенным дефектом цветового зрения — неспособностью различать красный и зеленый цвета. Существуют три формы дальтонизма, соответствующие выпадению функции каждого из трех видов колбочек. Описаны и комбинированные формы вплоть до полной цветовой слепоты. В каждом случае посмертно наблюдались недоразвитие либо дегенерация части или всего колбочкового аппарата.
    Гены, ответственные за функцию цветового зрения, расположены в половой, так называемой Х-хромосоме. У мужчин она одна. Наличие в ней дефектного гена ведет к дальтонизму. У женщин, как правило, вторая, не измененная Х-хромосома маскирует дефект, и потому цветовой слепотой страдают преимущественно мужчины.
    Каковы пределы чувствительности глаза к свету? Эволюция глаза шла в условиях солнечного освещения, поэтому максимальная энергия света, которую мог бы без Ущерба воспринять глаз, ограничивается максимальной солнечной освещенностью: 0,01 кал/сек. Это соответствует свету лампы примерно в 200 тыс. свечей, расположенной на расстоянии 1 м от глаза. Таков верхний предел. А нижний палочковый аппарат столь чувствителен к свету, что размер этой чувствительности трудно даже представить. Согласно точным опытам, глаз, адаптированный к темноте, с широко раскрытым зрачком способен уловить и зарегистрировать от 5 до 14 квантов света в секунду. Таким образом, глаз по своей чувствительности превосходит все существующие оптические приборы и близок к физическому пределу чувствительности.
    Спектр солнечных лучей весьма широк: он простирается от радиоволн до рентгеновских лучей, от бесконечно больших до бесконечно малых. Наиболее коротковолновые лучи — рентгеновские и почти все ультрафиолетовые — не достигают поверхности Земли. Из оставшегося диапазона солнечного спектра наши глаза способны уловить и воспринять лишь сравнительно узкий участок — от 4000 до 8000 А. Чем же обусловлен такой выбор?
    Лучи Солнца с длиной волны короче 2900—2950 А задерживаются слоем озона в атмосфере и практически не достигают поверхности Земли. Естественно, что существование глаза, приспособленного к восприятию более коротких лучей, было бы биологически бесцельным. Более того, ультрафиолетовые лучи, способные разрушать сложные органические вещества и убивать живые клетки, в больших дозах могут вызвать ожог глаз — сильную боль, слезотечение. Сетчатка глаз человека чувствительна к лучам и короче 4000 А, но эти лучи в нормальном глазу до сетчатки не доходят. Хрусталик играет роль предохранительного светофильтра, поглощая лучи короче 4000 А и даже часть фиолетовых и синих лучей. Благодаря этому сетчатка глаза может работать, не подвергаясь опасности разрушения.
    Таким образом, граница видимости лучей со стороны коротких волн (около 4000 А) биологически вполне оправдана.
    Все же ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 3200 А и даже еще короче воспринимаются глазом как лучи голубоватого оттенка. Строго говоря, они не являются, таким образом, невидимыми. Однако коротковолновая граница восприятия ультрафиолетовых лучей у разных людей различна. Видеть удается лишь интенсивные потоки излучения, и сетчатка глаза воспринимает, собственно, не ультрафиолетовые лучи как таковые, а вызванную ими голубоватую флуоресценцию (свечение) хрусталика. Биологического, информационного значения такое свечение не имеет. Впрочем, муравьи и пчелы видят в ультрафиолетовых лучах, и такое своеобразное зрение им, очевидно, полезно.
    Перейдем к другой границе видимости солнечного света, со стороны длинных волн. Здесь за пределами видимого света (7600 А) лежат так называемые инфракрасные лучи, излучаемые нагретыми телами. При температуре .тела человека максимум излучения лежит в области 9—10 мкм; с 1 см2 поверхности тела, в том числе и с внутренней поверхности глаза, излучается примерно 12 кал/сек, т. е. больше, чем попадает в глаз на прямом солнечном свету. Если бы эти лучи воспринимались сетчаткой, то «глаз внутри засветился бы миллионами свечей. По сравнению с этим внутренним светом потухло бы Солнце и все окружающее. Человек видел бы только внутренность своего глаза и ничего больше, а это равносильно слепоте» [С. И, Вавилов. Глаз и Солнце. М., Изд-во АН СССР, 1956, с. 114.]. Таким образом, и лучи, лежащие на длинноволновой границе видимого света, не могли бы в случае их восприятия глазом существенно обогатить наши представления о мире. Следовательно, пределы спектральной чувствительности глаза закономерны.
    Однако в природе встречаются случаи восприятия инфракрасных лучей. Их видят термоскопические глаза некоторых кальмаров. Гремучие змеи отыскивают добычу в кромешной темноте по тепловому излучению. Но эти исключения лишь подтверждают правило.
    Глаз приспособлен к рассеянному свету Солнца. Чувствительность его охватывает возможный диапазон интенсивности солнечных лучей. Переменная диафрагма — радужная оболочка — позволяет приспосабливаться к различным условиям облучения. Линза с переменной кривизной (хрусталик) обеспечивает четкое видение предметов, лежащих на разных расстояниях от нас. Благодаря особенности строения пределы восприятия лучей глазом ограничены биологически целесообразным диапазоном. Сетчатка защищена от вредных лучей. Ее спектральная Чувствительность совпадает с максимумом кривой энергии солнечного излучения. Все это — результат приспособления глаза к солнечному свету. «Глаз нельзя понять, не зная Солнца. Наоборот, по свойствам Солнца можно в общих чертах теоретически наметить особенности глаза, какими они должны быть, не зная их наперед» [1 С. И. Вавилов. Глаз и Солнце, с. 127.].

Горячее дыхание светила

    Древо жизни на Земле зародилось, окрепло и продолжает расти и развиваться под благодатными солнечными лучами. Познакомимся же поближе с источником этих лучей, попробуем понять секреты той щедрости, с которой Солнце освещает и обогревает наш уголок необъятного космоса.
    Размеры Солнца огромны: его диаметр 1400 тыс. км, т. е. в 110 раз больше, чем у Земли. Современная наука позволяет вычислить даже такой немалый груз, как вес Солнца. Эту величину (2·1027 т) довольно трудно представить себе. Если бы Солнце ежесекундно теряло по 1 млрд. т своей массы, то и в этом случае половину своей массы оно потеряло бы только через 30 млрд. лет. Благодаря своей огромной массе и, следовательно, большой силе тяготения Солнце удерживает на разных расстояниях от себя девять больших планет, несколько тысяч маленьких (так называемых астероидов), множество комет и других, более мелких небесных тел, образующих единую солнечную систему.
    Среди планет солнечной системы Земля имеет средние размеры: самая маленькая планета — Меркурий — в 18 раз меньше Земли, а гигант Юпитер — в 1345 раз больше. Расстояние Земли от Солнца —149,5 млн. км. Только благодаря громадным размерам и ослепительной яркости Солнца мы видим его на небосклоне в виде сверкающего диска, а не крохотной точки. Астроном Юнг писал по этому поводу: представьте себе ребенка с такой длинной рукой, что он может коснуться Солнца. Он прикоснулся к Солнцу и обжегся, но скончался бы в глубокой старости, прежде чем почувствовал боль, так как нервное раздражение распространяется, согласно Гельмгольцу, со скоростью около 30 м в секунду.
    Если бы звук мог распространяться через межпланетное пространство, то это расстояние он преодолел бы за 14 лет; аппарат, летящий со скоростью 800 км/ч, — за 21 год. А луч света, который в это мгновение влетает в ваше окно, покинул поверхность Солнца всего 8 минут тому назад. Скорость света, достигающая 300 тыс. км/сек,— непревзойденный рекорд в материальном мире.
    Если на границе земной атмосферы перпендикулярно лучам Солнца расположить площадку в 1 см2, то на нее ежесекундно будет падать около 2 кал солнечной энергии (более точно — 1,93 кал). Не менее половины этой энергии поглощается и рассеивается атмосферой. Солнечная энергия обусловливает испарение воды с поверхности водоемов и суши, а значит, и циркуляцию облачности, и выпадение осадков. В круговороте воды играют роль и величина поверхности водоемов, и характер почв, и рельеф суши, но главная, активная роль принадлежит, бесспорно, Солнцу.
    Не менее важно влияние Солнца на циркуляцию воздушных масс в атмосфере. Нагрев поверхности суши и водоемов солнечными лучами приводит к повышению температуры и уменьшению удельного веса прилегающих к ним воздушных слоев, вызывает конвекционные токи воздуха, перемещения воздушных масс из областей высокого давления в области низкого давления. Циклоны и антициклоны, бризы, муссоны и пассаты, тропические ураганы и пустынные самумы — все это различные способы расходования энергии солнечных лучей.
    На Землю поступает всего одна двухмиллиардная часть лучей Солнца. Энергии, излучаемой Солнцем за 1 сек (3,7·1026 дж), достаточно для того, чтобы растопить и довести до кипения слой льда вокруг Земли толщиной более 1000 км. Это ежесекундное излучение превышает то количество энергии, которое использовано человечеством за всю его историю. Каждые трое суток Солнце дарит Земле больше тепла и света, чем можно было бы получить при сжигании всех запасов угля и нефти, всех лесов планеты. И это излучение продолжается не секунду, не сутки, а на протяжении миллиардов лет.
    Только один источник энергии способен поддерживать нужную температуру в солнечной печи в течение десятков миллиардов лет — это термоядерные реакции слияния легких ядер в более тяжелые. Атомный вес водорода 1,008, а гелия 4,003. Значит, ядро гелия тяжелее ядра водорода почти в четыре раза. Если возможно слияние четырех ядер водорода в ядре гелия (а этот процесс осуществляется во время взрыва водородной бомбы), то как объяснить уменьшение массы вещества? Ведь атомный вес четырех ядер водорода — 4,032.
    Свет, подобно другим видам энергии, долгое время считавшийся чем-то нематериальным, в XX в. получил, наконец, права гражданства, как особая разновидность материи, столь же фундаментальная, как вещество. Первым шагом к этому выводу стало блестящее открытие русского физика П. Н. Лебедева, установившего в 1899— 1909 гг. материальность светового луча, его способность оказывать давление на тела. Затем Эйнштейн доказал, что превращение массы и энергии происходит одновременно и параллельно; для всех видов энергии справедливо соотношение Е = mc2, где Е — количество энергии, m — масса вещества, с — скорость света.
    Таким образом, кажущуюся потерю массы при слиянии ядер водорода в ядро гелия можно объяснить тем, что выделяющаяся в процессе слияния энергия «уносит» эту массу в виде квантов излучения. О том, как велика энергия, выделяющаяся в результате синтеза ядер, можно судить по таким данным: 1 г массы водорода соответствует 20 триллионам (20·1012) ккал тепла. Для получения такого количества энергии нужно сжечь 20 тыс. т каменного угля.
    Общее количество энергии, выделяемой Солнцем, колоссально лишь потому, что размеры светила громадны. Но если подсчитать, сколько энергии выделяется на каждый килограмм его массы, то окажется, что удельная теплоотдача Солнцем (4,4 кал/кг) существенно меньше, чем теплоизлучение человеческого тела (22 кал/кг).
    В глубинах гигантского термоядерного котла Солнца плотность вещества в 11,4 раза превышает плотность свинца, но оно остается газообразным. Точнее, это плазма — четвертое состояние вещества, при котором ядра атомов, лишенные электронных оболочек, упаковываются более плотно. Лучистая энергия, освобождающаяся в центральных областях Солнца,— это рентгеновское излучение, рожденное ядерными реакциями и столкновениями движущихся атомов и электронов. Бесчисленное множество зигзагов, поглощений и новых излучений совершает пучок рентгеновских лучей, прежде чем вырваться ив солнечных недр к поверхности. И хотя он распространяется со скоростью света, его путешествие по извилистому маршруту к поверхности занимает в среднем около 20 тыс. лет. На этом пути рентгеновское излучение постепенно преображается. После каждого зигзага длина волны излучения несколько увеличивается, пока рентгеновские лучи не превращаются почти полностью в ультрафиолетовый и видимый свет.
    В результате бесчисленного количества поглощений и излучений энергия достигает, наконец, такого сравнительно разреженного слоя солнечной атмосферы, который ужа не поглощает полностью идущий из глубин лучистый поток, хотя сам еще светится довольно ярко. Этот слой солнечной атмосферы, называемый фотосферой, толщиной около 300 км образует видимую глазом в телескоп блестящую поверхность Солнца, четкие контуры солнечного диска. О более высоких слоях атмосферы мы можем судить с помощью специальных приборов, либо в периоды солнечных затмений, когда яркий солнечный диск закрыт Луной. В эти краткие моменты удается обнаружить по самому краю Солнца тонкую полоску розового сияния с отходящими от нее во все стороны розовыми выступами различной формы — протуберанцами. Это так называемая хромосфера. Далее, на расстоянии иногда нескольких радиусов Солнца распространяется бледно-серебристое сияние — солнечная корона.
    Вся фотосфера Солнца состоит как бы из отдельных зерен, гранул, величиной 700—2000 км, которые разделены между собой темными промежутками. Продолжительность жизни гранулы — всего 3—5 мин.
    На видимой поверхности Солнца можно часто наблюдать и другие интересные образования — солнечные пятна. Двести лет назад астрономы полагали, что темные пятна — это вершины солнечных гор, возвышающиеся над океаном жидкой лавы во время отливов. На рубеже XIX в. английский астроном Уильям Гершель высказал предположение, что пятна представляют собой участки твердой холодной поверхности Солнца, видные в просветы между сверкающими раскаленными облаками. Сейчас мы знаем, что пятна лишь относительно темны и холодный на ярком солнечном диске они кажутся темными, так как их температура на 1100—1200° К [Величина 1 градуса по шкале Кельвина совпадает с величиной 1 градуса по Цельсию. Нулевая точка соответствует температуре —273° С (абсолютный нуль)] ниже температуры фотосферы. Размеры солнечных пятен различны: в среднем их диаметр 7—15 тыс. км, а наиболее крупные достигают в поперечнике 50—100 и даже 230 тыс. км. Пятна размером больше 40 тыс. км видны на Солнце невооруженным глазом. Возникают пятна на уровне фотосферы. Но дно пятна, образующее тень, располагается в среднем на 1000—1400 км глубже его краев. Таким образом, пятно представляет собой воронку, стенки которой видны как полутень. Крупные пятна более глубоки (см. рис. на вклейке). Вещество Солнца в пределах пятен находится в медленном вихревом движении, причем направление вращения в северном полушарии по часовой стрелке, в южном — против. Холодная материя поднимается в области пятна и растекается вдоль поверхности, постепенно прогреваясь.
    Самое интересное в солнечных пятнах — наличие колоссальных магнитных полей (2—5 тыс. гаусс). Величина их в тысячи раз превышает напряженность общего магнитного поля Солнца. Силовые линии располагаются так, как будто пятно представляет собой полюс гигантского прямого магнита с осью, направленной в глубь Солнца. Чем больше пятно, тем выше напряженность его поля. Источником этих полей служат электрические токи чудовищной силы — до 10 тыс. млрд. ампер. Струи горячего ионизированного газа выносят сгоревшее ядерное топливо в наружные слои, а охлаждающийся газ переносит свежие порции горючего к центру «котла». Вследствие вращения Солнца газовые потоки закручиваются в вихри, которые отрываются, как кольца дыма, поднимаются к поверхности и, пробиваясь сквозь фотосферу, образуют пары солнечных пятен. И пятна, и сопровождающие их мощные магнитные поля — проявления гигантских термоядерных процессов, происходящих в глубинах Солнца. Газ внутри пятен движется вдоль магнитных силовых линий и охлаждается за счет расширения.
    Пятна на Солнце наблюдаются главным образом по обе стороны экватора, чаще всего группами. Головное и хвостовое пятна группы обычно наиболее велики по размерам и имеют противоположную полярность. В северном и южном полушарии головные пятна групп всегда имеют противоположную полярность. Количество, размеры и длительность существования пятен на Солнце подчиняются своеобразным циклическим закономерностям. Самый короткий цикл имеет продолжительность 27 суток и связан с вращением Солнца вокруг своей оси. Наибольшее значение и известность имеет 11-летний цикл. Годы «спокойного Солнца», в течение которых пятен наблюдается очень мало, сменяются годами максимальной солнечной активности. С началом нового 11-летнего периода полярность пятен в северном и южном полушариях Солнца меняется на противоположную. Поэтому полный цикл солнечной активности составляет 22 года. Астрономы различают и более длительные циклы солнечной активности; их продолжительность 78—80, 190 лет и более.
    С солнечными пятнами, с ритмом их образования и исчезновения связаны и другие проявления солнечной активности — протуберанцы, факелы (гигантские светящиеся облака, имеющие более высокую температуру, чем окружающая фотосфера), вспышки. Они возникают всегда в непосредственной близости от пятен, где перепады напряженности магнитных и связанных с ними электрических полей достигают максимальной величины. Во время вспышки гигантские массы солнечного вещества со скоростью 1000—3000 км/сек и более выбрасываются из хромосферы. Вспышки возникают очень быстро — в течение 10—30 сек; они носят характер взрыва. Яркость вспышки в момент ее максимума может быть в три-четыре раза выше яркости фотосферы; солнечный диск на ее фоне кажется темным. Температура солнечного вещества в месте вспышки достигает 10—15 тыс. градусов, а ионизация атомов хромосферы увеличивается в 10 раз.
    Вспышки — источники мощного ультрафиолетового и рентгеновского излучений, радиоволн, а также больших потоков заряженных и быстро летящих частиц солнечного вещества, чаще всего протонов с энергией 100 млн. эв и больше. Протонные потоки, возникающие во время хромосферных вспышек на Солнце, представляют очень серьезную опасность для космонавтов, покидающих плотные слои земной атмосферы. Самая толстая оболочка космического корабля пока не в состоянии защитить людей от воздействия мощного излучения, от опасности лучевой болезни. В связи с этим очень большое значение имеет прогнозирование солнечных вспышек. Работы в этом направлении уже ведутся на протяжении нескольких лет. По величине, количеству и характеру пятен, по крутизне перепадов напряженности их магнитных полей ученые предсказывают (и не без успеха) не только время появления, но и мощность предполагаемых вспышек.
    Однако события, происходящие на Солнце, непосредственно касаются не только космонавтов. Вся наша Земля — не что иное, как гигантский космический корабль, летящий со скоростью 30 км/сек сквозь бездну космического пространства. И хотя воздушная оболочка — атмосфера — надежная защита земной поверхности, все же раскаты космических бурь, гигантские потрясения, охватывающие Солнце, доносятся и до нее всего за 8 минут, а солнечная корона столь широка, что, быть может, соприкасается с земной атмосферой.
    Если вспомнить, каковы масштабы явлений, происходящих на Солнце в периоды максимума его активности, легко понять, что ни расстояние, ни толстая воздушная оболочка не защищают полностью Землю от воздействия солнечных вихрей. Потоки невидимых излучений, колоссальные облака солнечного газа вторгаются тогда в верхние слои атмосферы. Наши органы чувств под покровом толстого воздушного одеяла остаются в неведении о штормах, прокатывающихся по окраинам атмосферы. Но неистовство этих бурь находит отражение во множестве грозных явлений. 12 ноября I960 г. астрономы увидели ослепительный взрыв на Солнце. Всего через шесть часов гигантское облако солнечного водорода (16 млн. км в поперечнике) столкнулось с Землей (скорость его движения в момент столкновения равнялась примерно 6,5 тыс. км в 1 сек). Вторжение посланников солнечной вспышки вызвало целую цепь сильнейших потрясений. Стрелки компасов заметались. На протяжении многих часов не действовала дальняя радиосвязь: ионизация воздуха настолько усилилась, что ионосфера перестала отражать радиоволны. Телетайпы отстукивали несусветную тарабарщину. Пилоты потеряли связь с контрольными станциями и радиомаяками. Красные сполохи полярных сияний просвечивали даже сквозь облака и были видны не только за Полярным кругом, но и в средних широтах. На севере электрические лампочки в домах мигали, как во время неистовой пурги, хотя погода стояла ясная, безветренная. Хаос продолжался больше недели. Конечно, такие вспышки бывают не часто, но в годы максимума солнечной активности опасность нарушений связи вполне реальна.
    Воздействие солнечной активности на земную жизнь не ограничивается моментами хромосферных вспышек. Циклоны, бури, смерчи нередко возникают в периоды максимумов активности Солнца. Первые упоминания о солнечных пятнах встречаются в древних китайских рукописях II—IV вв. н. э. Наши предки считали появление пятен на Солнце божьим знамением, сулившим стихийные бедствия, войны, эпидемии. В Никоновской летописи 1371 г. отмечается: «Того же лета бысть знамение на Солнце, места черны по Солнцу, аки гвозди...» Наводнения, грозы, ураганы, засухи, проливные дожди и другие сугубо «земные» явления причинно связаны с мерным пульсом жизни Солнца. В 1957 г., когда солнечная активность была высокой, согласно данным метеорологов, на Земле произошло 110 больших катастроф типа наводнений, засух и т. п. В 1961 г. Солнце было относительно спокойнее, и таких катастроф отмечено 30.
    В 20-х годах нашего столетия советский ученый А. Л. Чижевский поставил перед собой цель проследить причинную связь между событиями на Солнце и земной жизнью. Он обратился к летописям, к монастырским хроникам, дневникам путешественников, запискам астрономов, к данным статистики, медицины, ботаники и других наук. Столь разнообразные источники помогли ему выяснить удивительные закономерности: холера, чума, дифтерия и другие инфекционные болезни активизируются в годы, совпадающие с максимумами солнечной активности или непосредственно следующие за ними. Вмешательство человека — проведение вакцинаций, успешное лечение и изоляция больных — нарушили природную цикличность эпидемий (рис. 9). С колебаниями солнечной активности связаны также циклические изменения количества лейкоцитов в крови, содержания в ней сахара, солей калия и кальция, свертываемости крови, сдвиги электрического потенциала кожи людей, периодические колебания плодовитости коров. Даже толщина колец на срезах деревьев, характеризующая скорость нарастания их живой массы, обнаруживает 11-летшою периодичность (см. рис. на вклейке).
    С точки зрения механизмов влияния сдвигов солнечной активности на земную биосферу следует различать две группы факторов.
    1. Вспышки и другие гигантские катаклизмы, характерные для периодов максимума солнечной активности, оказывают возмущающее воздействие па верхнюю атмосферу Земли и в сочетании с некоторым увеличением количества излучаемой Солнцем энергии довольно существенно нарушают глобальную схему циркуляции воздушных масс и воды в атмосфере. В результате в разных районах земного шара увеличивается или, наоборот, резко уменьшается количество осадков, возрастает количество наводнений, засух и других стихийных бедствий. Когда солнечная активность относительно мала, циклоны, несущие влагу с Атлантики, проносятся над Средиземным и Черным морями, Кавказом и Казахстаном. При этом орошаются и зеленеют степи, покрываются растительностью пустыни, наполняются водой Балшах и Аральское море, а Каспий, питаемый на 80% Волгой, мелеет. В лесной полосе беднеют водой реки, высыхают болота. Там стоят суровые малоснежные зимы, летом жарко. На севере укрепляется вечная мерзлота. Но вот солнечная активность возросла, «дорога циклонов» сместилась к северу и прошла над Францией, Средней Россией. Сохнут степи, мелеют Балхаш и Арал, переполняются водой Волга и Каспий. Леса между Окой и Волгой заболачиваются, выпадают обильные снега, зимой часты оттепели, а лето дождливое. Солнечная активность достигает максимума — и циклоны несутся над Шотландией, Скандинавией, над Белым и Карским морями. Степь превращается в полупустыню, мелеет Волга. На севере тают льды, отступает вечная мерзлота, тундровые озера мелеют.

   

    Рис. 9. Зависимость заболеваемости дифтерией (а) и острыми сердечными заболеваниями (б) от солнечной активности
    Пунктирная линия — заболеваемость, сплошная — солнечная активность, вертикальная линия — начало противодифтерийных прививок
    Изменение закономерностей круговорота воды и циркуляции воздушных масс вторично вызывает разнообразные сдвиги в биосфере: интенсивность нарастания годичных колец древесины, активность размножения различных сапрофитных микроорганизмов почвы, насекомых (саранчи, клопа-черепашки), грызунов (полевых мышей, ондатр на юге, леммингов на севере), урожайность основных сельскохозяйственных культур обнаруживает более или менее четко выраженную 11-летнюю периодичность. В разных районах земного шара максимумы и минимумы кривой урожайности не совпадают. Массовое размножение грызунов приводит к развитию эпизоотии, а затем и эпидемий чумы, туляремии, безжелтушного лептоспироза, инфекционного гепатита и т. п., которые в эпоху отсутствия эффективных средств борьбы также периодически повторялись. Колебания водного режима рек, обусловленные все теми же глобальными нарушениями циркуляции, служили причиной периодического ухудшения условий водоснабжения, а с ними — и условий распространения водных эпидемий холеры, брюшного тифа, дизентерии. Тот же механизм лежит в основе периодических увеличений численности комаров, москитов, клещей и вспышек переносимых ими заболеваний — малярии, желтой лихорадки, клещевых энцефалитов и т. п.
    2. Однако не все проявления реакции биосферы на колебания солнечной активности развиваются за счет периодических сдвигов в системе атмосферной циркуляции и выпадения осадков. Наряду с описанным существует и механизм более прямого, непосредственного влияния солнечных вспышек и генерируемого ими коротковолнового излучения на многие биологические процессы. Так, непосредственно после возникновения вспышки на Солнце статистически достоверно увеличивается число уличных автомобильных катастроф в крупных городах и общее число смертельных исходов, существенно возрастает число нервно-психических заболеваний, точнее, случаев их обострений, частота инфарктов миокарда и гипертонических кризов у сердечно-сосудистых больных.
    По статистическим данным, полученным советскими учеными в Свердловске, около 73% случаев инфаркта происходит именно в дни магнитных бурь. Частота инфарктов в эти периоды возрастает вдвое, а число внезапных смертей от разных причин — в 2,6 раза. Причем чем сильнее буря, тем значительнее учащение острых, внезапных заболеваний и смертельных исходов. Магнитные бури сопровождаются также резким кратковременным снижением количества лейкоцитов и протромбинового индекса (показателя свертываемости крови), электрического потенциала кожи человека и т. п. Причем все эти события развиваются даже раньше, чем потоки солнечного вещества достигают земной орбиты. Приходится допускать существование механизма непосредственного воздействия электромагнитных возмущений, возникающих в результате солнечных вспышек, па человека, на его нервную и сосудистую систему, на биосферу в целом. Такие возмущения, распространяющиеся, по-видимому, со скоростью света, могут иметь электрическую, магнитную, электромагнитную природу; это может быть радиоизлучение Солнца, изменение солнечного излучения в оптическом диапазоне, корпускулярное излучение Солнца. Под их влиянием, очевидно, возникают изменения, непериодические вариации электрического и магнитного поля Земли, низко- и высокочастотные поля и т. п. Однако вся многозвенная цепь причинно-следственных связей и отношений, протянувшаяся из недр Солнца к глубинам клеток земной биосферы, еще не прослежена во всех деталях.
    Бесспорно лишь, что влияние Солнца на земную жизнь еще значительнее, многообразнее и сложнее, чем можно было бы думать. Горячее дыхание светила подчиняет своему ритму жизнь на поверхности одной из его планет. Какова природа этих волн солнечной активности, волн времени, на которых покачивается хрупкая лодка жизни? Какие таинственные силы приводят в движение солнечный маятник? Поиски ответа на эти вопросы ведутся давно.
    На рубеже XX столетия английский ученый Э. Браун предположил, что возникновение пятен — вихрей в солнечном веществе — связано с притяжением планет, вызывающим приливы на Солнце. Браун, в частности, отметил, что 11-летний ритм солнечной активности почти совпадает с периодом обращения Юпитера — самой массивной планеты солнечной системы, равным 11,86 года. В своем первоначальном виде эта гипотеза была недостаточно убедительна: ведь приливообразующая сила Меркурия, гораздо меньшего по размерам, но расположенного значительно ближе к Солнцу, превышает влияние Юпитера в семь раз. Однако колебаний солнечной активности, соизмеримых с периодом обращения Меркурия (около трех месяцев), не обнаружено.
    Существенный шаг вперед был сделан после того, как с помощью электронно-вычислительных машин рассчитали положение и движение общего центра тяжести солнечной системы в целом. Благодаря вращению планет вокруг Солнца с различной угловой скоростью этот общий центр тяжести смешивается и не совпадает с центром Солнца. Хотя общая масса планет не достигает и пятисотой доли массы Солнца, но они в силу своего положения на разных расстояниях от центрального светила влияют на положение центра тяжести. Американский астроном П. Джозе вычислил, что Солнце само вращается вокруг этого гравитационного центра с периодом 178,77 земных лет, а это соответствует длительности одного из циклов солнечной активности.
    Расчеты американских математиков К. Вуда и Р. Вуда показали, что сложная орбита движения центра тяжести солнечной системы регулярно (при определенном расположении планет вокруг Солнца) претерпевает резкие сдвиги, «скачки», отделенные друг от друга уже знакомым нам интервалом в 11,08 лет! Весьма вероятно (хотя окончательно еще не доказано), что эти «рывки» влияют на движение масс вещества в недрах Солнца, а через них — и на скорость термоядерных реакций. Отсюда — уже один шаг до объяснения причин колебаний солнечной активности, происхождения пятен, вспышек, выбросов солнечного вещества и т. п. Влиянием планет, по данным этих ученых, можно объяснить и смену магнитной полярности пятен, и широту их возникновения на солнечном диске, и существование других солнечных циклов. Следовательно, не только Солнце влияет на разнообразные стороны бытия планет, но имеет место и обратное, по-видимому, также существенное влияние. Близость к нам Солнца, его роль в нашей жизни, его беспокойный характер делают необходимым постоянное внимательное наблюдение за ним. Не только подсчет ударов солнечного пульса, но и проникновение в движущие им механизмы — вот достойная задача для науки нашего времени!

Энергия неиссякаемая и вездесущая

    Природные источники энергии — нефть, уголь, газ, торф, а также энергия рек, водопадов, ветров, используемые человеком, являются по существу концентратами солнечных лучей.
    Накопленная в течение миллиардов лет энергия Солнца расходуется во все возрастающем количестве. Пройдут сотни, а может быть, только десятки лет, и запасов земных источников энергии окажется недостаточно для удовлетворения нужд человечества. Правда, уже созданы промышленные установки, использующие энергию распада тяжелых атомных ядер; не за горами создание методов управления термоядерными процессами синтеза легких ядер, подобными тем, которые совершаются в недрах Солнца. Познание и использование этих источников помогут разрешить энергетическую проблему на Земле.
    Но есть еще один постоянный, неиссякаемый источник энергии — солнечный свет. Ежегодно Земля получает около 6·1017 квт-ч лучистой энергии. Это в 20 тыс. раз превышает потребность человечества в энергии на сегодняшний день. На долю каждого жителя Земли в сутки приходится свыше 1 млн. квт-ч энергии солнечного света. Это богатство практически не используется, за исключением ничтожной доли, усваиваемой растениями. Большая часть солнечных лучей, попав на Землю, отражается в мировое пространство, поглощается горными породами, поверхностными слоями морских вод, постройками городов, превращается в тепло.
    Люди уже приступили к прямому освоению и использованию солнечной энергии. Из нескольких возможных направлений наиболее простым кажется использование полупроводниковых солнечных батарей, непосредственно преобразующих лучистую энергию Солнца в электрическую. Работают солнечные батареи на принципе фотоэлектрического эффекта, открытого в 1888—1889 гг. русским физиком А. Г. Столетовым: кванты излучения выбивают с поверхности некоторых металлов электроны. Когда такой фотоэлемент включен в цепь, в ней под влиянием света возникает электрический ток. Чем больше энергия квантов света, тем шире круг металлов, пригодных для получения фотоэлектрического эффекта. Основная масса лучистой энергии Солнца (около 97%) сосредоточена в области длин волн 0,3—3 мкм. Превращать эту энергию в движение выбитых электронов способны фотоэлементы из кадмия, кремния, бора и некоторых других металлов высокой чистоты.
    Батареи, коэффициент полезного действия которых составляет 13—15%, ныне применяются при полетах автоматических станций к Марсу, Венере, при исследовании поверхности Луны. Использование этих батарей для удовлетворения земных энергетических нужд пока невозможно: слишком уж дороги их основные элементы — металлы-полупроводники. Однако не исключено, что в дальнейшем, по мере увеличения КПД солнечных батарей до 20— 25% и существенного снижения стоимости, станет возможным более широкое их использование. Чтобы этот способ использования энергии Солнца приобрел серьезное промышленное значение, необходимо будет покрывать полупроводниковыми пленками или пластинами большие пространства суши, а для выравнивания суточных колебаний выработки энергии включить в систему аккумуляторы (топливные элементы, способные переводить электроэнергию в химическую и обратно с КПД, близким к 100%). Для таких «полей» фотоэлементов требовались бы специальные защитные пластмассовые кассеты. Кроме того, они нуждались бы в постоянном квалифицированном уходе и надзоре. Это делает солнечную электростанцию такого типа нерентабельной (в ближайшем будущем).
    Другой проект предполагает вынести гигантскую батарею солнечных фотоэлементов площадью 9х9 км в космос, на высоту 30 тыс. км над определенной точкой земной поверхности. На такой высоте количество лучей, приходящееся на 1 см2 поверхности, а значит, и выработка электроэнергии вдвое выше, чем на Земле. Такая электростанция не зависит от погодных условий, не нуждается, следовательно, в выравнивании суточных колебаний выработки энергии и в постоянном уходе.
    Но особенности проекта создают другие трудности. Постоянный ток, отводимый от батареи, по кабелю передается на искусственный спутник Земли, где специальное устройство трансформирует его в высокочастотное излучение, удобное для транспортировки энергии на Землю без проводов. Там совершается новое ее превращение — в переменный ток удобной для потребителя частоты.
    Для улавливания лучистой энергии Солнца и ее преобразования непосредственно в электрическую может быть использован также термоэлектрический метод. Суть этого метода в следующем: две проволоки из различных металлов или сплавов, соединенные обоими концами, образуют термопару; если один из спаев нагреть, то в цепи потечет слабый электрический ток. Чем больше разница температур спаев, тем больше сила тока. Соединив параллельно несколько отдельных термопар, получим батарею термоэлементов. Если зачернить один из спаев батареи и подставить его лучам Солнца, такая система станет вырабатывать электричество непосредственно из солнечных лучей. А если на зачерненный спай будет падать не рассеянное излучение Солнца, а пучок лучей, предварительно сконцентрированный линзой или вогнутым зеркалом — рефлектором, то разница температур спаев может быть доведена до одной-полутора тысяч градусов. Соответственно возрастет и выработка электроэнергии.
    Задумываясь об энергетике будущего, о необходимости широкого использования солнечной энергии, ученые серьезно рассматривают и другие возможности, еще вчера относившиеся к области чистой фантастики. Так, академик Н. Н. Семенов полагает возможным осуществить, а затем и использовать в промышленных масштабах химическую систему, способную моделировать процесс фотосинтеза, накапливать солнечную энергию в виде энергии химической связи атомов органических соединений. Основания для такого смелого предположения Н. Н. Семенов видит в открытии ученых М. Е. Вольпина и А. Е. Шилова, осуществивших синтез аммиака и гидразина (фиксацию азота воздуха) при обычных температурах и давлении.
    Промышленный способ получения аммиака протекает при высоких температурах и давлениях. В клубеньках же бобовых растений бактерии осуществляют фиксацию азота в природных условиях. Этот процесс осуществляется микробами с помощью ферментных белков. Молекулы ферментов громадны. Но непосредственно осуществляет реакцию небольшая активная группа атомов, содержащая ионы ванадия или молибдена. Вольпин и Шилов показа-сли, что гидроокись ванадия фиксирует азот с КПД, близким к 100%. Четыре атома ванадия, переходя из двухвалентного в трехвалентное состояние, дают достаточно энергии для образования молекулы гидразина, а в несколько иных условиях — аммиака.
    Однако задача решена лишь наполовину. Модель биологического процесса усвоения азота должна предусматривать и механизм восстановления ванадия в двухвалентное состояние: реакция будет идти только в этом случае. По аналогии с живым организмом для этой цели следовало бы использовать солнечную энергию. Если работы, ведущиеся в этой области, окажутся плодотворными, можно будет наладить искусственный фотосинтез в промышленных масштабах. На огромных пространствах энергетических полей будут размещены кассеты с водным раствором взаимодействующих веществ и с непрерывным выходом продуктов реакции — богатых энергией соединений азота, углерода, водорода и кислорода. Производительность таких полей может вдвое-вчетверо превысить эффективность работы природных фотосинтезирующих машин-растений. Но и это — только планы, проекты.
    А каковы реальные возможности сегодняшнего дня? Они связаны в первую очередь с решением задачи сбора и концентрации солнечной энергии. Честь открытия такого способа принадлежит, очевидно, Архимеду. Древние источники сообщают, что более двух тысяч лет назад, в 212 г. до нашей эры, защищая родной город от нападения римлян, Архимед вывел население Сиракуз на стены города, вооружил их зеркалами и, сконцентрировав все их зайчики в одну точку, сжег римский флот. Так ли это было в действительности — сказать трудно, но идея сама по себе родилась в древности. Эффективность такого способа использования энергии Солнца сильно зависит от расстояния до объекта, приговоренного к сожжению. Чтобы поджечь сухое дерево на расстоянии 30 м, нужно вогнутое зеркало диаметром 3 м. Но если увеличить расстояние до 1 км, диаметр зеркала нужно увеличить до 500 м.
    Вряд ли кому-нибудь придет в голову заняться таким делом в наши дни. Но американский физик Дж. Пирс рассчитал, что чаша современного стадиона — весьма удобное место для экспериментов подобного рода и что недовольные болельщики могут попросту сжечь неугодного судью. Нужно только предварительно запастись кусками картона с наклеенной на них фольгой и потом одновременно направить все солнечные зайчики на жертву.
    Но если сконцентрировать солнечный зайчик для того, чтобы плавить металлы, получится солнечная печь. Гелиопечи, работающие во Франции, Испании, США, Индии, Алжире и других странах Африки, способны плавить металлы, кварц при 1500—2000° и более. На Пиренеях сооружена гигантская установка с 10-метровым параболическим зеркалом, собранным из 3500 маленьких стеклянных зеркал. В солнечном зайчике огромного зеркала, имеющем диаметр 50 мм, температура достигает 3400°С; это позволяет в течение 1 часа выплавлять 60 кг стали. Конечно, есть более дешевые способы плавки стали, но в солнечной печи получается особая сталь; она совершенно свободна от загрязнений и примесей, неизбежных при других методах плавки. Такой металл годен для самых ответственных специальных изделий.
    Еще более крупные гелиопечи позволят в будущем довести температуру до 4700°, а количество выплавляемого металла — до нескольких тонн. Теоретический предел температуры в таких печах — 5700°: невозможно путем концентрации лучей достичь температуры, более высокой, чем температура источника — в данном случае Солнца. Чтобы достичь более высоких температур, нужно использовать искусственный источник излучения — вольтову дугу.
    Большие возможности улавливания и использования энергии Солнца есть в нашей стране. В Средней Азии на 1 км2 поверхности падает в полдень поток лучистой энергии, равный по мощности Днепрогэсу. Южные районы страны — республики Средней Азии, Казахстан, Закавказье, Крым — в основном безлесные районы. Если удовлетворить потребность населения этих мест (более 50 млн. человек) только в горячей воде для бытовых нужд за счет энергии Солнца, то удалось бы сэкономить ежегодно более 3 млн. т угля. Но реальна ли эта задача?
    Определенный ответ на этот вопрос дают исследования ученых Физико-технического института Академии наук Узбекской ССР, где работает крупный отдел гелиофизики. Разработанные там проекты уже вошли или входят в жизнь. Вот некоторые из них. Крыша-котел позволяет получать воду с температурой 60—70°, а в случае нужды и более высокой (для бытовых нужд, обогрева дома) и даже аккумулировать тепло для использования ночью и в пасмурную погоду. Плоские водонагреватели конструкции узбекских гелиофизиков словно черепицей покрывают крыши дома. Изготовлены они из зачерненного снаружи рифленого металла, покрытого стеклом для получения «парникового эффекта», «горячего ящика». (Поглощая энергию видимого света, Земля, металл и т. п. частично излучают в более длинноволновой инфракрасной области. Стекло, задерживая это излучение, препятствует отдаче поглощенного тепла.) Внутри водонагревателей циркулирует вода. Если прибегнуть к двойному остеклению, удастся поднять температуру воды выше 70° С. Та же система летом может быть использована для охлаждения жилых помещений.
    Складная солнечная кухня-зонт пришлась по вкусу чабанам, геологам, изыскателям, строителям газо- и нефтепроводов. Кухня легко превращается в зонт со стулом, а ночью — в палатку, стоит лишь пристегнуть брезент.
    Конструкция бытового солнечного холодильника позволяет без затраты электроэнергии поддерживать температуру порядка + 2, +4° С. Зачерненная поверхность генератора нагревается (благодаря двойному остеклению) до 100—110° С, и в нем из поглотителя (хлористого кальция) выделяются пары аммиака. Под давлением в 18—20 атмосфер они поступают в концентратор и в сжиженном виде накапливаются в промежуточном резервуаре — ресивере. Ночью генератор охлаждается, давление паров в нем падает. Аммиак из ресивера испаряется и охлаждает внутренность холодильника, а надежная термоизоляция помогает сохранить низкую температуру и днем.
    В солнечной сушилке воздух, прогоняемый между разогретыми Солнцем зачерненными листами металла, нагревается до 60—80° С, а затем поступает в камеру, куда закладываются для сушки фрукты. Сухой горячий воздух отнимает у них влагу и выходит наружу. Трудно представить себе более простую конструкцию. А между тем она обладает очень важными преимуществами. В отличие от сушки на воздухе процесс в солнечной сушилке идет несравненно быстрее, и качество сушеных фруктов оказывается выше. Кроме того солнечный метод позволяет избегнуть загрязнения фруктов коптильным дымом.
    На принципе «горячего ящика» работают и простейшие опреснительные установки. Конденсируясь на внутренней поверхности стекла, влага стекает в специальные Резервуары. В южных районах нашей страны с помощью таких установок можно с 1 м2 остекленной поверхности получать 4—5 литров дистиллированной воды в сутки.
    Отличный способ улавливания и накапливания солнечной энергии — соляные бассейны. С глубиной в них увеличивается концентрация солей. Одновременно возрастает плотность воды, ее удельный вес (что препятствует перемешиванию слоев) и поглощение солнечных лучей. Поэтому самый глубокий, самый соленый и плотный слой воды оказывается и самым горячим. При глубине солнечного бассейна около 1 м температура придонного слоя может достигать 90—95° С. Накопленную энергию можно извлекать, превращая ее в пар низкого давления или отводя нагретую соленую воду в теплообменник. В последнем случае нижний горячий слой воды во избежание перемешивания следует отделить прозрачной пленкой. Устройство бассейна на берегу моря делает этот способ накопления солнечной энергии чрезвычайно простым и дешевым. Небольшие солнечные бассейны могут круглосуточно обеспечивать жилища горячей водой. Более крупные и глубокие бассейны могут аккумулировать тепло, необходимое в прохладное время года. Использование вместо соленой воды жидкого натрия позволит увеличить аккумуляцию энергии Солнца на 30—35%.
    Непосредственное использование энергии Солнца для нужд человека в наше время находится еще в зачаточном состоянии. Однако стремительное развитие энергетики, гелиофизики и полупроводниковой техники дает основание рассчитывать, что эра широкого использования лучистой солнечной энергии не за горами, что человек научится экономно, по-хозяйски использовать это великое богатство — неиссякаемый поток солнечного света.

Глава II.
Видимый свет

О природе света

    Все, что говорится в этом разделе, имеет прямое отношение не только к видимому свету, но и к его невидимым соседям по спектру электромагнитных волн — законы геометрической и физической оптики одинаковы для всего спектра.
    Первые, самые простые представления о свете возникли у людей в результате наблюдения. Любой источник света — пламя костра, свечи или свет фонаря — дает тень. Чем ближе к источнику света непрозрачный предмет, тем больше размер его тени, очертания которой всегда совпадают с контуром предмета. Такого рода наблюдения позволили сформулировать закон прямолинейного распространения света в однородной сфере (в данном случае — в воздухе).
    Находя блестящие кристаллы минералов, научившись полировать металлы, люди обратили внимание на отражение света, образование так называемых солнечных «зайчиков». В III в. до н. э. великий геометр Древней Греции Эвклид в своей книге «Оптика» так описал закон отражения света: независимо от характера отражающей поверхности, природы и силы света, угол, под которым луч отражается от зеркала, равен углу падения луча.
    Если на пути луча оказывается предмет с плоской гладкой поверхностью, то отраженный луч, изменив направление, останется тем же пучком света. Если поверхность, с которой встретился поток лучей, сферическая вогнутая (т. е. близкая к внутренней поверхности шара), то отраженные от нее лучи соберутся в одной точке, соответствующей центру шара,— фокусе. Наоборот, если поверхность предмета близка к наружной поверхности шара, то отраженные от нее лучи будут двигаться расходящимся пучком (как если бы они исходили опять-таки из центра шара). Во всех этих случаях мы имели дело с отражением. Но если освещенный Солнцем предмет имеет неправильную, шероховатую поверхность (что и бывает чаще всего), то к каждой точке этой поверхности падающие лучи подойдут под разным углом. Соответственно и отразятся эти лучи под такими же углами. Этот вид отражения света носит название рассеяния.
    Какая-то часть рассеянных лучей попадет в наш глаз, и это будет означать, что мы увидели предмет, от поверхности которого эти лучи отразились. Правда, каждый из нас неоднократно видел своими глазами даже не отраженный, а падающий мимо луч света. Солнечный луч, прошедший сквозь окно, или луч киноаппарата в темном зале виден потому, что он проходит не через идеальную среду, а сквозь воздух. Мириады пылинок, танцующих в нем, рассеивают часть света, и какая-то доля рассеянных лучей попадает в наш глаз и дает нам право утверждать, что мы видим проходящий мимо луч. Но если пучок света проходит через прозрачную камеру, воздух которой освобожден от пылинок, то мы увидим его только перед вхождением в камеру и после выхода. Внутри же он невидим.
    Наблюдая прохождение солнечных лучей из воздуха в спокойную и прозрачную воду, рассматривая предметы в воздухе и под водой, люди познакомились с явлением преломления света на границе двух прозрачных сред. Опустите в стакан с водой чайную ложку. Вам покажется, что ложка сломана, искривлена и что излом совпадает с поверхностью воды. Когда же ложка вынута из воды, вы убедитесь в своей ошибке. Видимость излома на границе двух сред объясняется тем, что лучи, отраженные от подводной части предмета, выходя в воздух, изменяют свое направление, преломляются, а лучи, отраженные от надводной части, не испытывают такого преломления.
    Луч Солнца, входящий в комнату через оконное стекло, изменяет свое первоначальное направление дважды. Сначала он преломляется на границе воздух — стекло, в толще стекла идет под углом к своей прежней траектории и, наконец, на границе стекло — воздух подвергается обратному преломлению. В итоге этого двойного поворота луч лишь несколько смещается (разумеется, если стекло не слишком толстое, и обе грани, поверхности его параллельны), не меняя первоначального направления. Поэтому сквозь стекло мы видим предметы там, где они находятся на самом деле.
    Зато попытка оценить на глаз глубину реки или озера, расстояние до дна обычно дает ошибочные результаты. Толщина прозрачного слоя здесь несравненно больше, и соответственно больше кажущееся смещение предметов, расположенных на дне. Для глаза, смотрящего прямо вниз, ошибка составляет примерно четверть действительного расстояния: дно кажется нам ближе, чем в действительности.
    В силу преломления солнечных лучей в атмосфере мы видим восход светила несколько раньше, а заход — чуть позже, чем это имеет место в действительности. Когда мы видим, что нижний край Солнца коснулся горизонта, на самом деле оно уже зашло.
    Первое упоминание о свойстве преломления света на границе двух прозрачных сред содержится в трудах древнегреческого философа Аристотеля (IV век до н. э.). Птолемей (II век н. э.), изучая преломление света небесных светил на границе атмосферы, пришел к неправильному выводу о пропорциональности угла преломления углу падения. Закон преломления света математически был сформулирован в 1630 г. французским физиком и философом Р. Декартом: соотношение углов преломления и падения зависит от состава сред, образующих границу раздела, и определяется формулой sina/sinb = n, где a — угол падения луча; b — угол преломления; n — постоянная величина, характеризующая преломляющие свойства граничащих сред,— показатель преломления.
    Законы распространения, отражения и преломления света, составляющие сущность так называемой геометрической оптики, были выведены на основании наблюдений и простых опытов. Но эти законы по существу ничего не говорят о физической природе света, его происхождении, источниках получения.
    Зрительные образы характеризуются прежде всего яркостью и цветом. Насыщенность окраски, цвета зависит от примеси белого цвета, который как бы «разбавляет» основной цвет. Но и яркость, и цвет — понятия субъективные. Физический смысл яркости света, если отвлечься от субъективности восприятия, обусловлен интенсивностью излучения энергии светящимся телом, источником — плотностью светового потока, исходящего из единицы поверхности источника. Распространяясь во все стороны, световые лучи попадают на другие поверхности, лишенные собственного излучения, и освещают их. Освещенность поверхности — еще одна объективная физическая характеристика — зависит как от яркости источника света, так и от расстояния до него. Поскольку лучи от источника распространяются по всем направлениям прямолинейно, на поверхность падает тем больше лучей, чем ближе к источнику она располагается. Расчеты и измерения показали, что освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.
    Что касается цвета, то И. Ньютон в 1665—1666 гг. впервые перевел субъективные качества цвета на объективный, точный язык меры, числа, физического закона. Пропустив через отверстие в ставне окна пучок солнечных лучей на трехгранную стеклянную призму, он получил на экране разноцветное, радужное изображение отверстия. Подобные опыты ставились и до Ньютона. Но величие гения в том и состоит, что он умеет по-новому взглянуть на старые, известные многим факты, дать им более глубокое истолкование. Ньютон пришел к выводу, что стеклянная призма разлагает белый солнечный свет на простые составные цвета. Как проверить это предположение? Может быть, выделить у радужного веера призмы один простой луч, например красный, и снова пропустить его через другую призму? Опыт был поставлен, и оказалось, что нового разложения цветов не произошло. Следовательно, выделенные призмой из белого цвета отдельные лучи действительно простые. После смешения разделенных призмой лучей можно снова получить исходный белый цвет. Свой вывод Ньютон сформулировал так: «Белизна и все серые цвета, между белым и черным, могут быть составлены из цветов, и белый солнечный цвет составлен из всех первичных цветов, смешанных в должной пропорции» [И. Ньютон. Лекции по оптике. Цит. по: С. И. Вавилов. Исаак Ньютон. М., Изд-во АН СССР, 1981, с. 84.].
    Пока все цветные лучи распространяются одним общим пучком, мы их не различаем, воспринимаем как белый цвет, который кажется нам простым. Но когда они преломляются в стеклянной призме, или в капельках влаги после дождя в атмосфере, или в луже около автомобильной стоянки, покрытой радужной пленкой бензина, каждый цветной луч преломляется по-своему, сильнее или слабее. Призма как бы развертывает компоненты белого луча в виде цветного веера. Это явление в оптике носит название дисперсии.
    В веере лучей, выходящих из стеклянной призмы, порядок цветов тот же, что в радуге: красный цвет сменяет оранжевый, желтый, зеленый, далее идет голубой, синий и фиолетовый цвета. Мнемоническая фраза «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» помогает запомнить этот порядок. Из лучей, входящих в состав солнечного света, зеленые, синие и фиолетовые преломляются сильнее, чем красные, оранжевые и желтые. Поэтому первый луч Солнца при восходе зеленый или синий, так же как и последний, прощальный луч заходящего Солнца. Однако зеленый луч виден только при очень чистом и спокойном однородном воздухе, когда вплоть до горизонта отсутствуют конвекционные восходящие токи в атмосфере. Поэтому лучше всего наблюдать зеленый луч, когда Солнце встает из спокойного моря.
    Пространственное разделение простых цветов дало в руки ученых первый объективный признак, лежащий в основе восприятия цвета. Другой классический опыт Ньютона раскрыл еще более удивительные свойства света. Когда ученый на стеклянную пластинку помещал линзу с очень небольшой выпуклостью, а затем освещал ее белым светом, вокруг точки соприкосновения линзы с пластинкой появлялось несколько концентрических радужных колец. Еще более удивительную картину он обнаружил после того, как осветил линзу одним из простых лучей (красным, синим и др.). В этом случае вокруг точки соприкосновения линзы со стеклом образовались концентрические светлые (красные, синие) и черные кольца. Чем дальше от центра, тем теснее прилегали кольца друг к другу. Измерив радиусы черных колец, Ньютон установил, что они относятся друг к другу, как квадратные корни из целых четных чисел: 2, 4, 6, 8 и т. д.
    В этом опыте удивительным и необъяснимым было наличие черных колец, несмотря на равномерное освещение линзы падающим светом, что давало основание предположить существование какой-то скрытой периодичности свойств светового потока. Необходимым условием появления обнаруженных Ньютоном колец было наличие тонкого зазора между стеклом и линзой. Ньютон рассчитал, что отношение толщин зазора для светлых (красных, синих и др.) и темных (черных) колец соответствует последовательным целым числам (1, 2, 3, 4 и т. д.). Для разных простых лучей ширина колец, так же как и ширина зазора, различна. Последняя может служить лучшей количественной оценкой простого цвета, чем показатель преломления, величина которого зависит от преломляющей среды. Величина, соответствующая ширине первого зазора между стеклом и линзой, получила позднее название длины волны данного простого луча К. Волны лучей видимого света имеют очень малую длину — миллионные доли миллиметра и меньше. Наименьшая она у фиолетовых лучей, наибольшая — у красных. Но об этом подробнее — в специальном разделе, посвященном цвету.
    Современник Ньютона астроном Рёмер определил другую характеристику света — его скорость. Согласно расчетам, скорость света в вакууме составляет 300 тыс. км/сек. Самые последние измерения дали для этой важнейшей физической константы значение 299.792.456,2±1,1 м/сек. В космическом пространстве и в пустоте скорость света одинакова для лучей всех длин волн. В веществе скорость света, наоборот, зависит от длины волны. Именно поэтому происходит разложение света Солнца при прохождении через стеклянную призму. Скорость света обратно пропорциональна показателю преломления среды, т. е. в известной степени зависит и от свойств среды.
    Есть еще одна важная характеристика света, на которую свойства вещества не влияют. Это так называемая частота колебаний. Чем меньше длина волны, тем больше ее частота, т. е. количество колебаний в единицу времени. Частота световых колебаний
, где с — скорость света;
— длина волны. Для оранжевого цвета, например, с длиной волны 6000 А имеем: 
= 0,5·1015 гц. Очевидно, именно частота в наибольшей степени характеризует то качество лучей, которое воспринимается человеком как ощущение цвета.
    Воззрения на природу света развивались по мере прогресса науки. Первое общее представление о свете пытался сформулировать Декарт. Описывая общую механическую картину мира, Декарт предположил, что свет представляет собою мгновенную передачу давления от источника света через эфир — среду тонкого строения, заполняющую все мировое пространство. В отличие от Декарта, голландский ученый X. Гюйгенс представлял себе распространение света как процесс упругих колебаний мирового эфира, без быстрого перемещения его частиц. Однако волновая теория света Гюйгенса была недостаточно разработана. Ее дальнейшему развитию помешала популярность выдвинутой Ньютоном теории корпускулярной природы света.
    Ньютон предполагал, что в процессе излучения света нагретое тело отдает часть своего вещества, частицы которого (корпускулы) несутся прямолинейно во все стороны с огромной скоростью, вызывая попеременные разрежения и сжатия эфира. Этим он пытался объяснить образование описанных выше колец. Ньютон не противопоставлял свою теорию волновой, но его последователи и ученики превратили корпускулярную теорию в антипод волновой. На протяжении почти 200 лет в науке господствовала корпускулярная теория света. Однако к концу XIX в. в физике накопилось немало фактов, объяснить и понять которые можно было только исходя из признания волновой природы света.
    Прежде всего это относится к явлению дифракции света. Встречающиеся в природе волны способны при определенных условиях огибать препятствие, заходить в область тени. При этом, чем меньше размер препятствия, тем легче огибает его волна. Когда длина волны и размер препятствия становятся соизмеримыми, волна как бы «не замечает» преграды. Способность волн огибать препятствия и получила название дифракции волн. Отсутствие дифракции света в обыденных наблюдениях может иметь следующее объяснение: либо свет — процесс не волновой, а корпускулярный (частицы, как известно, движутся прямолинейно), либо длина волны света столь мала, что наблюдаемые предметы неизмеримо велики по сравнению с нею.
    Эту проблему можно решить лишь опытным путем. Глаз человека перестает различать предметы, если величина их меньше десятых долей миллиметра. Лупа, а затем микроскоп в десятки, сотни раз повысили возможность глаза различать предметы. Однако увеличение больше, чем в 1 — 1,5 тыс. раз, уже не повышает разрешающую способность глаза. Наличие предела разрешения — это и есть искомое нами доказательство дифракции света и, следовательно, его волновых свойств.
    Другое доказательство волновой природы света связано с опытом Ньютона — образованием радужных колец. Если от двух источников колебаний бегут волны, то частицы колеблющегося тела участвуют в обоих колебательных процессах. Если частота колебаний и, следовательно, длина волны одинаковы, происходит странное на первый взгляд явление: на поверхности среды, например воды, в некоторых местах частицы колеблются особенно сильно. Между этими местами волнение частиц ослаблено или совершенно отсутствует. Это явление, получившее название интерференции, происходит в результате наложения волн друг на друга. В точках встречи волн в одинаковых фазах (например, двух гребней или двух впадин) они взаимно усиливают друг друга, дают максимум эффекта. Между областями максимумов, где сталкиваются волны, находящиеся в противоположных фазах (например, гребень и впадина), из-за взаимного уничтожения волн образуются минимумы эффекта. Кольца Ньютона, радужная окраска пленок бензина или масла, мыльных пузырей — все это частные случаи интерференции световых волн.
    В начале XIX в. английский физик Т. Юнг и французский физик О. Френель в своих работах доказали волновую природу света. Юнг истолковал явление цветных пленок с позиций интерференции, высказав мысль о том, что свет представляет собой поперечные колебания. Френель разъяснил сущность дифракции. Учитывая явления дифракции и интерференции, ученые сумели точно вычислить длину волн лучей разного цвета, их частоту и дать строго математическую и физическую характеристику цвета.
    Волновая природа света проявляет себя еще в одном интереснейшем физическом явлении. Его в отличие от других свойств света невозможно непосредственно увидеть или измерить. Узнали о его существовании, изучая прохождение света через прозрачные кристаллы некоторых минералов. Это свойство — поляризация света.
    В 1678 г. Гюйгенс писал: «Из Исландии... был привезен кристалл или прозрачный камень, весьма замечательный по своей форме и другим качествам,— но более всего по своим странным преломляющим свойствам» [Цит. по: У. Брэгг. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967, с. 131.]. Гюйгенса поразило, что, за исключением особых случаев, каждый луч, входящий в кристалл, разделяется на два луча, которые внутри кристалла распространяются по разным направлениям. По выходе из кристалла лучи принимают прежнее направление, но остаются двумя самостоятельными лучами, идущими параллельно друг другу. Если через кристалл шпата взглянуть на точку или букву, видны две точки или буквы (рис. на вклейке). Гюйгенс установил, что при вращении кристалла исландского шпата одно из изображений остается на месте, а второе вращается вокруг первого; его положение зависит от формы и положения кристалла. Иначе говоря, один луч ведет себя нормально, следуя законам преломления. Второй — необычно: его преломление зависит от положения кристалла, т. е., очевидно, скорость распространения этого луча в веществе кристалла различна в разных направлениях.
    Явление поляризации света нашло полное и убедительное объяснение с позиций представления о свете как поперечных колебаниях эфира. В каждом конкретном случае, в каждом элементарном акте излучения колебание распространяется в одной определенной плоскости. Но в обычном потоке излучения плоскости колебаний не совпадают, а распределяются хаотически. Так происходит потому, что в нагретом теле отдельные элементарные акты излучения совершаются независимо друг от друга. Свет таких источников не поляризован. В поляризованном же свете плоскости колебаний лучей совпадают или близки.
    Наиболее близкую аналогию явлению поляризации представляет распространение колебаний по шнуру, один конец которого закреплен, а другой — в руке. Встряхивая шнур, можно имитировать поперечные колебания в любой плоскости. Если два колышка забить близко друг к другу таким образом, что шнур окажется между ними, то условия для распространения волн в разных плоскостях, проходящих через шнур, станут неодинаковыми. В плоскости, параллельной колышкам, колебания смогут распространяться по-прежнему беспрепятственно. В направлениях, значительно отличающихся от этого, волны распространяются лишь до колышков, а далее гасятся.
    Нечто подобное происходит в кристаллах исландского шпата и некоторых других минералов. Оптические свойства этих кристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это явление называется оптической анизотропией. Кристаллическая решетка их атомов, подобно колышкам в нашей модели, пропускает лучи, электромагнитные колебания, распространяющиеся лишь в определенных плоскостях. В кристалле исландского шпата гасятся все световые колебания, кроме распространяющихся перпендикулярно его оси,— это так называемый обыкновенный луч. Световые колебания, плоскость которых перпендикулярна плоскости обыкновенного луча, образуют второй луч, отличающийся некоторыми особенностями. Оба луча оказываются поляризованными.
    Свет поляризуется не только при прохождении через анизотропные прозрачные кристаллы, но и при отражении от поверхности прозрачных тел. Лучше всего отражается свет, колебания которого параллельны поверхности стекла.
    Глаз человека не в состоянии отличить поляризованный свет от неполяризованного. Однако свойства поляризованного света нашли довольно широкое и разнообразное применение в технике. При пропускании поляризованного света через прозрачные (например, пластмассовые) модели промышленных изделий удается обнаружить распределение в них напряжений: при механическом сжатии или растяжении изменяются условия и скорость распространения волн, и поляризованный свет позволяет обнаружить участки, подвергающиеся наибольшей деформации, и оценить заранее поведение изделия, внести, если нужно, поправки в технологию.
    Поляризованный свет находит также применение в архитектуре, стереокино и т. п.
    Поляроидные очки, пропускающие лишь световые колебания, распространяющиеся в одной плоскости, гасят блики — отражения от разнообразных прозрачных и блестящих поверхностей, что бывает весьма важно и для водителей автотранспорта, и для работающих на производстве.
    Представление о волновом характере распространения света не могло обойти вопрос о природе колеблющейся среды. Гипотеза о мировом эфире — тончайшей материальной среде, заполняющей мировое пространство, оставалась недоказанным предположением. Ведь если эфир материален, его неизбежно должна увлекать Земля во время ее стремительного движения по орбите (со скоростью 30 км/сек); на противоположных точках земного шара скорость распространения света должна быть несколько различной. Однако даже самые точные опыты не выявили таких различий. Сомнения в существовании эфира и в реальности опирающейся на него волновой теории света высказывал еще И. Ньютон: «Что такое эфир? Я не могу ни видеть, ни чувствовать, ни осязать, ни нюхать его. Остается, ли он неподвижным или «дует», подобно ветру? Обладает ли он трением? Если обладает, то что удерживает Землю и другие планеты, вращающиеся и движущиеся в нем, от замедления, наподобие вращающегося волчка?» [Цит. по: А. Меркулов. За пределами зримого. М., «Машиностроение», 1971, с.]
    Через 200 лет, в 1865 г. шотландский физик и математик Дж. Максвелл, развивая идеи М. Фарадея, создал учение об электромагнитном поле, объяснив природу света электромагнитным волновым процессом. Электромагнитные волны представляют собой поперечные колебания, они могут распространяться и в пустоте. Представление о мировом эфире было отброшено. В конце XIX в. работами П. Н. Лебедева, Г. Герца, А. С. Попова и других ученых было доказано, что свет обладает всеми свойствами электромагнитных волн. Видимый свет представляет собой ничтожный по величине участок спектра электромагнитных колебаний, расположенный где-то в его середине.
    Однако волновая теория света недолго праздновала свою победу. Не прошло и пяти лет со времени открытия радиосвязи (1895), как выяснилось, что свет поглощается молекулами вещества отдельными порциями. На рубеже XX в. немецкий физик М. Планк, анализируя спектры излучения и поглощения атомов и молекул, пришел к выводу, что в этих процессах свет выступает как прерывная, дискретная реальность, как поток отдельных сгустков Энергии, которые он назвал квантами. Сам Планк считал гипотезу квантов не более чем удобным допущением. Но последующее развитие физики показало ее реальный смысл.
    Наиболее существенный вклад в развитие квантовой теории света был внесен А. Эйнштейном. По его предложению, кванты света получили название фотонов. Величина и энергия фотона возрастают при увеличении частоты и уменьшении длины волны света
    Е = h
,
    где Е — энергия кванта; h — коэффициент, так называемая постоянная Планка, имеющая значение 6,6·1027 эрг/сек;
— частота световых колебаний.
    Лучи света, падая на поверхность некоторых металлов, выбивают из нее электроны (фотоэлектрический эффект). Количество выбитых электронов уменьшается по мере ослабления интенсивности падающего света. Но одни лучи при любой интенсивности света дают фотоэффект, другие, более длинноволновые, не дают его даже в том случае, если мощность их потока увеличена во много раз. Объяснить эти явления волновая теория не могла. Зато представление о свете как о потоке корпускул оказалось очень удобным для объяснения: одни частицы света достаточно велики для того, чтобы вызвать фотоэлектрический эффект, другие, меньшие по размерам, не могут выбить из атома электрон. Реакция, как установил Эйнштейн, идет по такому типу: одна световая частица — один выбитый электрон; при изменении интенсивности света изменяется количество элементарных реакций. Когда же величина корпускулы недостаточна для выбивания электрона, этот «недостаток» света нельзя восполнить увеличением его интенсивности.
    Чтобы примирить «новорожденную» квантовую теорию с явлениями дифракции и интерференции света, находившими дотоле чисто волновое объяснение, Эйнштейн предположил, что световые волны очень слабы («волны-призраки»). Роль их сводится к переносу и распределению фотонов в пространстве, что и отражается в явлениях дифракции и интерференции света. Эта гипотеза в дальнейшем (1923—1924 гг. и 1951 —1952 гг.) была развита французским физиком Луи де Бройлем и существует поныне как один из вариантов объяснения единства волновой и корпускулярной (квантовой) природы света. Согласно этой гипотезе, световая волна очень малой амплитуды ведет и направляет частицу, или квант, представляющую собой область волны с высокой концентрацией энергии.
    Другое, статистическое объяснение единства волновых и корпускулярных свойств света, выдвинутое немецким физиком Максом Борном и развитое датчанином Нильсом Бором, немецким физиком Вернером Гейзенбергом, пользуется в наши дни большим признанием Это направление начало свое триумфальное развитие с создания Н. Бором в 1913 г. теории строения атома.
    Лучи, исходящие от раскаленных твердых и жидких тел или от газов под высоким давлением, образуют непрерывный спектр в виде сплошной полосы, в котором лучи с волнами различной длины непрерывно переходят один в другой. Иной вид имеют спектры светящихся газов. Они состоят из отдельных резких линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками. Эти спектры, называемые линейчатыми, образуются при излучении света отдельными атомами. Очевидно, атомы каждого элемента излучают свет лишь некоторых частот, т. о. кванты определенной величины.
    Если в пламя газовой горелки внести крупинку вещества, то в результате сгорания, испарения, нагрева оно даст свой характерный линейчатый спектр. В широких масштабах опыты такого рода впервые были проведены немецкими учеными Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом. Они установили, что каждый химический элемент при излучении дает свой, индивидуальный, набор спектральных линий.
    Следовательно, по характеру спектра неизвестного вещества можно определить его химический элементарный состав. Для этого достаточно сфотографировать исследуемый спектр и сравнить его со спектрами известных химических элементов. Если же вещество содержит в своем спектре линии, не похожие на линии известных элементов, это означает, что с помощью метода спектрального анализа открыт новый, дотоле неизвестный науке химический элемент. Именно таким способом Кирхгоф и Бунзен открыли легкие металлы рубидий и цезий, а другие ученые — таллий, индий, галлий.
    С развитием квантовой механики спектроскопия приобрела прочную теоретическую базу. Спектральный анализ стал точным и наиболее совершенным методом исследования качественного состава и строения вещества.
    Нет таких областей в современной науке, где не нашел бы себе применения этот изящный, глубокий и бесконечно содержательный канал связи с микромиром, уводящий нас в самые глубины материи и в бесконечные холодные бездны Вселенной. Мощь современных спектральных приборов такова, что астрофизик с их помощью улавливает, раскладывает в миниатюрную радугу и фотографирует излучение невидимых простым глазом, невообразимо далеких от нас звезд. Пространствовав по космическим далям многие тысячи и миллионы лет, этот свет доносит до нас правдивую и точную информацию о далеких, но близких нам по своей природе звездах, о бесконечно разнообразных мирах. Частокол светлых и темных линий, запечатленных в спектре-негативе, рассказывает о химическом составе атмосферы звезды — стоит лишь сопоставить его с атласом спектров — энциклопедией спектроскопии. Сегодня мы знаем, что какими бы необъятными пространствами Вселенной ни был отделен от нас этот далекий мир, состоит он из тех же атомов, из таких же химических элементов, как и наша Земля. Материальное единство мира доказывается методом спектрального анализа просто, логично и убедительно. Степень почернения линий спектра безмолвно говорит опытному глазу о температуре звезды, а ничтожное смещение спектральных линий к красному концу (так называемое доплеровское смещение) — о скоростях разлетающихся галактик.
    В геологии спектральный анализ помогает по мельчайшим, ничтожным примесям к горным породам находить кратчайший путь к месторождениям ценнейших ископаемых, облегчает всестороннее исследование геологических проб, доставленных в лабораторию.
    В медицине микроскопически малые пробы крови и тканей на языке спектров рассказывают о едва уловимых, но очень многозначительных сдвигах в содержании меди или кобальта, кальция или марганца, цинка или магния, развивающихся под влиянием болезней и помогающих разобраться в картине болезни, в ее причинах. Спектральный анализ взят на вооружение и криминалистикой, и судебной медициной. Много других, больших и малых проблем науки и практической деятельности человека решается с помощью этого незаменимого и универсального метода.
    Немецкий физик И. Фраунгофер, наблюдая с помощью спектроскопа сплошной спектр Солнца, обнаружил на нем большое количество темных линий. Фраунгофер доказал, что эти линии, названные впоследствии его именем, не случайны: они расположены в спектре Солнца всегда на одних и тех же, строго определенных местах. Происхождение линий Фраунгофера установил Кирхгоф. Пропуская свет лампы накаливания через сосуд с парами натрия (спираль лампы дает сплошной спектр), он заметил, что спектр перерезан двумя узкими черными линиями, расположенными на тех же местах, где обычно находятся хорошо известные желтые линии паров натрия. То, что натрий поглощает лучи из непрерывного сплошного спектра только в своей области излучения, позволило Кирхгофу сформулировать закон: линии поглощения атомов точно соответствуют линиям их испускания.
    Следовательно, линии Фраунгофера представляют собой не что иное, как спектры поглощения элементов, которые в виде газов и паров содержатся в атмосфере Солнца и звезд над излучающей поверхностью. Линии же гелия впервые были обнаружены в спектрах хромосферы и короны Солнца (отсюда «солнечное» имя этого элемента: в переводе с греческого гелиос — значит Солнце). Позже гелий был найден на Земле, в частности в атмосферном воздухе.
    Итак, стало ясно, что атомы разных элементов испускают и поглощают энергию сообразно законам, одинаковым для всех условий. Линии атомных спектров дали возможность установить существование определенной закономерной зависимости между ними.
    На рис. 10 показана серия спектральных линий самого простого химического элемента — водорода (так называемая серия Бальмера), относящихся к видимой области спектра. Расположение отдельных линий таково, что даже без математического анализа дает основание предположить существование какой-то скрытой закономерности. Анализ этой, а также других серий водорода (Лаймана и Пашена), расположенных соответственно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, позволил вывести общую формулу частоты спектральных линий
   
    где R — постоянный коэффициент; n и m — последовательные целые числа, имеющие значение m >= n+1; для серии Лаймана n = 1, для серии Бальмера n = 2 и для серии Пашена n = 3.
    Спектры других элементов труднее поддавались анализу, но и для них были установлены соответствующие закономерности. Объяснить законы излучения и поглощения света веществом с помощью волновой теории не представлялось возможным. Зато в рамках квантовой теории эти явления получили естественное объяснение и их открытие способствовало торжеству квантовомеханических представлений.
   
Рис. 11. Схема энергетических уровней атома водорода, иллюстрирующая образование спектральных серий (n = 1 — основной стабильный уровень электрона)

    Атомы каждого элемента могут иметь только определенные энергетические состояния, квантовые уровни, переходы между которыми совершаются благодаря излучению и поглощению энергии строго определенными порциями — квантами. Из многих квантов света, падающих на данный атом, поглощаются только те, которые по величине своей энергии соответствуют разности энергий его квантовых уровней. Поглотив такой квант, атом переходит на высший энергетический уровень. Но в этом состоянии он неустойчив, поэтому мгновенно совершается обратный процесс — высвечивание поглощенного кванта энергии и возвращение атома в исходное, невозбужденное, состояние. Перейти на более высокий энергетический уровень атом может также в результате нагрева. Высвечивание и в этом случае происходит по описанному выше закону. Низшее энергетическое состояние атомов, в котором газ не светится, является наиболее устойчивым, основным (рис. 11).
    Что же это за гипотетические уровни энергии? Существуют ли они только в нашем представлении или внутри атомов действительно есть какие-то энергетические ступеньки?
    Чем ближе к ядру расположен электрон, тем ниже его собственная энергия и тем больше нужно приложить усилий, чтобы выбить его или перевести на более далекую орбиту. Превращения, происходящие с внешними электронами атома, требуют меньшего количества энергии, т. е. квантов меньших энергий. Испускание же рентгеновских лучей связано с внутренними электронными оболочками атомов.
    В ходе развития атомной физики гипотеза энергетических квантовых уровней, как и гипотеза существования квантов, нашла полное подтверждение. Новейшие открытия позволили проникнуть во многие сокровенные тайны строения вещества, раскрыли физическую природу света. Волновая теория отлично объясняет явления дифракции и интерференции. Возрожденная корпускулярная теория дает объяснение законам испускания и поглощения света. Выходит, как это ни удивительно, что свету присущи и волновые, и корпускулярные свойства. Природа вещества, состоящего из атомов, которые, в свою очередь, построены из протонов, нейтронов и электронов, казалась более понятной, чем двойственная природа света, соединяющего в себе свойства волны и материальной частицы.
    Фотоны обладают удивительными свойствами. В сильном электрическом и гравитационном поле атомных ядер квант света может распадаться на две элементарные частицы, несущие противоположные заряды — электрон и позитрон. А при других условиях возможен и обратный процесс. Ученые сумели получить мощные потоки быстро летящих элементарных частиц (электронов, протонов) и установили, что при встрече с небольшими преградами или отверстиями частицы вещества дают такую же дифракционную картину, как и свет, т. е. они обладают волновыми свойствами.
    Свет исходит из вещества, рождается в нем и, поглощаясь, исчезает в веществе. Их встреча всегда приводит к взаимодействию. С одной стороны, вещество отражает, преломляет, поглощает свет. С другой стороны, свет, встречаясь с веществом, может оказывать на пего разнообразное действие. Фотоны — снаряды солнечной артиллерии — давят на материальные тела. Механическое давление света Солнца на перпендикулярно поставленную и абсолютно поглощающую поверхность составляет около 0,5 мг/м2. Лучистая энергия может вызывать химические изменения в веществе: процесс фотосинтеза, почернение фотографической пластинки, ощущение света в сетчатке глаза, образование загара. Под действием излучения происходит фотоэлектрический эффект. Нередко при прохождении светового потока через вещество последнее начинает светиться (явление фотолюминесценции). Наконец, поглощаясь веществом, свет нагревает его.
    Выявленное в ходе развития физики и оптики противоречие волновых и корпускулярных свойств световых явлений — проявление реально существующего единства противоположностей. С точки зрения классической физики представления о непрерывных волнах и прерывных частицах исключали друг друга. Физика XX в. для объяснения наблюдаемых фактов берет на вооружение диалектико-материалистическое представление о материи как о единстве прерывного и непрерывного, вещества и света, массы и поля, волн и частиц, рассматривая эти свойства как взаимно дополнительные.

Кванты и жизнь

    Величина механического давления света на вещество настолько мала, что оно сказывается лишь на поведении мельчайших частиц космической пыли и газа, попадающих в сферу влияния Солнца, например на хвосты комет, приближающихся к Солнцу. Кометные хвосты состоят преимущественно из паров и газов, образующихся при испарении вещества ядра кометы. Пройдя точку наибольшего приближения к Солнцу, комета начинает удаляться от него. Хвост кометы и при приближении к светилу, и при удалении от него направлен радиально в сторону от Солнца. Есть все основания предполагать, что образование хвостов комет происходит в результате механического давления света на частицы паров, газов и пылинки кометного вещества.
    Казалось бы, эффект светового давления не имеет и не может иметь значения для развития жизни на Земле. Однако по представлениям новой науки — экзобиологии, изучающей жизнь вне пределов Земли, существенную роль в переносе микроорганизмов может играть световое давление.
    Выдающийся шведский ученый С. Аррениус почти 100 лет назад высказал мысль, что, возможно, простейшие живые организмы, возникшие на одной из планет, токами воздуха могут заноситься в очень высокие слои атмосферы, а затем переноситься на другие планеты. Предположение о населенности космического пространства живыми организмами, получившее название теории панспермии, подверглось суровой критике со стороны биологов-материалистов. Одни видели в ней попытку косвенно опровергнуть теорию возникновения жизни на Земле в ходе органической эволюции. Другие утверждали, что в космосе отсутствуют элементарные условия, необходимые для существования самых простых организмов: температура, близкая к абсолютному нулю (—273° С), космический вакуум, мощные потоки излучений мало благоприятствуют существованию даже простейших форм жизни. Кроме того, трудно представить, каким образом одноклеточные живые организмы могут преодолеть гигантские космические пространства, отделяющие одну планету от другой. Теория Аррениуса, не давшая ясных ответов на эти вопросы, постепенно потеряла значение.
    Сейчас на новой научной основе вновь возникло предположение о принципиальной возможности переноса некоторых форм жизни через пространства космоса. В самом деле, споры некоторых грибков и бактерий, живущих в верхних слоях земной атмосферы, имеют достаточно толстую оболочку из веществ, поглощающих ультрафиолетовые лучи, и обладают удивительной устойчивостью к действию ионизирующей радиации в огромных дозах. Многие споры хорошо переносят отсутствие кислорода и температуру, близкую к абсолютному нулю, самые большие разрежения (до 10-10 — 10-11 мм рт. ст.), создаваемые в земных лабораториях.
    Таким образом, существуют формы жизни, способные переносить воздействие факторов космического пространства, сохраняя жизнеспособность. Благодаря очень малым размерам споры грибков и бактерий могут заноситься восходящими токами воздуха в высокие слои атмосферы, а преодолеть притяжение планеты и просторы космоса им помогут кванты солнечного света. Солнечный ветер — поток протонов, выбрасываемых Солнцем, постоянно дующий сквозь орбиты планет — может, по расчетам американского астрофизика К. Сагана и некоторых других современных ученых, также способствовать переносу простейших форм жизни из внутренних областей солнечной системы к внешним.
    В научной печати последних лет появились сообщения о том, что в некоторых падающих на Землю метеоритах (углистых хондритах) найдены образования, весьма напоминающие микроорганизмы. Неопровержимых доказательств космического, а не земного происхождения этих организмов пока нет. Если они будут получены, значит, существует еще один путь переноса живых существ через космическое пространство. Возможно, что, ступив на почву одной из ближайших к нам планет (например, Марса), человек найдет там некоторые знакомые формы жизни.
    Принципиальная возможность путешествия некоторых живых существ с одних небесных тел на другие, по-видимому, обоснована. В реализации этой возможности не последнюю роль играет солнечное давление.
    Сила светового давления в наши дни перекочевала из книг фантастов на страницы серьезных научных проектов. Нельзя ли использовать эту силу для разгона космических кораблей вместо ракетных двигателей? Оказалось, можно! Уже разрабатываются конструкции космических яхт с гигантскими парусами-отражателями. Их наполняет солнечный ветер. И гонимые этой неощутимой, но постоянно создающей ускорение силой, отважные космонавты полетят к Юпитеру, Сатурну, навстречу неведомому.

Что такое цвет

    Свойство тел вызывать определенные ощущения в зависимости от спектрального состава отраженного или испускаемого телами света называется цветом. Ощущение цвета возникает в сетчатке глаза под влиянием световых волн, подобно тому, как ощущение звука возникает во внутреннем ухе под влиянием звуковых колебаний определенной частоты.
    Наблюдаемые в природе и видимые глазом цвета разделяются на две группы: ахроматические и хроматические. К ахроматическим относятся белый, серый и черный цвета. Они различаются лишь количеством отраженного света — коэффициентом отражения. Средний человеческий глаз различает в гамме ахроматических цветов около 300 оттенков. Хроматические цвета — это цвета и оттенки, различаемые нами в спектре.
    Границы видимого глазом спектра, так же как и границы отдельных цветов, люди воспринимают по-разному. Советский ученый Пинегин установил, что в определенных условиях глаз человека способен различать световое излучение в диапазоне от 3020 до 9500 А. Но все же на основании обследований сотен людей удалось установить,) что ощущению каждого цвета соответствуют волны определенной длины. Изменение цвета при изменении длины волны происходит неравномерно (табл. 1). Наиболее узкий спектральный пучок образуют желтые лучи.
    Все хроматические лучи характеризуются тремя основными параметрами: цветовым тоном, насыщенностью и яркостью. Тон определяется длиной волны (обозначается греческой буквой
). Количество оттенков хроматического цвета, различаемых глазом, достигает 1000—1500. По длине волны в спектре видимого цвета выделяют три участка: длинноволновый (красный и оранжевый цвета), средневолновый (желтый и зеленый цвета) и коротковолновый (голубой, синий, фиолетовый цвета).

    Таблица 1
    Спектральные пределы видимых глазом цветов

    Насыщенность, или чистота света (Р) зависит от степени «разбавления» спектрального цвета белым. Наконец, яркость хроматического цвета (В) связана с интенсивностью падающего на окрашенный объект общего светового потока.
    Обычно в наш глаз поступает лучистый поток смешанного состава, содержащий лучи различной длины воли, разных цветов спектра. Глаз воспринимает смесь лучей как некий новый цвет, отличающийся от лучей, входящих в его состав. В этом состоит принципиальное отличие зрения от слуха: в сложном аккорде, состоящем из нескольких звуков разной высоты, отчетливо слышится каждый звук, и опытный музыкант точно назовет все ноты, прозвучавшие одновременно. Для глаза все волны видимой части спектра сливаются в единый цвет (белый), в котором не выделяются отдельные слагающие его цвета. Выделить их можно лишь с помощью призмы, развертывающей пучок белого солнечного света в разноцветную радужную полосу — спектр.
    Смешение двух простых цветов может дать разные результаты. В одних случаях образуется белый цвет (при смешении оранжевого и голубого, желтого и синего); такие пары цветов называются дополнительными. В других случаях при смешении возникает третий простой цвет (например, зеленый из смеси голубого и желтого). Возможно появление также цвета, отсутствующего в спектре (например, пурпурного при смешении красного и фиолетового). Таким образом, с точки зрения различения лучей глаз — весьма несовершенное орудие познания окружающего нас мира, уступающее по своим способностям органу слуха и даже обоняния.
    Лучи видимого света, дающие ощущение различных цветов, могут возникать и в процессе так называемого холодного свечения, или люминесценции. Но главным источником излучения служат нагретые тела.
    Законы испускания света разработаны применительно к излучающему телу, полностью поглощающему лучи. В природе не существует абсолютно черного тела. Но представление о нем позволило математически осмыслить закономерности излучения света.
    Согласно первому закону излучения (закону Стефана — Больцмана), мощность потока лучей, испускаемых абсолютно черной поверхностью,

    Eт =
T4

    где Т — температура поверхности в градусах Кельвина; 
— постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,7·10-5 эрг·см2/град-4.
    Таким образом, нагретое тело как бы «испаряет» световые кванты тем энергичнее, чем выше его температура. Количество излучаемых квантов пропорционально четвертой степени температуры тела.
    Второй закон излучения (закон смещения Вина) характеризует спектральный состав излучения при изменении температуры излучающего тела. При повышении температуры высвечивание усиливается на всех длинах волн. Максимум излучения перемещается в сторону более коротких волн (рис. 12). Закон Вина гласит: произведение длины волны, лежащей в области максимумов излучения
макс, и температуры тела Т есть величина постоянная, т. е.
максT = A

    Представим себе, что в кузнечном горне мы раскаляем кусок металла. Пока температура его не превысит 1000° С, максимум излучения лежит в далекой инфракрасной области. С повышением температуры в спектре последовательно появляются красные, оранжевые, желтые, зеленые лучи; максимум приближается к красной границе спектра. При 2000° С светится весь видимый спектр, а излучение приобретает белый цвет (белое каление). По мере достижения температуры 3500—7500° С максимум интенсивности излучения проходит через всю видимую часть спектра, удаляясь в ультрафиолетовую область.
    Таким образом, экономически наиболее выгодным был бы источник видимого света с температурой 6000— 7000° С. Современная техника пока не в состоянии создать такой источник. Но в природе он существует — это Солнце. Глаз человека приспособился к восприятию определенного диапазона электромагнитных колебаний не случайно, а в силу того, что он лежит в зоне максимума солнечного излучения.
    Спектр излучения Солнца воспринимается глазом как белый свет. Но окружающие нас предметы не кажутся нам однотонными. Значит, в природе действуют какие-то еще не рассмотренные нами факторы, которые в ясный солнечный день придают зеленую окраску листьям деревьев, желтую — головкам подсолнухов, красную — макам, хотя они собственного видимого света не излучают.
   
Рис. 12. Положение спектрального максимума излучения при различной температуре излучающего тела

    Чем же объяснить существование столь разнообразной окраски у окружающих нас предметов? Вероятно, здесь существенное значение имеет состав света, освещающего предметы. При вечернем освещении синий цвет кажется черным, а желтый и зеленый выглядят более тусклыми, чем днем. Почему?
    Если перед щелью, через которую на призму падает пучок белого света, поставить красное стекло, то красный участок спектра не усилится: зато все остальные цвета спектра, кроме красного, исчезнут. Таким образом, красное стекло лишь выделяет, сохраняет красный участок спектра, поглощая все другие лучи видимого света, а не превращает в красный остальные цвета спектра. Если вместо красного стекла поставить желтое, спектр почти не меняется; на месте остаются все лучи, за исключением крайнего синего и фиолетового участка. Керосиновая лампа и лампа накаливания дают желтоватый свет, в котором, как мы теперь знаем, практически отсутствуют синие и фиолетовые лучи: температура источника света слишком низка, чтобы излучать в этой коротковолновой области. Синее сукно на солнечном свету кажется синим потому, что поглощает все лучи, кроме синих; они-то и попадают в наш глаз, давая соответствующее ощущение. Свет же искусственных источников, лишенных синих лучей, сукно поглотит полностью и будет казаться поэтому черным. Желтых и зеленых лучей в спектре ламп накаливания также относительно меньше, чем в солнечном свете. Не удивительно, что соответствующие тона при вечернем освещении кажутся более тусклыми, чем днем.
    Чтобы «дополнить» свет искусственных источников недостающим коротковолновым излучением, используют ртутные лампы, ультрафиолетовое излучение которых превращают в видимое с помощью смеси светящихся веществ — люминофоров. Так устроены, в частности, лампы дневного света, спектр которых почти повторяет солнечный.
    Однако не только состав падающего света влияет на восприятие цвета глазами. Подавляющее большинство окружающих нас предметов собственного света не излучает. Лучи, которые достигают глаз и информируют нас о форме, величине, цвете предметов, расстоянии до них,— это отраженные лучи. Они возникли в источнике света, достигли предмета, отразились от него и попали на сетчатку глаза. Представим себе, что рассматриваемый нами предмет — абсолютно черное тело, что он полностью поглощает все падающие на него лучи. Очевидно, при этом ни один квант света не отразится от предмета и не попадет в глаз. Такое абсолютно черное тело мы попросту не увидим, оно будет казаться нам чем-то вроде черного провала в потоке света.
    Рассмотрим противоположный случай. Предмет, попавший под лучи Солнца, не поглощает их. В этом случае, если предмет совершенно прозрачен, лучи проследуют своим путем, а предмет окажется невидимым для глаза (таковы воздух, вода, стекло в относительно тонких слоях). Когда же предмет окажется непрозрачным для лучей, но и не будет поглощать их, он полностью отразит лучи в окружающее пространство.
    В реальной природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно прозрачных тел. Подавляющее большинство предметов на Земле одновременно и поглощает, и отражает, и рассеивает, и пропускает свет. По отношению к лучам с различными длинами волн одно и то же тело ведет себя по-разному. Зеленый лист, например, поглощает свет в красной и синей областях спектра, а в зеленой отражает. Отраженные лучи, попадая на сетчатку глаз, и дают ощущение зеленого цвета.
    Предметы, особенно их поверхностные слои, избирательно поглощают из падающего лучистого потока определенные лучи, остальные отражают и рассеивают. Именно отраженные и рассеянные лучи в совокупности и дают ощущение цвета предмета. При этом вовсе не обязательно, чтобы отражался какой-то один чистый спектральный цвет. Ведь сочетание двух, трех и больше цветов дает ощущение одного цвета, которое мы и воспринимаем как цвет данного предмета. Если же предмет кажется нам белым или серым, значит, он отражает лучи разных длин волы более или менее равномерно.
    Таким образом, состав вещества или во всяком случае состав поверхностных слоев предметов, обусловливая избирательное поглощение, отражение и рассеяние падающих на него лучей, оказывает значительное, нередко решающее влияние на цвет предмета. Предметам живой и неживой природы придают окраску, цвет особые химические вещества, обладающие свойством избирательного поглощения лучей, называемые красящими веществами — красителями, или пигментами. Таковы хлорофилл — пигмент, действующий в процессе фотосинтеза, родопсин и йодопсин — зрительные пигменты.
    Наконец, остановимся на роли рассеяния света. В древние времена люди считали небо действительно существующим голубым куполом, опирающимся на плечи титана Атланта. Небесный свод фигурировал в качестве библейской «тверди» и «небесных сфер» в древних геоцентрических системах мира. Средневековые схоласты спорили о характере материала, из которого он изготовлен. Одни из них склонялись мыслью к стеклу и хрусталю, другие — к драгоценным камням синего цвета (сапфиру и др.).
    Правильное представление о небе было дано великим ученым эпохи Возрождения Леонардо да Винчи: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху темнотой». Сейчас гениальное предвидение философа подтверждено экспериментально. Космонавты, пройдя плотные слои атмосферы, видели над собой абсолютно черное небо, на котором одновременно сияли Солнце, Луна и звезды.
    Научное объяснение голубого цвета неба было дано в работах английского физика лорда Рэлея (Дж. У. Стретта) в 1871 г. Оказалось, что молекулы газов воздуха, точнее их конгломераты, рассеивают лучи Солнца. Чем короче волны лучей, тем сильнее они рассеиваются. Синие и фиолетовые лучи рассеиваются вдвое интенсивнее, чем красные. Поэтому, когда мы смотрим на небо, мы видим рассеянные лучи, среди которых преобладают голубые, синие и фиолетовые. Зато диск Солнца по мере приближения к закату становится все более красным: чем длиннее путь света в атмосфере, тем относительно больше в его составе красных и оранжевых лучей.
    Чем выше поднимается человек над поверхностью Земли, тем гуще, синее становится окраска неба. Крупные частицы вещества (пылинки, капельки воды) рассеивают все лучи одинаково. В случае, когда этих частиц много, синий цвет неба становится бледным. Поэтому интенсивность окраски небесного свода может быть мерилом чистоты воздуха. Благодаря рассеянию солнечного света воздухом смена дня и ночи происходит не мгновенно, а постепенно. В пасмурные дни освещение создается рассеянной радиацией. Ее существование обеспечивает поступление света к растениям, находящимся в тени. Это явление играет немалую роль в жизни на Земле.

Цвет в живой природе

    В жизни организмов цвет играет огромную роль: помогает им находить пищу, прятаться от врагов, сохранять потомство. Яркая окраска ягод и плодов, так же как их сладкий вкус, привлекает к себе птиц и животных, которые затем распространяют со своим пометом семена растений. Очень яркая, пестрая окраска некоторых растений и животных служит как бы сигналом их несъедобности, поэтому ее называют отпугивающей. Но есть и совершенно безвредные животные и растения, которые могут приобретать окраску, очень похожую на отпугивающую. Весьма распространена в природе и так называемая покровительственная окраска, благодаря которой животное сливается по цвету с окружающим ландшафтом. Такую окраску имеют, например, гусеницы, кузнечики, заяц, лев, тигр и другие животные.
    Умение слиться с землей, растительностью, корой дерева, исчезнуть, раствориться в окружающем, чтобы избегнуть встречи с хищником или, наоборот, напасть на жертву неожиданно,— важнейшая потребность, необходимое качество многих животных. Законы светотени, цветового контраста играют в этом первостепенную роль. Чтобы сделать собственную тень менее заметной, бабочки столь точно ориентируются по Солнцу, что тень от их крыльев в полете превращается в незаметную линию. «Противотеневая» окраска характерна для рыб, ящериц, змей, многих птиц. В условиях господствующего направления солнечных лучей сверху вниз верхняя, освещенная поверхность тела равномерно окрашенных животных может контрастировать с нижней, остающейся в тени. Если же нижняя часть тела окрашена светлее, то тень как бы выравнивает окраску и делает животное менее заметным. Особенно эффективно в этом смысле сочетание противотеневой окраски с расцветкой, которая приближается к цвету фона (земли, листвы и т. п.).
    Однако однотонная окраска все же не очень надежна: фон редко бывает совершенно одноцветным, да и животные, двигаясь, попадают в несколько различные условия освещения, расцветки, яркости. Поэтому надежная маскировка может быть обеспечена лишь при каком-то разнообразии в окраске тела, если оптически расчленить его на несколько участков. Вот почему на шкуре жираф, леопардов, в оперении многих птиц, на коже хамелеонов и других пресмыкающихся имеется контрастный неправильный рисунок — пятнистый, сетчатый, полосатый. Отдельные части общего рисунка настолько привлекают внимание, что истинные контуры животного теряются.
    Именно таким образом исчезают из поля зрения наблюдателя огромные тела жираф. Пятна, полосы, рисунки особенно часто используются в мире животных для маскировки глаз.
    Наконец, умение изменять окраску кожи применительно к фону, характерное для хамелеонов и многих других пресмыкающихся, а также насекомых, амфибий, рыб, моллюсков, объясняется наличием в коже особых пигментных клеток — хроматофоров. Пигмент в них либо распределяется по всей площади, либо собирается в одной точке. В зависимости от этого кожа светлеет или темнеет. Тело кальмаров и осьминогов, например, способно чернеть или бледнеть прямо на глазах, почти мгновенно. А камбалы в бассейне с дном из чередующихся белых и черных плиток превращаются в настоящие живые шахматные доски.
    Все великолепное разнообразие окрасок, цветов и расцветок, которым щеголяют многие представители животного мира, создается не только за счет присутствия в их коже, шерсти, перьях или чешуе красящих веществ. Цветовые эффекты в животном мире очень часто основаны на законах отражения, поглощения, спектрального разложения белого солнечного света, на явлениях интерференции и дифракции. Богатство окраски крохотных колибри основано на присутствии в их оперении всего одного-двух пигментов. Все остальное — это игра света в крохотных капельках жидкости, расположенных между бородками оперения и играющих роль бесчисленных призмочек. Разнообразие и яркость цветов оперения павлинов, петухов и некоторых других птиц создается в определенной мере за счет дифракции и интерференции света на волоконцах-бородках перьев и за счет взаимного отражения двух по-разному окрашенных поверхностей, прилегающих друг к другу. Богатство оттенков, возникающих при этом, практически неисчерпаемо.
    Еще одним источником разнообразия цветов и оттенков в живой природе, воспринимаемых нашим глазом, служит явление цветового контраста. На цветовом фоне белый или слабоокрашенный предмет приобретает окраску, дополнительную по отношению к окраске фона. Дело в том, что однородный цветовой фон утомляет глаз. Одновременно повышается чувствительность колбочек к дополнительному цвету. И если соответствующие лучи содержатся в свете, отраженном от интересующего нас предмета, глаз выделит их, как бы подчеркнет дополнительную окраску.
    Если идти лугом или зеленым редколесьем при ясном небе и высоко стоящем Солнце, тропинка и стволы деревьев кажутся красноватыми. Серый дом кажется красноватым, если смотреть на него через зеленую штору. Ночью глаз после оранжевого пламени костра или пожара воспринимает свет Луны как голубоватый. Зеленый цвет морских волн подчеркивает пурпурный оттенок тени. Все эти наблюдения были сделаны еще И. В. Гете в его «Учении о цветах». Большое количество примеров цветового контраста приведено также в книге М. Миннарта «Свет и цвет в природе» (1956).

Цвет в деятельности человека

    В практике человека, например в военном деле, иногда приходится прибегать к маскировке, т. е. искусственно менять цвет военных объектов, чтобы они полностью терялись в окружающем ландшафте. Самая совершенная маскировка создается подбором окраски, которая обеспечивает такое же отражение для всех длин волн, как и окружающий фон. Практически добиться этого в полной мере очень трудно. Обычно ограничиваются подбором цветов, у которых величина коэффициента отражения близка лишь для области лучей, главным образом лежащих в желто-зеленой части спектра,— к ним глаз особенно чувствителен. Но на фотопластинку наиболее сильно действуют не желто-зеленые, а фиолетовые и ультрафиолетовые лучи. При различной величине коэффициента отражения объекта и фона фотопластинка выявит дефект маскировки, а глаз — нет.
    Специальным подбором цветов, освещенностей, окрасок можно добиться неожиданных эффектов. На сцене, например, путем сочетания цветных декораций, белого и многоцветного освещения можно показать голубое небо, темные горы, синие моря, зеленые леса. Освещая ярким красным светом колеблющуюся ткань или другой материал, декораторы создают иллюзию пламени. Благодаря темноте в зрительном зале с помощью источника небольшой освещенности легко создать на сцене впечатление яркого солнечного дня. И наоборот, используя на сцене в качестве фона черный занавес, в «театрах иллюзий» демонстрируют всевозможные «чудеса».
    Цвет — важнейшее изобразительное средство во всех видах искусства; даже в музыке цветовые аналогии почти неизбежны при восприятии и анализе самых глубоких и сложных программных симфонических произведений. Но, разумеется, в живописи роль цвета переоценить невозможно. Роль эта всегда была выдающейся, но она, как и живопись в целом, прошла немалый исторический путь, хотя восприятие цвета человеческим глазом за последние 100 тыс. лет практически не изменилось (в физическом и физиологическом смысле).
    Родилось изобразительное искусство где-то далеко в палеолите (древнекаменном веке), десятки тысяч лет назад, началось с контурных наскальных рисунков, лишенных цвета. Лишь постепенно первобытные художники овладевали цветовой гаммой, медленно обогащая свою палитру. Многочисленные данные палеонтологии, археологии, этнографии свидетельствуют, что порядок освоения цветов в истории человечества не был случайным. Выдающийся советский ученый академик А. Е. Ферсман писал: «Исторические исследования привели к выводу, что освоение цветов человечеством шло в такой последовательности: желтый, красный, зеленый и синий. Первыми цветами, которые осваиваются ребенком и малокультурными народами, являются желтый и красный. Синий цвет воспринимается значительно позднее». По свидетельству Н. Н. Миклухо-Маклая, у папуасов Новой Гвинеи, живущих в гуще зеленых джунглей, отсутствует способность различать зеленый цвет. Специалисты, проанализировавшие гомеровский эпос древней Эллады, не нашли в нем прилагательного «синий» даже в применении к морю. Но уже в VI—V вв. до н. э. греческие скульпторы использовали синий краситель для раскрашивания своих статуй. В последующие столетия цвет все шире используется живописцами, скульпторами, архитекторами. Но рельефные, пластические возможности цвета долго остаются неиспользованными.
    Лишь в эпоху Возрождения такие титаны науки и мастера живописи, как Леонардо да Винчи, Альбрехт Дюрер, Леон Альберти, приоткрыли тайну связи цвета и перспективы. Игра светотени, мастерское использование оттенков цвета бесконечно обогатили палитру живописцев, сделали возможной передачу объема, глубины, перспективы. Это нашло свое практическое воплощение в полотнах Тициана, Веронезе, Тинторетто. Мастерам Возрождения были уже известны и эффекты многократного взаимного отражения. Так, Леонардо да Винчи в своем «Трактате о живописи» утверждал: «Отраженные цвета имеют гораздо большую красоту, чем природный цвет этих тел, как это видно на открывающихся складках золотых тканей..., когда одна поверхность отражается в другой, стоящей напротив, а эта в ней, и так последовательно до бесконечности».
    Использование цветового контраста позволяет «подчеркивать» или, наоборот, изменять оттенок цвета благодаря нанесению по соседству мазков другой окраски. Импрессионисты в 60—70-х годах XIX в. начали широко использовать дополнительные цвета. Переход к «пленеру» — живописи на открытом воздухе — обогатил палитру, сделал цветовую гамму картин более разнообразной и в то же время более естественной. Знание законов восприятия цветов позволило заменить смешивание красок на палитре нанесением разноцветных точек непосредственно на полотно. (Это направление получило название пуантилизма.)
    Большое значение для полного и правильного восприятия картины имеют особенности ее освещения. Любой искусственный источник света вносит в это восприятие определенные искажения. Очевидно, в идеале картина должна освещаться светом той же интенсивности и того же состава, что в момент ее написания.
    В художественной литературе цвет присутствует как одно из важнейших выразительных средств, несет даже тройную нагрузку: смысловую (характеризуя, например, достоинство бумажных денег или болезненное состояние персонажа), описательную (обеспечивая образность, «картинность» происходящего) и эмоциональную. Писатели нередко используют цветовые эпитеты для характеристики настроения и состояния своих героев. Для рассказов и повестей А. Грина характерны яркие, чистые, насыщенные цветовые гаммы, выражающие солнечно-ясные мысли и чувства его сказочных героев и возбуждающие такие же яркие и светлые эмоции у читателя.
    Широкое использование цветовых эпитетов характерно для тех писателей и произведений, которые преимущественно рисуют события, процессы, предметы внешнего мира. Писатели же и произведения, раскрывающие бездны мира внутреннего, отличаются экономным использованием цвета. В творчестве некоторых писателей (Л. Н. Толстого, А. С. Пушкина) можно проследить процесс постепенного вытеснения цвета по мере перехода к зрелому творчеству.
    У некоторых деятелей искусства отмечается пристрастие, почти болезненное, к отдельным цветам. Так, у Ф. И. Достоевского, очень редко пользующегося цветом, сравнительно много желтого: желтые обои, желтью цветы, желтая мебель... Тот же желтый цвет на полотнах Ван Гога играет совершенно особую, необычайно выразительную роль, приобретает поистине колдовскую силу.
    Велико значение цвета и в трудовой деятельности человека. Бесспорно, что в подавляющем большинстве случаев оптимальным решением было бы использование естественного, солнечного освещения. Но как впустить Солнце в громады современных цехов, как осветить его лучами каждое рабочее место, каждый станок? Возможно ли это? Обычное решение состоит в том, что в потолочных перекрытиях длинных и широких заводских цехов делают стеклянные фонари. Они, конечно, пропускают свет Солнца. Но конструкция перекрытия удорожается и усложняется. Наклонные стекла фонарей покрываются пылью и грязью, а мыть их очень неудобно. А главное,— хорошего освещения фонари не создают. Яркие блики отражаются от металлических поверхностей, слепят. Летом прямые лучи Солнца вынуждают забеливать фонари, по при этом теряется до 60% света.
    Принципиально новая идея была предложена за рубежом. Вместо дорогостоящих, неудобных и неэффективных фонарей в потолке особые призматические стекла устанавливаются вертикально в наружных стенах. Одна сторона их гладкая, вторая — пилообразная, зубчатая. Такие стены как бы объединяют, собирают и направляют внутрь цеха солнечные лучи. Но призматические стекла не только преломляют лучи, но и разлагают их, превращая внутренность цехов в радужную какофонию цвета. Предложение московского инженера А. Мотулевича позволяет устранить этот недостаток: нужно лишь превратить зубчатую поверхность стеклянной стены в волнистую. При этом разделенные спектральные цвета вновь смешиваются, проходя через волнистую внутреннюю поверхность, давая внутри цеха белый цвет. Применение волнистых стекол увеличивает глубину проникновения солнечного света в цеха в 1,5—2 раза.
    Недостаточная освещенность предъявляет повышенные требования к органу зрения, вынуждает глазные мышцы напрягаться и влечет за собой раннее переутомление, а в определенных условиях труда может повлечь и аварию, несчастный случай. Гладкие металлические поверхности, отражая свет, дают блики, оказывают более или менее выраженное слепящее действие и также влекут за собой утомление глаза. Поэтому наряду с обеспечением достаточной освещенности все отражающие поверхности следует делать матовыми, рассеивающими свет.
    Совершенно необходимо также, чтобы источник света находился вне поля зрения. Монотонная окраска предметов, окружающих рабочее место, особенно серая или черная, утомляет глаз, лишенный светового и цветового контраста. Поэтому важно в разумных пределах разнообразить окраску машин, станков, оборудования, выделить цветом детали разного функционального назначения. Это не только дает необходимый отдых глазу, но и облегчает сознательную и автоматическую ориентировку при выполнении привычной последовательности трудовых операций. В конечном счете это выражается в повышении производительности труда.
    Монотонная окраска машин, отсутствие цветового контраста до сих пор остается одной из наиболее важных причин несчастных случаев на производстве. Рабочий не замечает движущегося крана, автопогрузчика и т. п., окрашенных, как и станки, стены, перекрытия цеха, в монотонный серый цвет и не несущих сигнальных огней и сигнальной окраски. А крановщик, водитель автокара, погрузчика может не заметить человека, если его спецодежда серого цвета и не контрастирует с фоном.
    Вот почему столь важное значение приобретает окраска кранов, автокаров, лобовой части автомобилей, железнодорожных локомотивов, стрел экскаваторов и подъемников в яркие сигнальные цвета (красный, оранжевый, желтый), использование цветной сигнальной спецодежды путевыми рабочими (оранжевые жилеты), ремонтниками, верхолазами, монтажниками и т. п., а в последнее время — космонавтами (что облегчает задачу их отыскания после приземления). По-видимому, целесообразно введение цветной спецодежды и для некоторых групп сельскохозяйственных рабочих, сигнальной окраски — для многих сельхозмашин. Статистика утверждает, что автомашины желтого цвета гораздо реже оказываются замешанными во всякого рода дорожных происшествиях.
    Совершенно неожиданное применение нашел оранжевый цвет в авиации. Птицы и летучие мыши — одна из причин аварий самолетов при взлете и посадке. Их привлекает к аэродромам яркий свет прожекторов. Австралийские специалисты-экологи установили, что оранжевый цвет влечет насекомых (а значит, и охотящихся на них птиц и летучих мышей) гораздо меньше, чем белый. После установки оранжевых светофильтров на прожекторах количество птиц в окрестностях аэродрома сократилось на 30-40%.
    Окраска стен и перекрытий в заводских цехах в яркие и теплые цвета — желтый, оранжевый, бежевый, желто-зеленый — субъективно создает ощущение большого простора. На тех производствах, где рабочие имеют дело с окрашенной продукцией (производство красителей, тканей, окрашенных деталей, машин), окраска стен в дополнительный цвет дает желанный цветовой контраст и отдаляет наступление утомления. На одном из шотландских предприятий перекраска стен, ранее черных, в зеленый (нижняя часть стен), желтый (верхняя часть стен) и светло-желтый (потолки) цвета создала впечатление простора и света; резко уменьшилось число случаев головной боли, ссор между работницами, улучшилась дисциплина и техника безопасности. Производительность труда выросла.
    Перекраска рабочих столов и машин на обувных фабриках в светлые тона, создав заметный контраст с темной обувью, обеспечила повышение производительности труда на 14%. По данным, полученным учеными ГДР, рациональная окраска рабочих мест, наряду с разнообразием цветовой гаммы производственных помещений, обеспечивает увеличение производительности труда до 25—30% и снижение потерь рабочего времени на 32 %.
    Больше утомляют глаз цвета, относящиеся к крайним областям спектра,— красные и сине-фиолетовые. Желтый и зеленый цвета, расположенные в середине спектра, утомляют значительно меньше. Зеленая окраска зелени, стен, предметов дает глазу желанный отдых, способствует снижению внутриглазного давления. Устойчивость цветоразличения и контрастная чувствительность глаза наиболее высоки при использовании желтого, зеленого или белого цвета в качестве фона; красный и синий фон дает обратные результаты.
    Быстро развивающаяся молодая наука — техническая эстетика — разрабатывает на основе данных физики, физиологии и психологии зрения, производственного опыта рекомендации, инструкции, технические указания для предприятий разных отраслей промышленности. Некоторые из рекомендаций по использованию цвета на производстве, особенно в целях техники безопасности, принимают форму ГОСТ'ов (государственных общесоюзных стандартов) — своего рода промышленных законов.
    Сигнальные цвета, принятые на разных производствах и на транспорте, разделяются на основные и вспомогательные. Основные сигнальные цвета — красный, желтый и зеленый. Красный цвет, действующий возбуждающе, повышает артериальное давление и ассоциируется рефлекторно с огнем и кровью. Он используется как сигнал непосредственной опасности, требующий немедленной реакции. Желтый цвет, не вызывающий столь сильной эмоциональной реакции, обозначает возможную опасность. Зеленый цвет снижает давление, ассоциируется с зеленью и покоем и всегда используется как сигнал безопасности.
    Огромное значение играет окраска стен, потолков, полов, парт и классных досок в школах. Использование черного, темно-коричневого и серого цветов как наименее марких — чрезвычайно распространено. Между тем опыт передовых школ, в которых контролировалась связь между цветом и успеваемостью, поведением, аппетитом и состоянием здоровья школьников, недвусмысленно свидетельствует против этих цветов. Переход к светлой окраске стен не только не увеличил опасности их загрязнения, но, наоборот, повысил внимание и аккуратность школьников. Улучшение освещенности в светлоокрашенных классах благоприятно сказывается на напряжении глаз, уменьшает процент близорукости среди учащихся, улучшает аппетит и существенно повышает успеваемость.
    Освещение классов должно быть достаточным, рассеянным и хорошо распределенным. Светлая окраска стен увеличивает долю рассеянного освещения, повышает общую освещенность и делает ее более равномерной. Белый цвет нежелателен, так как может вызвать неприятный блеск. Черный и коричневый цвета поглощают много света и угнетают настроение детей. Красный цвет слишком возбуждает и потому также утомляет. Стены, окрашенные в желтый и бледно-зеленый цвета, создают хорошее настроение для работы, улучшают процесс обучения, не слишком возбуждая детей. В то же время желтый цвет стен, по многочисленным наблюдениям, в меньшей степени вызывает у школьников желание пачкать стены, рисовать на них, чем другие цвета. Для учебных помещений и классов рекомендуются также бежевый, кремовый, светло-желтый цвета. Для приемных, актовых и спортивных залов — более холодные — голубой, зеленый цвета. Потолки рекомендуется оставлять белыми. Доску и парты рекомендуется окрашивать в зеленый цвет, доску — несколько более насыщенным цветом. Писать на такой доске лучше желтым или оранжевым мелком.
    Специальные исследования показали, что дети предпочитают писать на белой бумаге при дневном свете. Свет же ламп накаливания заставляет их предпочесть светло-голубую, а также светло-зеленую бумагу. При решении контрольной работы по арифметике количество верных ответов на зеленой бумаге было на 21,3% выше, а на красной — на 19% ниже, чем на белой.

    Таблица 2
    Отражательная способность стен в зависимости от их окраски и цвета обоев